Заземление — что, как и зачем

При пользовании электрической энергией важно помнить о том, что она таит потенциальную опасность. О ней знает каждый, кто хоть единожды попадал под отнюдь не ласкающее действие электротока. Профессионалы, работающие с «живым» и опасным электричеством, знают и выполняют множество правил техники безопасности, они в курсе, от какого тока можно ждать пощипывания, а какой не оставит прикоснувшемуся к токоведущей шине ни малейшего шанса спастись. Они оснащены диэлектрическими перчатками, ковриками и прочей «броней».

Но нам, рядовым потребителям, далеким от глубин познаний электриков, главное — безопасное сосуществование с электричеством, питающим такие удобные и полезные приборы, окружающие нас в нашем комфортном жилище. И далеко не последнее место в обеспечении электробезопасности занимает так называемое «заземление».

В представлении не электрика, заземление — это соединение чего-то с землей. И это так. Но — не только. Чтобы понять все нюансы системы заземления, разберемся в основах. «Библия» электрика — правила устройства электроустановок (ПУЭ) четко оговаривают меры защиты от «прямого» и «косвенного» прикосновений к частям приборов и проводки, находящихся под напряжением. «Прямое» прикосновение, понятно, означает, что мы коснулись непосредственно оголенного провода. От этой неприятности нас надежно защищает изоляция. Достаточно периодически проверять состояние шнуров электроприборов на предмет ее разрыва и трещин. Но есть и вторая опасность, так называемое «косвенное» прикосновение.

Внутри электроприборов, как мы знаем также проходят провода, соединяющие узлы прибора между собой, в нагревателях есть ТЭНы и иногда вентиляторы, через которые также проходит электроток. Эти провода нам не видны, и проверить качество их изоляции мы не в состоянии. Однако и их изоляция, при определенных условиях, или просто от старости, может быть повреждена. В этом случае, на металлический корпус электроприбора может попасть достаточно опасное напряжение. Если мы случайно коснемся такого корпуса, нас ударит током. Это и называется «косвенным» прикосновением.

ПУЭ учитывает такое развитие событий и предлагает два способа от него защититься. Первый — двойная изоляция. По-простому это означает, что корпус прибора изготавливается из изолирующего материала, обычно из пластмассы. В этом случае, даже если изоляция внутренних проводников будет нарушена, корпус прибора не пропустит электричество «наружу». Это идеальный вариант для небольших приборов — электрофенов, музыкальных проигрывателей, настольных светильников и т. д. На техническом языке это называется «прибор с классом защиты 2».

Для прочих приборов такая защита неприменима. Например, крупногабаритные приборы, вроде холодильника или стиральной машины, должны иметь прочный корпус, способный выдержать их вес, в том числе и при транспортировке. Пластиковый корпус, удовлетворяющий этому требованию, получился бы чрезмерно громоздким, тяжелым и некрасивым. Не годится такая защита и для нагревательных приборов — из-за низкой теплопроводности пластика. И для первых и для вторых приборов, в качестве материала корпуса используется сталь - тонкая, прочная и красивая. Однако электричество она проводит очень хорошо, и здесь от косвенного прикосновения защитит только заземление. Разберем принцип его действия.

Как следует из названия — заземление это соединение стального корпуса прибора (на техническом языке он называется «открытая проводящая часть») с землей посредством заземляющего проводника (провода) и заземлителя — стального прутка, трубы или уголка, вкопанного в землю. Строго говоря кроме заземления (особенно в многоквартирных домах) используется еще и «защитное зануление», его мы сейчас и рассмотрим.

Представим ситуацию, когда провод внутри прибора (например, холодильника), оголяется и касается корпуса прибора, который при этом оказывается под напряжением 220 Вольт. Если корпус будет заземлен, в тот же самый момент ток потечет с фазного проводника на землю, возникнет короткое замыкание и автомат защиты отключит прибор от сети, тем самым защищая нас от поражения электричеством.

Разумеется, оголенный провод может касаться корпуса не напрямую, а через какую-либо полупроводящую среду, например, воду. В этом случае, короткого замыкания не возникнет, так как ток с фазы на землю будет мал. Но и в этом случае заземление защитит человека. Каким образом?

Все дело в том, что напряжение на нагрузке (а это и тело человека, и заземляющая система) находится в прямой зависимости от ее сопротивления. Чем сопротивление меньше, тем меньше и напряжение. При этом, если две нагрузки соединены параллельно (то есть соединены их «входы» и «выходы»), напряжение на них будет одинаковым и (грубо говоря) равным напряжению, падающему на нагрузке с меньшим сопротивлением.

Если мы коснемся заземленного корпуса прибора, оказавшимся под частью сетевого напряжения (другая часть останется на «полупроводящей» среде), наше тело и заземляющая система станут такими параллельно соединенными проводниками. При этом напряжение будет равно произведению тока, текущего через заземляющее устройство (током через тело человека, ввиду его малого значения, можно пренебречь) на сопротивление заземляющего устройства. Возьмем маловероятный «самый плохой случай», когда ток через заземляющую систему будет равен 15 Ампер (автомат более чем на 16 Ампер на бытовую линию ставить нельзя) и автомат не отключится. В этом случае напряжение на корпусе прибора будет равно 15 А х 4 Ом (это максимальное, согласно ПУЭ, сопротивление заземляющего устройства) = 60 Вольт. Это напряжение, хоть и опасно само по себе, но при условии что прибор находится в сухом помещении, либо защищен УЗО, не представляет опасности для жизни. В реальных случаях это напряжение (его называют «напряжение прикосновения») значительно меньше.

Так работает система «защитного зануления», когда помимо соединения с землей, стальные корпуса приборов соединяют еще и с рабочим нулевым проводом (такое соединение выполняется либо в подвале многоквартирного дома, либо в этажном щитке, либо непосредственно на трансформаторной подстанции (ТП)).

Эта система обеспечивает безопасность только при строгом соблюдении всех требований ПУЭ, главное из которых — сопротивление заземляющего устройства не более 4 Ом. Если оно будет выше, то, как видно из вышеприведенной формулы, напряжение на корпусе прибора при внутренней неисправности прибора, может быть значительно выше 60 Вольт, достигая опасных для здоровья и жизни значений.

В российских условиях, к сожалению, это требование выполняется далеко не всегда, что раз за разом влечет неприятные и даже трагичные последствия. Хотя грамотный электрик-проектировщик, знакомый с ПУЭ должен знать, что если система защитного зануления (TN-S, TN-C-S) не обеспечивает нужного уровня безопасности, следует использовать «заземление», которое на языке профессионалов называется «система TT».

Главное отличие заземления от защитного зануления состоит в том, что корпуса приборов соединяются ТОЛЬКО с землей. В этой системе, отключение прибора от сети, в случае его неисправности, осуществляет не автомат, а устройство защитного отключения — УЗО, специально разработанное для «отслеживания» утечек тока, возникающих при наружении изоляции проводников. Во многих случаях, особенно в сельской местности, это единственная система, способная обеспечить нужный уровень электробезопасности.

Недостатки этой системы — критичность к качеству УЗО, которое следует использовать исключительно после проверки и исключительно от проверенных передовых производителей (Moeller/Eaton, ABB, Legrand, Schneider Electric, Siemens и некоторых других, из отечественных хорошо себя зарекомендовали УЗО фирмы Астро-УЗО), и собственно, стоимость УЗО.

Преимущества заземления с лихвой окупают его недостатки. Первое и самое главное — безопасность, причем не сиюминутная, а долговременная. Если в случае защитного зануления вы, фактически, оказываетесь «заложником» электросетей, влиять на ссостояние которых вы не имеете ни возможности, ни желания, то в случае заземления ваша безопасность в ваших руках. Достаточно правильно выполнить заземление (что, как мы увидим дальше совсем нетрудно) и поставить качественное УЗО, заплатив единожды порядка 2000 руб (по состоянию цен 2010 года).

Второе — простота и низкие требования к системе заземления. Если в системах защитного зануления (TN-S и TN-C-S), заземление, повторное и особенно первичное требует сложного и дорогостоящего монтажа контура, состоящего из нескольких (до 10-20) заземлителей, объединенных посредством сварки стальной полосой, то в нашем случае достаточно одного-двух, рядом расположенных заземлителей простого типа, например стальной арматуры, вбитой на глубину 2 метра и соединенной простым проводом. Это объясняется тем, что система заземления обеспечивает безопасность при сопротивлении системы заземления до 3000 Ом! Сравните это с 4 Ом в случае защитного зануления и разница станет очевидна.

Третье — помимо защиты от косвенного прикосновения, использование в системе ТТ УЗО позволяет защитить человека и от прямого прикосновения, что в некоторых случаях (дети, домашние животные, ремонт) просто необходимо, поскольку любознательные дети, которые лезут в розетку, домашние животные, грызущие шнур под напряжением и дрель, пробивающая скрытый в стене провод, это вполне реальные случаи, возможные везде.

Четвертое — «тонкость» системы, которая реагирует на самую незначительную утечку тока, исключающая даже малейшую вероятность попадания человека под действие опасного напряжения (сравните с 60 В на корпусе при защитном занулении).

В промышленности используют и другие виды защиты — непроводящие помещения, ограждения, вынос за пределы досягаемости, сверхнизкое напряжение и т. д., но поскольку они все подразумевают знание техники безопасности и квалификацию работающих с этой защитой людей, для применения в быту они непригодны, так что оставим их за рамками нашего обзора.