Заземление и зануление: в чём разница
Любая электрическая система построена на трёхфазной сети переменного тока или является её частью. Не углубляясь в теорию слишком сильно, напомним базовые определения работы любой трёхфазной системы.
Между любыми двумя взятыми фазами 50 раз в секунду возникает напряжение 380 В. Конкретно в этот момент времени один из проводников превращается в землю — источник свободных электронов, а другой проводник эти электроны принимает.
Такое же явления возникает и в двух других парах фаз, но разница во времени между тем, как фазы «переключаются», составляет примерно треть от периода колебания в одной из них. Такая схема работы обязана своим появлением наиболее популярному типу электрических машин. Если расположить фазы по окружности в нужном порядке, то возникновение тока в них так же следовало бы по кругу и было бы способно толкать круглый сердечник двигателя. В самом простом варианте электрических соединений все три фазы должны быть соединены в одной точке, при этом в конкретный момент времени в пике мощности будут находиться только две из них.
Основная проблема в том, что сопротивление рабочих элементов (обмоток двигателя или нагревательных спиралей), включённых в каждую из фаз, не могут быть абсолютно равными. Поэтому ток в каждой из трёх цепей всегда будет разным, и это явление нужно каким-то образом компенсировать. Поэтому точку схождения всех трёх фаз присоединяют к земле, чтобы уводить в неё остаточный электрический потенциал.
Как работает заземляющий контур
Любой подъезд многоэтажного дома можно смоделировать по той же схеме. Но квартиры, распределенные по трём имеющимся фазам, потребляют электричество как попало, при чём это потребление постоянно меняется. Конечно, в среднем в точке подключения домового кабеля в распределительном пункте (РП) разница в токах на фазах составляет не более 5% от номинальной нагрузки. Однако в редких случаях это отклонение может быть выше 20%, и такое явление сулит серьёзные проблемы.
Если на мгновение представить, что электрический стояк, а точнее, его рамная часть, на которую прикручены все нулевые провода, оказался изолированным от земли, столь высокая разница между потреблением квартир на разных фазах выливается в следующую закономерность:
На наиболее нагруженной фазе происходит падение напряжения соразмерно нагрузке.
На оставшихся фазах это напряжение, соответственно, возрастает.
Нулевой провод, соединённый с контуром заземления, служит запасным источником электронов как раз на такой случай. Он помогает устранить асимметрию нагрузок и избежать появления перенапряжений на смежных ветках трёхфазной цепи.
Отличие заземления от зануления
Если во время работы отдельно взятой пары фаз нагрузка на них не будет одинаковой, в точке схождения непременно возникнет положительный электрический потенциал. То есть, если при обрыве заземляющего контура человек возьмётся за корпус подъездного щитка, его ударит током, и сила этого удара будет зависеть от степени асимметрии нагрузок.
Большинство электрических машин сконструированы таким образом, чтобы нагрузки распределялись по всем трём фазам равномерно, ведь иначе одни проводники будут нагреваться и изнашиваться быстрее других. Поэтому точку соединения фаз в некоторых устройствах выводят в отдельный четвёртый контакт, к которому подсоединяется нулевой проводник.
И вот здесь вопрос: где взять этот самый нулевой проводник? Если вы обратите внимание на столбы высоковольтных ЛЭП, на них присутствует только три провода, то есть три фазы. И для транспортировки электроэнергии этого вполне достаточно, ведь все трансформаторы на понижающих подстанциях имеют симметричную нагрузку на обмотках и заземляются каждый независимо от других.
А появляется этот четвёртый проводник на самых последних трансформаторных подстанциях (ТП) в цепочке преобразований, там, где 6 или 10 кВ превращаются в привычные нам 220/380 В, и возникает неиллюзорная вероятность асинхронной нагрузки. В этом месте начала трёх обмоток трансформатора соединяются и подключаются к общей системе заземления и от этой точки берёт своё начало четвёртый, нулевой провод.
И теперь мы понимаем, что заземление — это система стержней, погруженных в грунт, а зануление — это вынужденное присоединение средней точки к заземлению для устранения опасного потенциала и асимметрии. Соответственно, нулевой проводник — подсоединённый к точке зануления или ближе, а провод защитного заземления — подключённый непосредственно к самому заземляющему контуру.
Вы замечали, что нулевой провод в трёхфазном кабеле имеет меньшее сечение, чем остальные? Это вполне объяснимо, ведь на него ложится не вся нагрузка, а только разница токов между фазами. Хотя бы один контур заземления в сети должен быть, и обычно он находится рядом с источником тока: трансформатор на подстанции. Здесь система требует обязательного зануления, но при этом нулевой проводник перестаёт быть защитным: что бывает, если в ТП «отгорел ноль», знакомо многим. По этой причине заземляющих контуров по всей протяжённости ЛЭП может быть несколько, и обычно так оно и есть.
Конечно, повторное зануление, в отличие от заземления, вовсе не обязательно, но зачастую крайне полезно. По тому, в каком месте выполняется общее и повторные зануления трехфазной сети, различают несколько типов систем.
В системах под названием I-T или T-T защитный проводник всегда берётся независимо от источника, для этого у потребителя устраивается собственный контур. Даже если источник имеет свою точку заземления, к которой подключен нулевой проводник, защитной функции последний не имеет, и с защитным контуром потребителя никак не контактирует.
Подключения заземления в распределительном щитке
Системы без заземления на стороне потребителя более распространены. В них защитный проводник передаётся от источника потребителю, в том числе и посредством нулевого провода. Обозначаются такие схемы приставкой TN и одним из трёх постфиксов:
TN-C: защитный и нулевой проводник совмещены, все заземляющие контакты на розетках подключаются к нулевому проводу.
TN-S: защитный и нулевой проводник нигде не контактируют, но могут подключаться к одному и тому же контуру.
TN-C-S: защитный проводник следует от самого источника тока, но там всё равно соединяется с нулевым проводом.
Ключевые моменты электромонтажа
Итак, чем вся эта информация может быть полезна на практике? Схемы с собственным заземлением потребителя, естественно, предпочтительны, но иногда их технически невозможно реализовать, например, в квартирах высоток или на скальном грунте. Вы должны знать, что при совмещении нулевого и защитного проводника в одном проводе (называемом PEN) безопасность людей не ставится в приоритет, а потому оборудование, с которым контактируют люди, должно иметь дифференциальную защиту.
И здесь начинающие монтажники допускают целый ворох ошибок, неправильно определяя тип системы заземления/зануления и, соответственно, неверно подключают УЗО. В системах с совмещённым проводником УЗО может устанавливаться в любой точке, но обязательно после места совмещения. Эта ошибка часто возникает в работе с системами TN-C и TN-C-S, а особенно часто, если в таких системах нулевой и защитный проводники не имеют соответствующей маркировки.
Поэтому никогда не используйте жёлто-зелёные провода там, где в этом нет необходимости. Всегда заземляйте металлические шкафы и корпуса оборудования, но только не совмещённым PEN-проводником, на котором при обрыве нуля возникает опасный потенциал, а защитным проводом PE, который подключается к собственному контуру.
Кстати, при наличии собственного контура на него выполнять незащищённое зануление очень и очень не рекомендуется, если только это не контур вашей собственной подстанции или генератора. Дело в том, что при обрыве нуля вся разница асинхронной нагрузки в общегородской сети (а это может быть несколько сотен ампер) проследует в землю через ваш контур, раскаляя соединяющий провод до бела.
