Защитное заземление — основа электробезопасности промышленных объектов. Соединение токопроводящих корпусов электрооборудования с заземляющим устройством обеспечивает стекание тока повреждения в землю и срабатывание защитной автоматики раньше, чем возникнет опасное напряжение прикосновения. Кроме защитной функции, заземление выполняет рабочую, молниезащитную, антистатическую роль. Этот материал систематизирует подход к проектированию и эксплуатации заземляющих устройств промышленных объектов с учётом действующих требований электробезопасности.
«Материал носит справочный и образовательный характер. Проектирование заземляющих устройств, расчёт сопротивления растеканию, выбор типа системы заземления и аппаратуры защиты должны выполняться квалифицированным проектировщиком в соответствии с действующими ТНПА и параметрами конкретного объекта. Самостоятельное применение приведённых рекомендаций без поверки специалистом не рекомендуется.»
Назначение заземления
Защитное заземление выполняет четыре основные функции. Защитная — обеспечивает срабатывание автоматики при повреждении изоляции, ограничивая длительность опасного потенциала на корпусе оборудования. Рабочая — создаёт точку нулевого потенциала для измерений и для работы нейтрали трёхфазной сети.
Молниезащитная функция отводит токи прямых ударов молнии и грозовых перенапряжений в землю, защищая оборудование и людей. Антистатическая — обеспечивает стекание электростатических зарядов с оборудования, технологических установок, металлических конструкций в зонах с риском воспламенения. Каждое заземляющее устройство может выполнять одну или несколько функций; для отдельных применений (например, рабочее заземление систем связи) используются специальные изолированные системы.
Системы заземления TN, TT, IT
Стандартные системы заземления электроустановок различаются способом соединения нейтрали источника и корпусов потребителей с землёй. Система TN (T-нейтраль источника заземлена, N-корпус соединён с нейтралью) применяется в большинстве промышленных и коммунальных сетей. Подразделяется на TN-C (совмещённый PEN), TN-S (раздельные N и PE), TN-C-S (комбинированная).
Система TT — нейтраль источника заземлена, корпуса потребителей имеют независимые заземляющие устройства. Применяется в распределённых сетях с потребителями на значительном удалении от трансформаторных подстанций. Система IT — нейтраль источника изолирована, корпуса потребителей заземлены. Используется в особо ответственных установках (медицинских кабинетах, шахтах, химических производствах), где недопустимо отключение при первом замыкании на корпус.
| Система | Нейтраль источника | Корпус потребителя | Применение |
|---|---|---|---|
| TN-C | Заземлена | Через PEN-проводник | Старые промышленные сети |
| TN-S | Заземлена | Через отдельный PE | Новое строительство |
| TN-C-S | Заземлена | Комбинированная | Переходные схемы |
| TT | Заземлена | Местное заземление | Удалённые потребители |
| IT | Изолирована | Через заземляющее устройство | Медоборудование, шахты |
Конструкция заземляющего устройства
Заземляющее устройство (ЗУ) включает заземлители (вертикальные и горизонтальные электроды в грунте) и заземляющие проводники (соединительные шины и кабели от электродов к точкам подключения). Конструкция выбирается в зависимости от удельного сопротивления грунта, требований к сопротивлению растеканию, площади объекта.
Вертикальные электроды — стальные стержни диаметром 12…20 мм или уголки 50×50 мм длиной 2…5 м, забиваемые или заглубляемые в грунт. Горизонтальные электроды — стальные полосы 40×4 мм или круглые стержни диаметром 10…12 мм, укладываемые в траншеи на глубине 0,5…0,7 м. Контур заземления объединяет несколько электродов в общую систему сваркой. Для промышленных объектов применяется контур по периметру с дополнительными лучами в зоны размещения электрооборудования.
Сопротивление растеканию
Основной нормируемый параметр заземляющего устройства — сопротивление растеканию. Это сопротивление пути тока от заземлителя в окружающий грунт до точки нулевого потенциала на удалении от заземлителя. Значение зависит от размеров и числа электродов, их взаимного расположения, удельного сопротивления грунта.
Стандартные требования для электроустановок до 1000 В: для системы TN — не более 4 Ом, для системы TT с защитным отключением УЗО — до 30 Ом. Для систем выше 1000 В нормы зависят от тока однофазного замыкания на землю и регламентированы отдельными нормативами. Для объектов с малыми токами повреждения (компенсированные сети) требования к сопротивлению ниже, но возрастают требования к контролю изоляции.
| Тип установки | Сопротивление, Ом | Особые условия |
|---|---|---|
| До 1000 В, TN | ≤ 4 | Глухозаземлённая нейтраль |
| До 1000 В, TT | ≤ 30 | С УЗО или другой защитой |
| До 1000 В, IT | ≤ 50/Iз (но ≤ 4) | С контролем изоляции |
| Выше 1000 В, с большим током | ≤ 0,5 | Эффективно заземлённая |
| Выше 1000 В, с малым током | ≤ 250/Iз (но ≤ 10) | Компенсированная сеть |
| Молниезащита II категории | ≤ 10 | Для импульсных токов |
| Антистатическое | ≤ 100 | На пожароопасных объектах |
Расчёт заземляющего устройства
Расчёт начинается с определения удельного сопротивления грунта в зоне установки контура. Для предварительных расчётов применяются табличные значения по типу грунта: песок сухой — 1000…4000 Ом·м, суглинок — 100…300, чернозём — 50…150, торф — 20…50, морская вода — 0,5…2. Для проектирования применяются результаты непосредственных измерений в грунте площадки.
Расчёт сопротивления одиночного электрода ведётся по формулам, учитывающим его геометрию, глубину заложения, удельное сопротивление грунта. Для контура из нескольких электродов учитывается коэффициент взаимного экранирования — соседние электроды частично экранируют друг друга, и общее сопротивление контура снижается медленнее, чем при последовательном делении.
Сезонные колебания удельного сопротивления грунта (промерзание зимой, высыхание летом) учитываются коэффициентами сезонности. Расчётное сопротивление принимается с запасом по сравнению с минимально допустимым, чтобы в неблагоприятный сезон не превысить нормативное значение.
Заземляющие проводники
Заземляющие проводники соединяют корпуса электрооборудования с контуром заземления. Минимальные сечения определены нормативами и зависят от условий прокладки и материала: для меди в кабельных линиях — не менее 6 мм², для алюминия — не менее 16 мм², для стальной полосы открытой прокладки — не менее 50 мм² (сечение).
На промышленных объектах магистральные заземляющие проводники прокладываются по стенам цехов с креплением скобами на изоляторах. Окрашиваются в традиционный цвет — обычно жёлто-зелёный. Все соединения выполняются сваркой или болтами с антикоррозионной обработкой. Резьбовые соединения требуют периодической подтяжки в процессе эксплуатации.
Молниезащитное заземление
Заземление молниеотводов отличается от обычного защитного по характеру протекающих токов: импульсный ток молнии амплитудой десятки и сотни килоампер длительностью микросекунды. Требования к сопротивлению растеканию импульсных токов отличаются от стандартных норм для промышленных токов промышленной частоты.
Стандартное решение — общее заземляющее устройство для защитного заземления, молниезащиты и других назначений с обеспечением сопротивления, удовлетворяющего самым жёстким требованиям. Объединение различных систем заземления через общую шину уравнивания потенциалов выравнивает потенциалы всех металлоконструкций и снижает риск опасных разностей потенциалов при импульсных воздействиях.
Главная заземляющая шина
Главная заземляющая шина (ГЗШ) — точка объединения всех заземляющих и нулевых защитных проводников объекта. К ней подключаются: заземляющий проводник от контура, PE-проводник от вводного устройства, металлические конструкции здания (трубопроводы, металлокаркас), молниеотводы, экранирующие оболочки кабелей.
ГЗШ выполняется в виде медной или стальной пластины сечением, соответствующим максимальному току, который может через неё протечь. Размещается в доступном месте вводного устройства или ГРЩ. Соединения с ГЗШ выполняются болтовыми зажимами с защитой от ослабления — пружинными шайбами, контргайками. Подключение каждого провода — отдельное, без последовательного соединения нескольких на одной клемме.
Контроль и испытания
Сопротивление заземляющего устройства измеряется в процессе приёмки объекта и периодически в процессе эксплуатации. Периодичность измерений нормируется и зависит от типа установки: для критических объектов — ежегодно, для большинства промышленных установок — раз в 3…6 лет. Сезонные измерения проводят в период наименьшей проводимости грунта — обычно в конце зимы или в засушливый период.
Для измерений применяются специализированные приборы — измерители сопротивления заземления с переменным током промышленной частоты. Метод трёх электродов (объект + два вспомогательных) — наиболее распространённый. Результаты заносятся в протокол с указанием даты, метеоусловий, состояния грунта. Превышение нормативного сопротивления — основание для дополнительных работ по контуру заземления.
Типовые ошибки
- Применение системы TN-C на новых объектах — устаревшее решение, заменённое во многих странах системой TN-S с раздельными PE и N проводниками.
- Использование грунта объекта без предварительного измерения удельного сопротивления — расчётное сопротивление контура отличается от фактического в разы.
- Замена сварных соединений электродов резьбовыми без защиты от коррозии — рост сопротивления контакта за 2…3 года, ухудшение работы заземления.
- Отсутствие защитной аппаратуры (УЗО, дифавтоматы) в системе TT — неэффективная защита при сравнительно высоком сопротивлении контура.
- Использование стальных полос в качестве заземляющего проводника без антикоррозионного покрытия в агрессивной среде — разрушение проводника за 5…7 лет, потеря заземления без внешних признаков.
- Объединение функциональных систем заземления (рабочее, защитное, антистатическое) без расчёта взаимных влияний — наводки на чувствительное оборудование, ошибки измерений.
- Отсутствие периодического измерения сопротивления растеканию — деградация контура остаётся незамеченной до возникновения аварии.
- Подключение нескольких PE-проводников к одному болту на ГЗШ — отказ одного соединения ослабляет связь группы потребителей с землёй.
Часто задаваемые вопросы
Можно ли использовать трубопроводы как заземлитель?
Современные нормативы запрещают использование трубопроводов водоснабжения, газоснабжения, отопления в качестве основного заземлителя. Эти трубопроводы могут заменяться, отключаться, иметь изолирующие вставки, что нарушает связь с землёй без уведомления электротехнической службы. Металлические трубопроводы только подключаются к системе уравнивания потенциалов, но не служат основой заземления.
Какое сопротивление допустимо для квартирного щитка?
Сопротивление общедомового заземляющего устройства, к которому подключается квартирный щиток, нормируется и не превышает 4 Ом для большинства многоквартирных зданий. Квартирный потребитель использует общедомовое заземление; собственный контур заземления квартиры в большинстве случаев не нужен.
Что делать, если измеренное сопротивление выше нормы?
Сначала проверить целостность соединений, отсутствие коррозии на узлах. Затем — дополнить контур новыми электродами или увеличить длину существующих. Эффективное решение для проблемных грунтов — применение специальных средств снижения сопротивления (соляные растворы, бентонит, синтетические наполнители вокруг электродов).
Зачем уравнивание потенциалов, если есть заземление?
При прохождении больших токов (молния, КЗ) на разных металлических конструкциях здания возникают разные потенциалы из-за сопротивлений соединительных проводников. Уравнивание потенциалов через единую шину снижает разность напряжений между разными металлическими частями и защищает человека от опасных токов при одновременном касании.
Как часто проверять заземление в производственном цехе?
Для производственных цехов стандартный интервал — раз в 3…6 лет в зависимости от категории установки и условий эксплуатации. На объектах с агрессивной средой, в шахтах, во взрывоопасных зонах — ежегодно. Внеочередные измерения проводятся после ремонтов контура, изменений конфигурации сети, аварийных событий.
Сокращения и обозначения
- ЗУ — заземляющее устройство
- ГЗШ — главная заземляющая шина
- PE — защитный заземляющий проводник
- PEN — совмещённый защитный и нулевой проводник
- N — нулевой рабочий проводник
- УЗО — устройство защитного отключения
- КЗ — короткое замыкание
- ГРЩ — главный распределительный щит
- ТНПА — технический нормативный правовой акт
Материал подготовлен по действующим на дату публикации редакциям ТНПА. Применение рекомендаций должно учитывать актуальность нормативной базы и конкретные условия объекта.