Заземление на практике: что важно знать на деле

Как-то Генри Форд сказал, что он лично убьет того, кто скажет, что разбирается в маркетинге. То же самое хочется сказать и про заземление. Можно сколько угодно изучать этот вопрос теоретически, и никогда не получится найти какого-либо однозначного мнения. Уверенность, как правило, означает недостаточные знания. А вот физики на уровне докторов наук не берут на себя смелость представить все в некоем однозначном виде. В общем, заземление и еще, пожалуй, антенное хозяйство – это всегда на грани науки и чуть ли не хиромантии. Наверное, именно поэтому по этим темам пишутся и защищаются огромное количество диссертаций. Можно отыскать много чего, что однозначно оспорить не получается. Физика – это вообще симбиоз теории и практики. Поэтому, без формул и только практический опыт.

Для начала отметим, что существует заземление защитное и сигнальное.

О защитном заземлении идет речь касательно мощного электрооборудования с величиной тока потребления, опасного для жизни и здоровья человека. Обязательное требование заземления генератора, стиральной машины или бойлера относится именно к защитному заземлению. Суть его – обезопасить оборудование в случае неисправности, при которой возможен контакт токопроводящих элементов с корпусом и его частями, которые, в свою очередь, могут контактировать с телом человека, создавая угрозу жизни.

С защитным заземлением все просто. Может быть заземляющая клемма непосредственно на корпусе оборудования. Гораздо чаще сетевой шнур представлен трехпроводным кабелем с так называемой евровилкой, отдельно имеющую контакт заземления. Провод заземления одним своим концом связан электрически с корпусом самого оборудования, а второй конец имеет контакт с заземляющим контактом вилки. По идее к электрической розетке должен тоже подходить трехпроводный кабель, один из проводов которого подсоединяется к контакту заземления в розетке, а второй к земляной шине в электрощите, а оттуда к заземляющему контуру (или заземлителю), расположенному уже непосредственно в самой земле в самом прямом смысле.

С обеспечением должного контакта заземляющего кабеля с самой землей творятся всевозможные «шаманства» и «танцы с бубном». Кто-то продает специальные заземлители, имеющие специальное покрытие, и которые надо забивать в землю на многие метры. Кто-то настаивает на необходимости проливать землю в месте, где забит или зарыт заземлитель, соленой водой. Намного дешевле «специального» заземлителя обойдется винтовая свая с огромной в сравнении со стержневым заземлителем площадью контакта.

И, хотя Правила Устройства Электроустановок (ПУЭ) требуют, чтобы сопротивление заземления не превышало 4 Ом, меряется оно от точки заземления оборудования до этого штыря, вбитого в землю. А что там в самой земле творится, одному Богу известно. Но…работает. И по-другому работает – далеко не везде сетевое питание проложено трехпроводным кабелем с отдельным заземляющим проводом и земляной шиной. Особенно в старом фонде. Категорически запрещено заземлять оборудование на водопроводную систему и паровое отопление.

В принципе, вся арматура должна быть заземлена. Только долбить плиту перекрытия до арматуры – тоже не лучший вариант. Но, если вы вызовете официального подключальщика стиральной или посудомоечной машины, который должен по идее выполнить все работы в строгом соответствии с требованиями производителя, в числе которых обязательно будет установка розетки с заземлением, то он не станет тянуть отдельный заземляющий провод к силовому щитку или долбить перекрытия до арматуры, а с чистой совестью соединит в розетке клемму заземления с нулевым проводом и поставит штамп в гарантийный талон. И это будет работать – у нас же схема с глухозаземленной нейтралью, о чем мы говорили в «Азбуке электричества». Правда, на нуле и без всякой аварии может оказаться потенциал, о чем мы тоже говорили, но он не будет представлять опасности для жизни и здоровья, к тому же уйдет по нейтрали на землю. Эта схема называется «зануление». И это официально допускается.

Ток всегда идет по пути наименьшего сопротивления. Сопротивление человека (рука-нога) составляет около 20 кОм (у пьяного человека падает до 5 кОм). Даже, если сопротивление земли будет не 4 Ома, а в разы больше, все равно ток пойдет на землю напрямую или через нейтраль (нулевой провод). Особо опасные агрегаты, такие, как непрерывно работающие электрические бойлеры, имеют, как правило, на кабеле питания УЗО (устройство защитного отключения), которые отключают силовую линию при попадании напряжения на корпус даже без «зануления».

В общем, с защитным заземлением нет ничего сложного.

В отличие от защитного, сигнальное заземление относится к слаботочному оборудованию. И его назначение состоит не столько в обеспечении безопасности жизни и здоровья людей, хотя и такое возможно, сколько в обеспечении как безопасности самого слаботочного оборудования, так и отсутствия искажений полезного сигнала от паразитных токов.

Если на слаботочном оборудовании стоит значок «земля», это вовсе не означает, что надо непременно соединять эту точку с вбитым в землю металлическим колом.

Возможность массовых системных отказов аппаратуры нередко изначально закладывается самим инсталлятором еще до момента включения из-за невыполнения достаточно типовых требований. И вопрос грамотного заземления стоит в числе приоритетных.

Первое, что стоит отметить, - потенциал земли в различных точках заземления практически всегда различен из-за наличия блуждающих токов, всевозможных металлоконструкций, соединенных с электроустановками и т.п. Особенно это проявляется на промышленных объектах, а также при большой длине линий, исчисляемой километрами. И достигать разность потенциалов точек заземления в данных условиях может сотен вольт. На сегодняшний день проводные километровые линии можно, пожалуй, найти только в системах сигнализации и телеметрического управления. В большинстве случаев длинные линии передачи данных реализуются здравым инсталлятором на волоконно-оптических линиях связи. Тем не менее, сами системы у нас слаботочные. Напряжение в линиях Ethernet или интерфейса RS485 составляет всего-то 5 вольт. И такая разность потенциалов в разных точках заземления более, чем вероятна даже на коротких линиях.

Рассмотрим для примера подключение аппаратуры телеметрического управления к длинной линии (рис.1).

Рис.1

На рисунке представлена идеальная схема подключения. Потенциалы разных точек заземления U1 и U2 будут различными. Если бы заземление было на обоих концах линии, то в общем проводе возникла бы постоянно действующая переменная разность потенциалов, которая, как было указано выше, в зависимости от длины линии и условий на объекте может быть очень значительной. И в общем проводе пошел бы переменный ток явно паразитного происхождения. Общий провод – это земля собственно аппаратуры, относительно которой формируется полезный сигнал. Поскольку «опорная точка» этого сигнала будет постоянно изменяться, причем для различных точек линии в разный момент времени это изменение будет различно, искажение полезного сигнала неизбежно. Причем, в очень широких возможных границах. А то и сама аппаратура может выйти из строя. Это явление носит название земляной петли.

Поэтому, заземление на уделенной аппаратуре убираем (отмечено нат рисунке красным зачеркиванием). А заземляющий выход аппаратуры подключаем к общему проводу. Роль общего провода может выполнять любой свободный проводник в кабеле или, что чаще всего бывает, экран кабеля. На приемном конце этот общий провод подключается непосредственно на землю.

Если в точке заземления системы по какой-то причине поднимется потенциал земли, то при соблюдении рекомендованной схемы включения это вызовет подъем потенциала во всех точках благодаря наличию общего провода (GG) и, в конечном итоге, понижение его по мере снижения потенциала земли за счет растекания заряда. На полезном сигнале это никак не скажется.

Если в аппаратуре общий провод не соединен с землей, если нет удаленного заземления, трасса хорошо экранирована от внешних наводок (например, выполнена в металлической трубе) или проходит внутри одного здания, имеет небольшую протяженность (до 500 метров), то, как показал опыт, такие системы имеют право на существование, обеспечивая должную работоспособность.

Массовые современные системы вполне укладываются в эти требования (например, IP-видеонаблюдение). Как правило, в качестве проводных линий используется кабель FTP, имеющий экранирование каждой пары. Можно соединить экраны на приемном конце и подключить их к заземлению. Но многие и это не делают. Все получается, поскольку предельная длина проводной линии не превышает 100 метров. Главное, не заземлять экран на другом конце линии.

А вот если используются всевозможные удлинители линий или сетевые коммутаторы, соединенные между собой также проводной линией Ethernet, то к вопросу нескольких земель надо подойти со всем должным вниманием. Если входы-выходы имеют развязку земель, то наличие точек заземления после таких развязок не приведет к образованию земляных петель – развязка с точки зрения заземления отделяет одну систему от другой. Говорить о необходимости организации единственной точки заземления в этом случае можно отдельно для каждой такой подсистемы. Но этим вопросом надо отдельно поинтересоваться, ознакомившись с техническими характеристиками оборудования. Если же развязки нет, то придется отдельно проверить все точки подключения сетевого питания на предмет задействования земляной клеммы в розетках и, вполне возможно, задействовать общий провод, объединив экраны всех кабелей с одной точкой заземления на приемном конце.

На рисунке 2 представлена типовая схема подключения камер в системе IP-видеонаблюдения. Вместо камер может быть и любая другая аппаратура, но видеокамеры оказались наиболее показательны в плане скрытых «земельных» угроз.

Рис.2

Стало очень популярным подключать видеокамеры к сетевому коммутатору по РоЕ. Даже, если питание подается отдельно, а камера связана с коммутатором по линии Ethernet, сути это не меняет. Посредством коммутатора и нескольких камер, удаленных от него не более, чем 100 метров, образуются этакие подсистемы, связанные между собой в единую сеть через включение в эту сеть самих коммутаторов. Коммутатор, конечно, включается в сеть питания. И, как правило, через сетевую вилку, имеющую клемму заземления, имеет линию заземления в том или ином виде.

Если сами коммутаторы связаны между собой проводной линией связи, в точках А и В – места подключения к сети - представленный на рисунке коммутатор (и все остальные) должны иметь разрыв какой бы то ни было возможной линии заземления. Для этого в схему коммутатора могут включаться или развязывающие трансформаторы или опторазвязки, специально предназначенные для разрыва земляных петель.

Если этого нет, придется убрать заземление самого коммутатора и в дальнейшем отслеживать отсутствие дополнительных возможных заземлений кроме единственного на приемном конце. Однако, отсутствие заземления для прибора, имеющего напряжение питания 220В, опасное для жизни и здоровья человека, тем более, если он выполнен в металлическом корпусе, может оказаться недопустимым по соображениям электробезопасности. Тогда придется отдельно приобретать и устанавливать развязывающую земли аппаратуру и подключать его в точках А и В. Кстати, вот почему цена сетевых коммутаторов так сильно разнится на рынке – включение в линию земельных развязок существенно удорожает всю схему.

Если же сеть организована на волоконно-оптической линии, никакого электрического сигнала она через себя не проводит. Никакой электрической связи, в том числе и земельной, с другими устройствами сети не будет. Это очень сильное потребительское преимущество оптоволокна в числе многочисленных прочих. При оптоволоконном подключении можно рассматривать подобный узел как автономную систему с одной точкой заземления. Никаких земельных проблем не будет, если, конечно, в рамках такой подсистемы не возникла дополнительная земля по каким-то причинам.

И среди таких причин-сюрпризов нередко выступает сама видеокамера. Особенно в ее всепогодном исполнении. Если видеокамера имеет металлический корпус, а нулевой ее провод имеет контакт с корпусом (подобно автомобилю, у которого «минусом» всей его электрики выступает кузов), то велика вероятность получить проблемы земляных петель. Корпус имеет электрический контакт с кронштейном, а тот может быть установлен на какую-либо поверхность, имеющую электрический контакт с землей – металлические опоры, ворота и т.п. Вот и получим вторую землю. При этом влияние одна земляная петля окажет на все камеры, включенные в систему через общую цепь заземления. Самый простой выход из положения – установить диалектическую прокладку между кронштейном и токопроводящей поверхностью. А еще проще не приобретать подобную камеру.

Грамотный производитель в курсе земляных петель, и конструктивом своей продукции исключает их появление случайным образом. Можно взять тестер и прозвонить все сигнальные выходы на предмет их контакта с корпусом. Даже без уточнения их назначения. Не должно быть контакта ни у одного выхода. Кроме того, есть условия, при которых заземление корпуса камеры обязательно. Например, для взрывоопасных сред даже при низковольтном питании. И заземление корпуса никоим образом не должно влиять на систему сигнального заземления. Если все же выбора нет, придется заниматься развязкой земли любым доступным в данном случае способом – посредством развязывающего трансформатора, или опторазвязки, если таковые удастся отыскать. Или переходить на ВОЛС, как радикальное решение.

Не стоит забывать про земельные петли при интегрировании различных систем в единую. В этом случае само понятие «система» приобретает иную конфигурацию, и требование одной точки заземления уже будет распространяться на полученный конечный результат.

Еще возможный вариант - на приемном конце заземления нет. Система «висит» в воздухе. Выхода аппаратуры из строя не будет, но до тех пор, пока она «висит». А «заземлится» она может совершенно случайно в любой точке. Последствия такого заземления могут быть вплоть до трагических. Потенциал будет одинаковым во всей системе благодаря наличию общего провода (например, экрана, нулевого провода и др.), но величина этого потенциала может достигать значительной величины. Любое случайное заземление приводит к возникновению разряда между элементом касания и металлической конструкцией, что может привести к выходу аппаратуры из строя из-за воздействия электромагнитного поля на элементы схемы, может случиться возгорание, может привести к поражению человека электрическим током (например, одной рукой человек коснулся коммутатора, регистратора, а другой – батареи парового отопления). В соответствии с требованиями техники безопасности такие системы эксплуатировать недопустимо.

С точки зрения техники безопасности допускается «зануление» аппаратуры, т.е. в качестве земляной шины используется ноль фазы. Поскольку выполнить полноценное сигнальное заземление – дело достаточно трудоемкое, на подавляющем большинстве объектов присутствует именно «зануление». Проверить это достаточно просто с помощью тестера. Однако, поскольку на нулевой шине всегда возможен переменный потенциал, о чем мы говорили в «Азбуке электричества», для многих систем рынка ТСБ такой вариант оказывается неприемлемым. Зануление придется ликвидировать и сделать хотя бы в «нашей» розетке отдельное заземление. Если не получится обеспечить требуемые 4 Ом, страшного ничего не будет. В любом случае будет лучше, чем при занулении или вообще без заземления.

Попутно, не вдаваясь в физику процесса, отметим, что по всем канонам построения разветвленных сетей питание всех элементов схемы желательно осуществлять от одной и той же фазы силовой сети или от одного и того же выхода трехфазной сети.
При невозможности выполнения этого условия необходима установка разделительных сетевых трансформаторов для каждого элемента сети (п.1.1.32 «ПУЭ»).

И еще один немаловажный момент, о котором мы уже говорили относительно устройств защиты от опасных импульсных напряжений, а здесь будет полезным напомнить.

С одной стороны, было сказано, что заземлять каждый УЗИП надо в обязательном порядке. Если нет заземления, можно считать, что защиты нет вообще. С другой стороны, система может потребовать установку количества УЗИПов по общему количеству портов подключения.

Ничего не будет. Если вспомнить принципиальную схему УЗИПа, то линия заземления возникает только в момент пробоя разрядника или варистора, в момент воздействия напряжения высоких энергий, а прекратится заземление с окончанием высоковольтного импульсного воздействия. Время такого заземления будет измеряться в микросекундах. Это аварийный режим, а в рабочем никаких множественных точек заземления нет. Более того, заземлять УЗИПы надо максимально близко к месту установки самого защитного устройства, чтобы не допускать прохождение опасного импульсного напряжения по общему проводу всей системы до общей точки заземления. Какое уж получится заземление, такое пусть и будет. Лишь бы было.

Включили систему и получили помехи непонятного происхождения. Первое, что делаем, проверяем все сетевые задействованные розетки на предмет зануления и это зануление, если оно обнаружено, убираем. Затем занимаемся поиском «нелегальной» земли. С большой долей вероятности виноваты земляные петли. Достаточно всего одной, чтобы создать проблемы для всей системы.

Как видим, вопрос заземления достаточно важный и трудоемкий в исполнении. И уже давно имеет смысл задуматься о переходе на оптоволоконные линии для передачи данных даже при сравнительно коротких их длинах. С одной стороны технологии прокладки и подключения ВОЛС стремительно упрощаются, а с другой снимают целую гору проблем – и вопросы сигнального заземления, и необходимость применения УЗИПов, и многие-многие другие.