Земля и нейтраль

Закорачивающая перемычка, соединяющая землю и нейтраль в промышленном здании Швейцарии (обведена красным). Виден кусок меди, который предназначен для легкого подключения или отсоединения от своего места между двумя винтами, рассчитанными на 600 А (как указано на нем). Также мы видим толстые провода стандартных цветов (два желто-зеленых заземления и два синих нейтрали), а также маркировку PEN (защищенное заземление и нейтраль), PE (защитное заземление) и N (нейтраль). Три полоски, обозначающие три «активные» фазы (обозначенные L1, L2 и L3), также видны в правом нижнем углу.

В электротехнике используемые земля и нейтраль (земля и нейтраль) — это проводники цепей, в электрических системах переменного тока (AC). Нейтральный проводник возвращает ток в источник питания. Чтобы ограничить влияние тока утечки из систем с более высоким напряжением, нейтральный проводник часто подключают к заземлению в точке питания. Заземляющий проводник не предназначен для передачи тока для нормальной работы цепи, а вместо этого соединяет открытые металлические компоненты (такие как корпуса оборудования или кабелепроводы, в которых находится проводка) с заземлением. По заземляющему проводнику протекает значительный ток только в случае неисправности цепи, которая в противном случае могла бы подать напряжение на открытые проводящие части и создать опасность поражения электрическим током. Устройства защиты цепи могут обнаруживать неисправность заземленного металлического корпуса и автоматически обесточивать цепь или могут предупреждать о замыкании на землю.

При определенных условиях проводник, используемый для соединения с нейтралью системы, применяется также для заземления (заземления) оборудования и сооружений. Ток, проходящий по заземляющему проводнику, может привести к появлению нежелательного или опасного напряжения оборудования на корпусах , поэтому установка заземляющих и нейтральных проводников тщательно определяется в электротехнических нормах . Если нейтральный проводник используется также для соединения корпусов оборудования с землей, необходимо позаботиться о том, чтобы нейтральный провод никогда не поднимался до высокого напряжения по отношению к местной земле.

Определения

Заземление или земля в сети ( переменного тока) системе электропроводки представляет собой проводник, который обеспечивает с низким импедансом для предотвращения появления опасных напряжений на оборудовании (скачки высокого напряжения). путь к земле ^{[ нужна ссылка ]} Термины «земля» и «земля» используются в этом разделе как синонимы; земля чаще встречается в североамериканском английском, а земля чаще встречается в британском английском. В нормальных условиях заземляющий проводник не проводит ток. Заземление также является неотъемлемой частью домашней проводки, поскольку оно приводит к более быстрому срабатыванию автоматических выключателей (т. е. GFCI ), что безопаснее. Для добавления новых площадок требуется квалифицированный электрик со знаниями, специфичными для региона распределения электроэнергии.

Нейтраль — это проводник цепи, который обычно замыкает цепь обратно к источнику. NEC заявляет, что нейтральный и заземляющий провода должны быть подключены к нейтральной точке трансформатора или генератора или к какой-либо «нейтральной точке системы», но не где-либо еще. ^[1] Это для простых однопанельных установок; для нескольких панелей ситуация более сложная.В многофазной (обычно трехфазной ) системе переменного тока нейтральный проводник должен иметь такое же напряжение, как и все остальные проводники цепи, но может пропускать очень небольшой ток, если фазы сбалансированы.

Все нейтральные провода одной и той же заземленной электрической системы должны иметь одинаковый электрический потенциал, поскольку все они соединены через заземление системы. Нейтральные проводники обычно изолируются на то же напряжение, что и линейные проводники, за некоторыми интересными исключениями. ^[2]

Схема

Нейтральные провода обычно подключаются к нейтральной шине внутри щитов или распределительных щитов и «прикрепляются» к заземлению либо на вводе электрооборудования, либо на трансформаторах внутри системы. Для электроустановок с расщепленной фазой (трехпроводное однофазное) нейтральной точкой системы является центральный отвод на вторичной стороне рабочего трансформатора. Для более крупных электроустановок, например, с многофазным питанием, нейтральная точка обычно находится в общем соединении на вторичной стороне трансформаторов, соединенных треугольником или звездой . Другие варианты расположения многофазных трансформаторов могут привести к отсутствию нейтральной точки и нейтральных проводников.

Системы заземления

Стандарт IEC ( IEC 60364 ) кодифицирует методы установки нейтральных и заземляющих проводников в здании, где эти системы заземления обозначаются буквенными символами. Буквенные символы распространены в странах, использующих стандарты IEC, но в практике Северной Америки символы IEC используются редко. Различия заключаются в том, что проводники могут быть отдельными на всем протяжении от оборудования до заземления или могут быть объединены по всей или части своей длины. Для минимизации разницы напряжений между нейтралью и местным заземлением используются различные системы. Ток, протекающий по заземляющему проводнику, приведет к падению напряжения вдоль проводника, и системы заземления стремятся гарантировать, что это напряжение не достигнет опасного уровня.

В системе TN-S между оборудованием и источником питания (генератором или электрическим трансформатором) устанавливаются отдельные нейтральный и защитный заземляющие провода. Нормальные токи цепи протекают только в нейтрали, а провод защитного заземления соединяет все корпуса оборудования с землей, чтобы перехватить любой ток утечки из-за повреждения изоляции. Нейтральный провод подключен к земле в точке питания здания, но общего пути к земле для тока цепи и защитного проводника не существует.

В системе TN-C общий проводник обеспечивает как нейтральное, так и защитное заземление. Нейтральный провод подключается к заземлению в точке питания, а корпуса оборудования - к нейтрали. Существует опасность того, что нарушенное нейтральное соединение приведет к тому, что все корпуса оборудования поднимутся до опасного напряжения, если в каком-либо оборудовании существует какая-либо утечка или повреждение изоляции. Эту проблему можно смягчить с помощью специальных кабелей, но тогда стоимость будет выше.

В системе TN-CS каждый элемент электрооборудования имеет как соединение защитного заземления со своим корпусом, так и нейтральное соединение. Все они возвращаются в некоторую общую точку в системе здания, а затем из этой точки устанавливается общее соединение с источником питания и землей.

В системе ТТ не используется длинный общий провод защитного заземления, вместо этого каждый элемент электрооборудования (или распределительная система здания) имеет собственное соединение с заземлением.

Индии Правило 41 CEAR содержит следующие положения:

Для обеспечения удовлетворительного заземления нейтральный проводник 3-фазной 4-проводной системы и средний проводник 2-фазной 3-проводной системы должны иметь как минимум 2 отдельных и отдельных заземляющих соединения с как минимум 2 разными заземляющими электродами. сопротивление
Заземлители должны быть соединены между собой, чтобы уменьшить сопротивление заземления.
Нейтральный проводник также должен быть заземлен в одной или нескольких точках распределительной системы или линии обслуживания в дополнение к любому соединению на стороне пользователя.

Объединение нейтрали с землей

Паразитные напряжения, создаваемые в заземляющих проводниках токами, протекающими в нейтральных проводниках питающей сети, могут создавать проблемы. Например, специальные меры могут потребоваться в коровниках, используемых для дойки молочного скота. Очень маленькие напряжения, обычно не воспринимаемые человеком, могут вызвать снижение надоев молока или даже мастит (воспаление вымени). ^[3]В системе электрораспределения доильного зала могут потребоваться так называемые «фильтры покалывания напряжения».

Подключение нейтрали к корпусу оборудования обеспечивает некоторую защиту от неисправностей, но может привести к возникновению опасного напряжения на корпусе, если соединение нейтрали нарушено.

Комбинированные нейтральные и заземляющие проводники обычно используются в проводке электроснабжающих компаний , а иногда и для стационарной проводки в зданиях, а также для некоторых специализированных применений, где альтернатива ограничена, например, на железных дорогах и трамваях . Поскольку нормальные токи в нейтральном проводнике могут привести к нежелательным или опасным разностям между местным потенциалом земли и нейтралью, а также для защиты от обрывов нейтрали, необходимо принять специальные меры предосторожности, такие как частое заземление (множественные соединения заземляющих стержней), использование кабелей, объединенная нейтраль и земля полностью окружают фазный провод(ы), и более толстое, чем обычно, эквипотенциальное для обеспечения безопасности системы необходимо учитывать соединение.

Стационарные приборы по трехпроводным схемам

В Соединенных Штатах корпуса некоторых кухонных плит (плиты, духовки), варочных панелей , сушилок для одежды и других специально перечисленных приборов были заземлены через нейтральные провода в качестве меры по сохранению меди в медных кабелях во время Второй мировой войны . Эта практика была исключена из NEC в издании 1996 года, но существующие установки (так называемые «старые работы») все еще могут позволять подключать корпуса таких перечисленных приборов к нейтральному проводнику для заземления. (Канада не приняла эту систему и вместо этого в то время и по настоящее время использует отдельные нейтральный и заземляющий провода.)

Эта практика возникла из -за трехпроводной системы, используемой для питания нагрузок как 120 В, так и 240 В. Поскольку эти перечисленные приборы часто имеют компоненты, которые используют либо 120, либо 120 и 240 вольт, в нейтральном проводе часто присутствует некоторый ток. Это отличается от провода защитного заземления, по которому ток течет только в условиях неисправности. Использование нейтрального проводника для заземления корпуса оборудования считалось безопасным, поскольку устройства были постоянно подключены к источнику питания, и поэтому маловероятно, чтобы нейтраль была нарушена без повреждения обоих проводников питания. Кроме того, несбалансированный ток, вызванный лампами и небольшими двигателями в приборах, был мал по сравнению с номиналом проводников и, следовательно, вряд ли мог вызвать большое падение напряжения в нейтральном проводнике.

Портативная техника

В практике Северной Америки и Европы небольшое портативное оборудование, подключаемое с помощью шнура, при определенных условиях может иметь только два проводника в вилке подключения. можно Поляризованную вилку использовать для сохранения идентичности нейтрального проводника устройства, но нейтраль никогда не используется в качестве заземления корпуса/корпуса. Небольшие шнуры к лампам и т. д. часто имеют один или несколько формованных выступов или встроенных шнуров для обозначения нейтрального проводника или могут быть идентифицированы по цвету. В портативных приборах нейтральный проводник никогда не используется для заземления корпуса и часто имеет конструкцию с « двойной изоляцией ».

В местах, где конструкция вилки и розетки не может гарантировать подключение нейтрального проводника системы к определенным клеммам устройства («неполяризованные» вилки), портативные приборы должны проектироваться с учетом того, что любой полюс каждой цепи может достигать полного напряжения сети. напряжение относительно земли.

Техническое оборудование

В практике Северной Америки оборудование, подключаемое с помощью шнура, должно иметь три провода, если оно питается исключительно от сети 240 В, или должно иметь четыре провода (включая нейтраль и заземление), если питается от сети 120/240 В.

В NEC предусмотрены специальные положения для так называемого технического оборудования, в основном аудио- и видеооборудования профессионального уровня, питаемого от так называемых «сбалансированных» цепей на 120 В. Центральный отвод трансформатора соединен с землей, а питание оборудования осуществляется по двум линейным проводам, каждый из которых имеет напряжение 60 В на землю (и 120 В между линейными проводниками). Центральный отвод не распространяется на оборудование, и нейтральный провод не используется. В этих случаях обычно используется заземляющий проводник, который отделен от защитного заземляющего проводника специально для снижения шума и «гула».

Другая специализированная система распределения ранее применялась в отделениях ухода за пациентами больниц. Была оборудована изолированная система питания от специального изолирующего трансформатора с целью минимизировать любой ток утечки, который мог пройти через оборудование, непосредственно подключенное к пациенту (например, электрокардиограф для мониторинга сердца). Нейтраль цепи не была заземлена. Ток утечки возникал из-за распределенной емкости проводки и емкости питающего трансформатора. ^[4] Такие распределительные системы контролировались стационарно установленными приборами, которые подавали сигнал тревоги при обнаружении высокого тока утечки.

Общий нейтральный

Общая нейтраль — это соединение, при котором множество цепей используют одно и то же нейтральное соединение. Это также известно как общая нейтраль , а цепи и нейтраль вместе иногда называют цепью Эдисона .

Трехфазные цепи

В трехфазной цепи нейтраль используется всеми тремя фазами. Обычно нейтраль системы подключается к нейтральной точке питающего трансформатора. По этой причине вторичная обмотка большинства трехфазных распределительных трансформаторов имеет обмотку звездой или звездой. Трехфазные трансформаторы и связанные с ними нейтрали обычно встречаются в промышленных распределительных сетях.

Систему можно сделать совершенно незаземленной. В этом случае замыкание между одной фазой и землей не вызовет значительного тока. Обычно нейтраль заземляется через соединение между нейтральной и заземляющей шинами. В более крупных системах принято отслеживать любой ток, протекающий через соединение нейтраль-земля, и использовать это в качестве основы для защиты от замыкания на нейтраль.

Соединение между нейтралью и землей позволяет при любом замыкании между фазой и землей создать ток, достаточный для «отключения» устройства защиты от сверхтоков. В некоторых юрисдикциях требуются расчеты, чтобы гарантировать, что полное сопротивление контура повреждения достаточно низкое, чтобы ток повреждения отключал защиту (в Австралии это упоминается в AS3000: 2007 «Расчет полного сопротивления контура повреждения»). Это может ограничить длину ответвленной цепи.

В случае, когда две фазы делят одну нейтраль, а третья фаза отключена, наихудшее потребление тока будет при нулевой нагрузке одной стороны, а другой при полной нагрузке, или когда обе стороны имеют полную нагрузку. Последний случай приводит к $I_{\mathrm {m} }\angle {0}^{\circ }+I_{\mathrm {m} }\angle {-120}^{\circ }=I_{\mathrm {m} }\angle {-60}^{\circ }$ , $I_{\mathrm {m} }\angle {0}^{\circ }+I_{\mathrm {m} }\angle {120}^{\circ }=I_{\mathrm {m} }\angle {60}^{\circ }$ или $I_{\mathrm {m} }\angle {120}^{\circ }+I_{\mathrm {m} }\angle {-120}^{\circ }=I_{\mathrm {m} }\angle {180}^{\circ }$ где $I_{\mathrm {m} }$ это величина тока. Другими словами, величина тока в нейтрали равна величине тока в двух других проводах.

В трехфазной линейной цепи с тремя одинаковыми резистивными или реактивными нагрузками нейтраль не проводит ток. Нейтраль проводит ток, если нагрузки на каждой фазе неодинаковы. В некоторых юрисдикциях допускается уменьшение размера нейтрали, если не ожидается несбалансированный ток. Если нейтраль меньше, чем фазные провода, она может быть перегружена при возникновении большой несимметричной нагрузки.

Ток, потребляемый нелинейными нагрузками, такими как люминесцентные и газоразрядные лампы, а также электронное оборудование, содержащее импульсные источники питания, часто содержит гармоники . Токи тройной гармоники (нечетные кратные третьей гармоники) суммируются, в результате чего в общем нейтральном проводнике возникает больший ток, чем в любом из фазных проводников. В худшем случае ток в общем нейтральном проводнике может в три раза превышать ток в каждом фазном проводе. В некоторых юрисдикциях запрещено использование общих нейтральных проводников при питании однофазной нагрузки от трехфазного источника; другие требуют, чтобы нейтральный провод был значительно больше фазных. Рекомендуется использовать четырехполюсные автоматические выключатели (в отличие от стандартных трехполюсных), где четвертый полюс является нейтральной фазой и, следовательно, защищен от перегрузки по току в нейтральном проводнике.

Разделенная фаза

При разводке с расщепленной фазой, например, в двойной розетке на кухне в Северной Америке, устройства могут быть подключены кабелем, имеющим три проводника, помимо заземления. Три проводника обычно окрашены в красный, черный и белый цвета. Белый служит общей нейтралью, а красный и черный по отдельности питают верхнюю и нижнюю горячие стороны розетки. Обычно такие розетки питаются от двух автоматических выключателей, у которых ручки двух полюсов связаны между собой для общего отключения. Если одновременно используются два больших прибора, ток проходит через оба, а нейтраль передает только разницу в токе. Преимущество состоит в том, что для обслуживания этих нагрузок требуется всего три провода вместо четырех. Если один кухонный прибор перегружает цепь, другая сторона дуплексной розетки также отключится. Это называется многопроводной ответвленной цепью . Общее отключение требуется, когда подключенная нагрузка использует более одной фазы одновременно. Общее отключение предотвращает перегрузку общей нейтрали, если одно устройство потребляет ток, превышающий номинальный.

Проблемы с заземлением

Заземляющее соединение, которое отсутствует или имеет недостаточную мощность, может не обеспечить должных защитных функций во время неисправности подключенного оборудования. Дополнительные соединения между землей и нейтралью цепи могут привести к возникновению циркулирующего тока в цепи заземления, паразитному току, попадающему в землю или в конструкцию, и паразитному напряжению . ^{[ нужна ссылка ]} Дополнительные заземляющие соединения на нейтральном проводе могут обойти защиту, обеспечиваемую прерывателем цепи замыкания на землю. Сигнальные цепи, использующие заземляющее соединение, не будут функционировать или будут работать нестабильно, если заземляющее соединение отсутствует.

См. также

Ссылки

^ https://www.powerandcables.com/wp-content/uploads/2020/01/2008-National-Electrical-Code-NFPA-70.pdf .
^ Например, в практике Северной Америки воздушный кабель служебного ввода имеет два изолированных проводника, которые обернуты вокруг оголенного нейтрального проводника и поддерживаются им.
^ Томас Дж. Дайверс, Саймон Фрэнсис Пик (редактор), Болезни Ребхуна у молочного скота , Elsevier Health Sciences, 2008, ISBN 1-4160-3137-5 стр. 389–390.
^ Справочник Лесли А. Геддес по электрическим опасностям и несчастным случаям , CRC Press, 1995 ISBN 0849394317 , стр. 90–91.

Дальнейшее чтение

Рик Гилмор и др. , редактор Канадских электротехнических норм, часть I, девятнадцатое издание, C22.1-02 Стандарт безопасности для электроустановок , Канадская ассоциация стандартов, Торонто, Онтарио, Канада (2002 г.) ISBN 1-55324-690-X
NFPA 70, Национальный электротехнический кодекс 2002 г. , Национальная ассоциация противопожарной защиты, Куинси, Массачусетс, США (2002 г.). нет ISBN
Правила электромонтажа IEE. Правила для электроустановок. Пятнадцатое издание, 1981 г. , Институт инженеров-электриков, (1981) Хитчин, Хертс. Великобритания
Глава «Электробезопасность» из «Уроки электрических цепей, том 1» книги и серии .
СХЕМЫ EDISON ПРЕДСТАВЛЯЮТ ОПАСНОСТЬ ДЛЯ БЕЗОПАСНОСТИ
Полное руководство по домашней проводке (ссылка не работает, но есть несколько источников в поиске Google)
Расширенная домашняя проводка

[1] ttps://www.powerandcables.com/wp-content/uploads/2020/01/2008-National-Electrical-Code-NFPA-70.pdf .

[2] Например, в практике Северной Америки воздушный кабель служебного ввода имеет два изолированных проводника, которые обернуты вокруг оголенного нейтрального проводника и поддерживаются им.

[3] Томас Дж. Дайверс, Саймон Фрэнсис Пик (редактор), Болезни Ребхуна у молочного скота , Elsevier Health Sciences, 2008, ISBN 1-4160-3137-5 стр. 389–390.

[4] Справочник Лесли А. Геддес по электрическим опасностям и несчастным случаям , CRC Press, 1995 ISBN 0849394317 , стр. 90–91.

[1]

[2]

[3]

[4]