Заземление в частном доме
Системы автоматики в электроснабжении

Автоматика в системах электроснабжения.
Заметки инженера

26 July 2017

Как правильно организовать заземление в частном доме

Для чего вообще нужно заземление?

Главная роль заземления - это безопасность. Построение эффективной системы защиты от поражения электрическим током невозможно без системы заземления. Даже само по себе заземление металлического корпуса уменьшает напряжение прикосновения при нарушении изоляции внутри оборудования. А для большей надежности применяется устройство защитного отключения (т.н. УЗО), которое отключает электроприборы при нарушении изоляции и возникновении опасного напряжения на их корпусах. А эффективность работы УЗО во многом зависит от качества системы заземления. Как это сделать и как все это работает, я постарался описать в этой статье.

Система TN-C-S

В системе TN-C-S от глухозаземленной нейтрали подстанции до ввода в здание проходит провод PEN, совмещающий в себе функции нулевого (N) и защитного (PE) проводов. При вводе он разделяется на два провода: PE и N. Первый из них играет роль защитного (заземляющего), второй - рабочего нулевого провода.

 

Система заземления tn-c-s

Система TT

В системе TT - все то же самое, но нулевой провод, идущий от глухозаземленной нейтрали подстанции, не берет на себя функцию защитного, а исполняет только роль нулевого рабочего провода N. Провод (шина) PE организуется отдельно, с помощью автономного заземлителя и с N нигде не соединяется.

 

Система заземления tt

Почему ПУЭ рекомендует систему TN-C-S

Так почему же ПУЭ рекомендует применение системы заземления TN-C-S в качестве основной системы в наших электросетях? Ведь у этой системы есть очень существенный недостаток: в случае обрыва или отгорания нулевого провода по пути от подстанции до потребителя все корпуса и металлические конструкции, соединенные с PE, сразу же оказываются под опасным, относительно земли, напряжением. И тот, кто к ним прикоснется, рискует получить опасный для жизни удар током.

Зато есть и большое преимущество: при повреждении изоляции или какой-либо еще ситуации, приводящей к замыканию фазного провода на корпус, получается ситуация, аналогичная короткому замыканию. В результате возникает большой ток, приводящий к срабатыванию автомата защиты. В системе TT в этом случае большого тока не будет, поэтому защита от КЗ далеко не всегда сработает. Почему так получается? Потому, что ток течет не по PEN-проводу, как в предыдущем случае, а идет через землю. Представим себе, что сопротивление заземлителя 4 Ом, плюс еще сопротивление заземлителя на подстанции тоже не нулевое. В такой ситуации сила тока будет не более 50А, на который не отреагирует даже 10-амперный автомат категории C (справедливости ради, надо сказать, что он все-таки сработает, но не по отсечке, а по перегрузке, через некоторое время). Но, если взять частный сектор, то зачастую там сопротивление заземлителя не 4 Ом, а намного больше, и токи замыкания на землю намного меньше.

Для чего нужно УЗО?

К счастью, есть такие устройства, как УЗО, которые реагируют даже на небольшие (десятки миллиампер) токи утечки на землю, поэтому они обязательны в системах TT. Сопротивление заземлителя для четкой работы УЗО на номинал 300 мА должно быть не менее 4 Ом, для 100 мА - 14 Ом, 30 мА - 47 Ом.

Что бывает, когда защитное устройство не срабатывает? Если это автомат в системе TN-C-S, то большой ток короткого замыкания может вызвать плавление проводов и пожар. Если же неисправно УЗО в системе ТТ, то на корпусах электроприборов будет опасное для жизни напряжение. Поэтому мой вам совет: к выбору устройств защиты подходите с максимальной ответственностью, периодически проверяйте их работоспособность в процессе эксплуатации, применяйте при возможности дублирование. Например, помимо общего, ставьте на отходящие линии дополнительные УЗО или дифавтоматы, хотя бы на те линии, где наибольшая опасность (ванная, кухня и т.п.). Вообще, разрабатывай я правила, я бы ввел обязательную двухступенчатую дифференциальную защиту.

Теперь к вопросу о том, стоит ли ставить УЗО в системе TN-C-S. Однозначно стоит. Конечно же, от описанного выше обрыва нулевого провода оно не спасет, но при утечке тока на землю оно сработает и предотвратит дальнейшее развитие неисправности на ранней стадии, когда его значение недостаточно для срабатывания автомата.

Меры по недопущению разрушения PEN

Какие меры предпринимает ПУЭ по недопущению разрушения PEN? В первую очередь - должна быть обеспечена механическая защита , а если уж обрыва не избежать, то чтобы это был не нулевой провод, а кабель целиком. То есть, если это воздушная линия, то вести ее многожильным СИПом, раздельные провода на опорах для TN-C-S непригодны. Ибо зацепит ковшом экскаватор или самосвал кузовом, а нулевой провод обычно нижним идет и его гораздо чаще цепляют, а еще может упасть дерево, трактор въехать в столб, сильный ветер, обледенение... - ну а дальше последствия, о которых мы уже упомянули выше. Помимо усиления и объединения в общую оболочку, нулевой провод периодически повторно заземляется, через каждые 200 метров для районов с низкой грозовой активностью, и через каждые 100 метров для районов с числом грозовых часов более 40 в году. И еще, при применении TN-C-S обязательным условием является система уравнивания потенциалов (СУП, ДСУП). Это значит, что все металлическое (трубы, арматура, ванна и т.д.) соединяются с проводом PE. И даже в случае обрыва нуля на всех металлических конструкциях в доме будет, пусть и отличный от земли, но везде одинаковый, потенциал. А в частных домах, в которых есть приусадебное хозяйство, надворные постройки и т.д., зачастую СУП организовать не удается, тогда следует однозначно делать TT.

Нужно ли свое заземление при подключении к системе TN-C-S? Лишним не будет. Причем, чем лучше заземление, тем больший ток может по нему течь. Это надо учитывать при выборе сечения провода от щитка к заземлителю, а также от опоры к щитку (который, кстати, при любой выделенной мощности не может быть менее 16 кв.мм).

Для чего применяется система уравнивания потенциалов

Теперь о СУП - системе уравнивания потенциалов. К дому подходят различные инженерные коммуникации: водопровод, газ, канализация и т.д. В случае неисправности в электросети (хотя бы то же пресловутое отгорание нуля или, например, пробой изоляции на корпус какого-либо электроприбора) возможно появление опасной разности потенциалов (т.е. напряжения) между шиной PE (т.е. корпусами электроприборов) и трубами или другими металлическими конструкциями, которые имеют с ними контакт. Чтобы этого не случилось, все  стационарные металлические конструкции (трубы, арматура, ванны, раковины, поддоны, дверные рамы и т.д.) соединяются с системой заземления проводами достаточного сечения. При этом, прежде чем заземлить газовую трубу, нужно выполнить ряд требований и согласовать с соответствующей службой.

Кроме СУП, часто встречается такое понятие, как ДСУП - дополнительная система уравнивания потенциалов. Это относится к ванным комнатам и другим помещениям, где соседствуют вода и электричество. То есть в помещении с повышенной влажностью ставится коробочка с клеммником, называется коробка уравнивания потенциалов (КУП), от которой заземляющие проводники разводятся ко всем металлическим конструкциям. Кстати, если трубы пластиковые, то делаются специальные металлические вставки, которые тоже подсоединяются к системе ДСУП. Также, если в полу имеется система электрообогрева или проходит электропроводка, то между ними и покрытием пола укладывается сетка из арматуры, которая тоже соединяется с ДСУП. Приспособлений для присоединения заземления к чему-либо существует великое множество, на все случаи, некоторые из них для убедительности привожу на фото ниже:

заземляющая шина-1 заземляющая шина-2 заземляющая шина-3 заземляющая шина-4 заземляющий хомут-1 заземляющий хомут-2 заземляющий ленточный хомут зажим-1 зажим-2 коробка уравнивания потенциалов

Кстати, нельзя применять СУП в отдельно взятой квартире многоквартирного дома. Это чревато тяжелыми последствиями. Вообще, данная статья написана в основном для владельцев частных домов, которым приходится заботиться об электробезопасности самостоятельно. Квартиры - это отдельный вопрос, здесь многое зависит от того, когда построен дом, когда в нем был капитальный ремонт, какая система электропроводки в доме. Конечно, все нюансы такого сложного вопроса в рамках одной статьи охватить невозможно, поэтому консультируйтесь всегда со специалистом на месте, и доверяйте такую работу только квалифицированным работникам. Ибо от этого завистит жизнь ваша и окружающих вас людей.

Свое заземление в частном секторе

Теперь о самих заземлителях. Обычно из делают из стальных стержней (уголок, арматура, трубы), которые забивают в землю как можно глубже. Часто встречаются рекомендации делать заземление из трех штырей, забитых вертикально, расположенных равносторонним треугольником и соединенных при помощи сварки металлической полосой или арматурой. В этом случае нужно знать, что чем ближе электроды расположены друг к другу, тем меньше их суммарная эффективность. Если эти же три электрода расположить вдоль одной линии, будет совсем не хуже, а даже немного лучше. Эффективность заземлителей определяют по сопротивлению растеканию, которое измеряется при помощи специальных приборов по определенной методике. Чем ниже это сопротивление, тем лучше. В сети - на блогах, в форумах и даже на корпоративных сайтах часто можно встретить упрощенные методы замера сопротивления заземления. Многие из них откровенно дилетантские либо очень не точные. В одной из следующих статей я подробно остановлюсь на этом и разъясню все в деталях. А пока просто доверьтесь профессионалам.

Обычно верхние слои почвы обладают большим удельным сопротивлением, чем нижние, поэтому заземлители стараются вогнать в землю как можно глубже. Для механизации этого процесса можно использовать пневматические и электрические вибромолоты или отбойные молотки со специальными наконечниками. Часто бывает, что трех штырей недостаточно, тогда делают больше. Расстояние между штырями должно быть достаточно большим, лучше всего раза в два большим, чем их длина. Но можно обойтись и одиночным заземлителем, если загнать его очень глубоко. Такая конструкция получила название глубинно-модульной системы заземления. Как это делается, можно посмотреть на ролике ниже.

Как сделать заземление - видео

Ниже приведен более бюджетный вариант монтажа заземления. Здесь заземляющие электроды соединяются между собой без резьбы. По утверждениям производителей, прочное соединение достигается благодаря расплющиванию нижнего конца штыря в гнезде. Конечно, здесь возникают вопросы о том, насколько надежен и долговечен такой контакт, но видео достаточно убедительно.

И для любителей консервативных подходов, предлагаем познакомиться с традиционным методом построения заземляющего устройства, с применением нескольких электродов, соединенных между собой с помощью сварки. Вместо прутов арматуры, рекомендуемых в данном видеоматериале, в случае их отсутствия, можно применять другие виды металлического проката: уголки, трубы и т.д. Длину электродов лучше брать побольше, чем они длиннее, тем качественней будет заземление.

Как измерять сопротивление заземляющего устройства

По этому поводу существует множество заблуждений, кочующих с одного сайта на другой, и передающихся от одного недоэлектрика к другому. Вот типичный пример, с которым я категорически не согласен, взятый кстати, с одного из топовых сайтов (ссылка):

Даже не знаю, смеяться здесь или плакать. Мало того, что потенциальный и токовый измерительные щупы здесь соединены между собой шлейфом, так еще для измерений предлагается использовать мегаомметр (!). Якобы для того, чтобы приложить к электродам достаточно высокое напряжение. Да, при измерении больших сопротивлений, эти приборы выдают сотни и даже тысячи Вольт. Но, если на таком приборе и есть измерительный диапазон, позволяющий измерять единицы Ом, то никаких сотен Вольт там и близко не будет. В общем, ничего хорошего из таких измерений не получится. Фактически будет измерена некая величина, включающая в себя сопротивление проводов и сопротивление растеканию заземляющего устройства и измерительных электродов. Ну если сопротивлением проводов, соединяющих прибор с электродами, еще как-то можно пренебречь, то сопротивление электроды-земля обычно намного выше сопротивления заземлитель-земля, что делает погрешность много большей самой измеряемой величины.

Кстати, даже в самой википедии есть большие косяки, связанные с недопониманием процесса растекания токов в земле и понятием сопротивления заземления. Ниже я и об этом напишу, но сначала немного о том, как это сделать правильно. Во-первых, не надо ничего изобретать, а использовать специально разработанные для этого приборы и методики. Грамотно и толково это расписано здесь и выглядит примерно так:

Есть вполне легитимный способ измерить сопротивление растеканию и без специального прибора. Для этого нам понадобится понижающий трансформатор 220/12 или 220/6 мощностью 250 Вт или выше. Также прекрасно подойдет для этого и сварочный трансформатор. Помимо трансформатора, также нужны амперметр и вольтметр, номиналы которых любой электрик может вычислить, исходя из величины напряжения и ожидаемого сопротивления. Расстояния между заземлителем З и потенциальным электродом П, а также между П и токовым электродом Т обычно берется порядка 20 метров. Иногда, для ограничения тока, последовательно с первичной или вторичной обмоткой включают балластный резистор (на схеме не показан):

Ну и напоследок, для продвинутых читателей, о косяке википедии. Есть там такая страница http://ru.wikipedia.org/wiki/Заземление. И вот на ней есть такой шедевр:

Поскольку сопротивление контура заземления местного ЗУ берётся для расчёта параметров электроустановки потребителя (для уменьшения вероятности создания опасного шагового напряжения на территории потребителя обычно требуется минимально возможное численное значение), то во внимание не берётся сопротивление почвы между питающим потребителей трансформатором и местным ЗУ потребителя - результат сопротивления местного ЗУ отдельного потребителя берётся только для отдельно взятого потребителя, а не всей электросети целиком. Иными словами: поскольку открытые металлические части отдельно взятого потребителя не соединены напрямую с трансформатором (а только через главную шину заземления), то в случае обрыва PEN-проводника между ЗУ потребителя и ЗУ трансформаторной подстанции образовывается огромное электрическое сопротивление через почву между ними, которое по закону Ома не позволяет протекать большим токам через ЗУ отдельно взятого потребителя.


Интересующие места я выделил. На самом деле, никакого "огромного сопротивления" у почвы нет. В распоряжении тока, протекающего в земле, вся планета. А ее сопротивление настолько мало, что никак не может повлиять на величину этого тока. В данном случае имеет значение лишь переходное сопротивление между заземляющим устройством и почвой, и удельное сопротивление почвы в непосредственной близости от заземляющего устройства. Это и есть то, что мы называем сопротивлением растеканию тока заземляющего устройства или, короче, сопротивлением заземления. Да, конечно, сопротивление нулевого провода между подстанцией и потребителем, обычно гораздо меньше суммы сопротивлений растеканию заземлителей подстанции и потребителя. Но и это сопротивление в несколько Ом или десятков Ом называть огромным как-то язык не поворачивается. Вот и получается, что даже авторитетам не всегда можно верить. Доверяй, но проверяй. А если вдруг сомненья никак не могут разрешиться - добро пожаловать к нам на форум электриков, будем решать вопрос коллективно.

Как рассчитать заземление

Сопротивление заземления сильно зависит от грунта, в котором оно находится. Причем, забитый в землю заземлитель, зачастую находится одновременно в разных слоях грунта, которые обладают различными удельными сопротивлениями, что усложняет расчет и при этом получаются довольно приблизительные результаты. Тем не менее, такие расчеты существуют, и они обязательны для большинства промышленных объектов. В частном секторе обычно делается некая минимальная конструкция, измеряется сопротивление, а потом она усиливается по необходимости (заземлитель загоняется глубже, либо добавляются новые заземляющие электроды). Ниже приводится формула для расчета одиночного вертикального заземлителя в однородном грунте:

R=(ρ/2πL)(ln(2L/d)+0.5ln((4T+L)/(4T-L)))

ρэкв - удельное сопротивление грунта, Ом*м

L - длина стержня в метрах

d - диаметр стержня в милиметрах

T - расстояние от поверхности земли до середины стержня, м

Удельное сопротивление грунта
Грунт Удельное сопротивление грунта, Ом·м
Торф 20
Почва (чернозем и др.) 50
Глина 60
Супесь 150
Песок при грунтовых водах до 5 м 500
Песок при грунтовых водах глубже 5 м 1000

При создании многостержневой системы заземления необходимо помнить то, что соединительная полоса (труба, арматура, уголок и т.д.) между электродами, если она находится в земле, также является дополнительным заземлителем и уменьшает общее сопротивление. Также эффективность дополнительных электродов снижается при уменьшении расстояния между ними.

При устройстве заземления и его эксплуатации следует также руководствоваться нормативными документами: ПТЭЭП (гл. 2.7. Заземляющие устройства) и Нормы испытаний электрооборудования, гл. 26, заземляющие устройства

Для тех, кому интересно, откуда берутся такие названия, как TT, TN-C-S и т.д. - это все расписано в ГОСТ Р 50571.1-2009, здесь приведу лишь небольшую расшифровку:

  • Т — заземленная нейтраль (лат. Terra);
  • I — изолированная нейтраль (англ. Isolation).

Вторая буква обозначает состояние открытых проводящих частей относительно земли:

  • Т — открытые проводящие части заземлены, независимо от отношения к земле нейтрали источника питания или какой-либо точки питающей сети;
  • N — открытые проводящие части присоединены к глухозаземленной нейтрали источника питания.

Последующие после N буквы обозначают совмещение в одном проводнике или разделение функций для нулевого рабочего и нулевого защитного проводников:

  • S — нулевые рабочий N и защитный РЕ проводники разделены (англ. Separated);
  • С — функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников совмещены в одном PEN-проводнике (англ. Combined);
  • N — нулевой рабочий (нейтральный) проводник (англ. Neutral);
  • РЕ — защитный проводник (нулевой защитный или заземляющий проводник, защитный проводник системы уравнивания потенциалов) (англ. Protective Earth);
  • PEN — совмещенный нулевой защитный и нулевой рабочий проводники (англ. Protective Earth and Neutral).

Яндекс.Метрика