Как земля проводит ток и почему заземление всё-таки работает: разгадка секрета
Подписка на рассылку
Заземление – одно из базовых понятий в электротехнике. С его помощью осуществляется принудительное замыкание токопроводящих частей электроустановки в землю. Это обязательное требование для ее безопасной эксплуатации.
Как работает заземление?
Принцип работы заземления базируется на следующих утверждениях:
- Нельзя полностью избежать пробоя изоляции на корпус электроустановки, а также значительно уменьшить ее сопротивление.
- Когда потенциал затрагивает корпус, это невозможно определить по внешним параметрам.
- Если в этом случае человек дотронется до корпуса электроустановки, он окажется под воздействием высокого потенциала.
- В данной ситуации электрический ток проходит через тело человека от проводящей поверхности к земле, что опасно для жизни.
- Чтобы избежать этой опасности, необходимо достичь разности потенциалов между приводящей поверхностью и землей. Для этого следует при помощи провода с небольшим сопротивлением соединить с землей части корпуса, выполненные из металла.
Благодаря этому в случае пробоя изоляции основной ток уйдет в землю, не затрагивая тело человека.
Почему земля обладает низким сопротивлением?
Закон Ома гласит, что ток во всех случаях протекает по замкнутому контуру. То есть ток движется через электроустановку с подключенной к ней системой заземления от одного из полюсов электростанции до заземляющего электрода. Небольшое заземление всей конструкции не гарантирует малое сопротивление обратной ветви цепи. Почва обладает достаточно большим удельным сопротивлением, поэтому кажется, что тело человека не становится дополнительным элементом заземления.
Стоит учитывать, что сопротивление обратной ветви контура заземления будет небольшим, поскольку между заземляющими электродами электроустановки и электростанции сечение среды очень велико.
Благодаря этому система заземления не только обеспечивает отличную защиту и надежность без обрывов, но и позволяет избежать прокладки доп.кабеля для коммутации соединителей электростанции и объекта.
Что еще нужно знать о заземлении?
Важно понимать, что для качественной работы системы заземления необходимо, чтобы переходной сопротивление, возникающее между землей и заземляющий электродом, было невелико. Этого можно достигнуть благодаря большой площади контакта (для этого выполняют сварку крепко скрепленных друг с другом пластин), а также с помощью установки электродов в грунте ниже глубины его промерзания, поскольку в этом случае его удельное сопротивление резко увеличивается. С реализацией данной задачи отлично справляются вертикальные заземлители.
Сопротивление человеческого тела равняется нескольким сотням Ом, поэтому максимально допустимое сопротивление системы заземления не может составлять более 4 Ом.
Источник
Земля в электротехнике
Землей называют точку цепи, электрический потенциал которой считается равным нулю. Такую точку можно выбирать условно. Землей ее называют традиционно, поскольку один из проводников электрических генераторов соединяли с землей при помощи зарытого в землю проводника. Электрикам-профессионалам и тем, кто имеет дело с электричеством необходимо знать, что такое фаза и что такое ноль.
Ток в цепи
Электрический ток может протекать только в замкнутом контуре. Электрическая цепь состоит из источника Э. Д. С. – электродвижущей силы и замыкающего этот источник сопротивления нагрузки, которое может быть очень разветвленным. Если говорить о бытовой электросети, то здесь источником ЭДС является вторичная обмотка трансформатора ближайшей подстанции, или еще проще, таким источником является ввод в здание.
Один из проводов источника заземлен, этот провод (или шина) называется нейтралью, N, в современной электротехнике. Потенциал этой шины относительно земли равняется нулю, поэтому этот провод называют землей.
Другие три провода называют фазами. Эти провода находится под переменным потенциалом, который меняется от 311 до -311 Вольт относительно земли в сети 220 В 50 Гц (50 раз в секунду). 220 Вольт – это, так называемое, действующее напряжение. Для тока и напряжения синусоидальной формы это среднеквадратичное значение. Это напряжение называют фазным.
Напряжение между двумя фазами называют линейным и оно выше: 380-400 В. Таким образом, размах напряжения в трехфазной сети может достигать величины 760-800 В. Поэтому электроинструмент должен уверенно выдерживать испытательное напряжение не менее 1 кВ = 1000 Вольт.
При замыкании фазы на ноль через какое-либо сопротивление в цепи течет ток. Еще больший ток через то же сопротивление потечет, если оно будет подключено между двумя фазами. В трехфазной цепи у конечных потребителей обычно действующее напряжение между фазами 380 В, а фаза и ноль образуют пару, напряжение на которой всегда равно напряжению между фазами, деленному на квадратный корень из числа 3. Это один из результатов теоретической электротехники. Отсюда и получается известная всем величина 220.
История заземления
В самых старых системах бытового электроснабжения переменного тока, которых теперь уже не найдешь, у конечного потребителя заземления не было (система TT, заземлялась только нейтраль на подстанции, если вторичная обмотка трансформатора соединялось звездой).
Это была однофазная сеть, распределяющаяся ток от понижающей обмотки трансформатора подстанции. Здесь вопрос о том, что такое фаза или нулевой провод даже не возникал – оба провода по отношению к земле были равноправными. Человек мог стоять на земле и держаться за любой из проводов по отдельности. При этом он ничего не чувствовал.
Наиболее старые трансформаторы, питающие однофазную сеть, имели схему, показанную на следующем рисунке. Первичные обмотки соединялись треугольником, нейтрали не было, и заземлялся только корпус трансформатора на месте установки. Теперь таких уже давно нет или они применяются где-то для полевых условий в сельском хозяйстве.
Поражение током происходило, если человек дотрагивался до двух проводов одновременно или, если один из проводов был кем-либо заземлен, а человек дотрагивался до другого. Старые электроплитки делались с открытой спиралью, люди готовили в металлической посуде и касались токоведущих частей. Старые телевизоры, например, изготавливались с автотрансформатором ради простоты конструкции и человек, дотрагиваясь до металлического шасси такого аппарата, фактически находился под напряжением сети.
Проблема возникла, когда жилой сектор стал снабжаться промышленным способом подключения (как на первом рисунке). Это произошло потому, что мощность, потребляемая частным сектором, значительно выросла, а в городах он фактически был перемешан с промышленностью (дома-хрущевки).
Тогда человек, стоящий на влажном полу, или держащийся за батарею, получал сильное поражение током с вероятностью 50%, в зависимости от того, как он включил вилку электроприбора в розетку. Если фаза тока попадала на шасси такого старого телевизора или радиоприемника, то прикосновение к нему было опасно для жизни.
Промышленность в области ширпотреба быстро перешла на производство нагревательных приборов с закрытым и изолированным нагревательным элементом (ТЭНы), а бытовые радио и телевизионные приборы стали производить исключительно с трансформаторами, где первичная обмотка была полностью изолирована от остальной части прибора, что сделало их безопасными для людей.
Но почему появилось заземление в промышленности? Нам надо рассмотреть и этот вопрос. В принципе, ни для работы потребителей, ни для транспортировки электроэнергии ничего заземлять не требуется.
Трехфазная система переменного тока была принята только потому, что это упрощало конструкцию электродвигателей, так необходимых станкам и машинам в промышленности. По трехфазной схеме в треугольник можно соединять и нагревательные приборы, пример тому – тэны, рассчитанные на 380 В.
Трехфазные системы могут соединяться звездой (первый рисунок). Такое соединение стало очень распространенным, так как оно позволяет без больших проблем питать трехфазные потребители напряжением 380 В, и в то же время, без лишних расходов устроить однофазные сети 220 В. Это хороший способ сэкономить на трансформаторах.
Так появился проводник, который назвали нейтралью (N). Его также называют – нулевой провод. При равном токе по всем фазам ток в нулевом проводе равен нулю. Энергетики стараются распределить нагрузку равномерно. Но это не всегда получается. Вот простой пример. Пусть на заводе был запитан офисный корпус. Для этого была выделена одна фаза.
Затем к этой же фазе подключили жилой дом недалеко. Остальные две фазы оказываются неуравновешены и в нейтрали появляется значительный ток. Это приводит ко всякого рода неопределенностям при измерениях. К тому же, как бы ровно не распределили нагрузку, на корпусах электрооборудования появляются опасные напряжения, если нейтраль оборвана.
Начало TN
В 1913 году немецкий концерн AEG предложил систему с заземленной нейтралью, позже названную TN-C. Здесь электрики стали использовать понятия фаза и ноль. Позже, в 1930-х годах появилась система TN-S, в которой заземление и нейтраль были разделены. Это дополнительно увеличивало безопасность, так как теперь, если нулевой провод оборван с очень высокой вероятностью оставался целым другой проводник. Но такая система оказывалась неоправданно дорогой.
Поэтому, со временем было предложено еще одно решение: нулевой провод от подстанции (PEN – защитная земля и нейтраль) расщеплялся на две части перед вводом в здание. Одна часть шла как нейтраль N, а другая получила название защитной земли PE. Если происходил обрыв нейтрали то фаза переменного тока, в случае попадания на корпус электрооборудования, пропускала свой ток в землю. Такая система получила название TN-C-S (заземленная нейтраль комбинированная, с разделением на месте).
Система TN-C-S имеет всего один недостаток – местное заземление должно быть повышенной надежности так как при обрыве нейтрали фазное напряжение, попавшее на корпус, будет заземлено только по цепи PE. Поэтому, при сооружении этой цепи принимают все меры по ее механической прочности и снижению электрического сопротивления.
Для этого используют металлические части зданий, трубопроводы и т.д. Однако все эти части соединяются всего в одной точке при помощи шин. Существует точка (шина) где ноль и земля соединяются, она называется шина уравнивания потенциалов. С ней соединяется и шина контура заземления.
В настоящее время TN-C-S является основной в городах и на предприятиях. В сельской местности еще много систем TT. Это связано с тем, что в сельской местности еще много деревянных домов и TT, при всех прочих недостатках имеет положительную сторону: она безопаснее в отношении грозы.
Источник
Почему земля проводит ток и как работает заземление
Здравствуйте уважаемые подписчики и гости моего канала. Сегодня я хочу поговорить с вами о том, почему же земля проводит электрический ток, а главное почему работает заземление.
Что такое заземление и как оно работает
Итак, вы все прекрасно знаете, что заземление — это преднамеренное соединение металлических корпусов электроприборов или любой точки сети с заземляющим устройством. При этом в электротехнике благодаря заземлению обеспечивают защиту от опасного действия электрического тока путем снижения напряжения прикосновения до вполне безопасных уровней для человека.
Но возникает вполне логичный вопрос: «Так почему же земля является таким хорошим проводником?» Давайте разбираться.
За счет чего земля проводит ток
Безусловно, сама по себе земля — это не изолирующий материал, ведь в ней присутствуют различные жидкости и растворы солей, которые вполне способны проводить электрический ток.
Но такой проводник далеко не идеальный, а при этом все равно прекрасно работает и вот почему.
Бесконечно большое сечение равно нулевому сопротивлению
Давайте рассмотрим вот такую таблицу:
А теперь вспомним вот такую формулу расчета сопротивления:
Так вот, на самом деле нам абсолютно неважно какова длина и удельное сопротивление. Ведь площадь поперечного сечения земли настолько велика, что сопротивление можно считать равным нулю.
Для понимания давайте проведем сравнительный анализ, и возьмем из таблицы выше серебро и такой материал как графит.
Как вы уже поняли из таблицы, серебро гораздо лучше проводит электричество (за счет меньшего удельного сопротивления), чем графит. Но если мы увеличим площадь поперечного сечения графита в миллион раз, то уже сопротивление графита будет существенно ниже сопротивление серебра. Точно такой же эффект срабатывает и в случае с землей.
Вроде с нулевым сопротивлением земли разобрались, и, казалось бы, все просто замечательно, но есть один очень важный момент. Для того, чтобы опасный потенциал уходил именно через заземление, а не стал причиной поражения человека электрическим током, оно должно соответствовать целому ряду требований.
Особенности заземляющего устройства
Итак, для того, чтобы заземление работало так как нужно, оно должно обладать минимальным переходным сопротивлением, а это в свою очередь достигается за счет следующих факторов:
- Должна быть обеспечена большая площадь контакта в местах соединения контура. То есть сварочный шов на пластинах должен быть не менее 10 см.
- Всю систему электродов нужно обязательно закапывать ниже линии промерзания грунта.
- Общее сопротивление заземляющего контура не должно превышать 4 Ом. Если при замерах специальными приборами данное условие не выполняется, тогда необходимо увеличить заземляющий контур, до достижения требуемых параметров.
Вот так заземление выполняет свою защитную функцию по причине того, что земля обладает бесконечно большим сечением. А так как ток протекает только по пути наименьшего сопротивления, то даже в случае пробоя изоляции у электроприбора, корпус которого заземлен, ничего страшного не случится, так как опасный потенциал уйдет через заземляющий контур в землю.
Понравилась статья, тогда ставим палец вверх, пишем комментарии и подписываемся. Спасибо за внимание!
Источник