Опасность поражения электрическим током
Для примера разберём такой случай. Допустим, что в ванной комнате установлена автоматическая стиральная машина. Вполне обычная ситуация, согласитесь?
Всё хорошо. Рабочий ток стиральной машины
При подключении машины к электросети ток будет проходить по фазному проводу к электрическому двигателю, а возвращаться по нулевому проводнику (условно). Нулевой проводник в электрическом щитке подключён к нулевой шине, к которой также подключается и заземляющий контакт в розетке. То есть корпус стиральной машины так или иначе соединён с нулевой шиной.
Давайте не будем раздувать статью. На рисунке не показана система заземления. Предполагается, что показан электрощит на вводе в здание, а PEN проводник повторно заземлен. То есть, “функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников совмещены в одном проводнике в какой-то ее части”, а далее (после электрического щита и во всей квартире) – нулевой защитный РЕ и нулевой рабочий это разные проводники.
Такое соединение нужно для правильного срабатывания защитного автомата и/или УДТ (УЗО или дифавтомата), если произойдёт повреждение изоляции.
Немного о терминологии. Когда всё исправно, по проводу заземления в любом случае будет протекать ток утечки (единицы миллиампер). Этот ток возникает из-за того, что изоляция внутри стиралки не имеет бесконечного сопротивления. Кроме того, на входе многих устройств имеется емкостной фильтр, у которого конструктивно-схемотехнически есть небольшой ток на землю.
Если же произойдет нештатная ситуация, аварийный ток по заземляющему проводнику будет называться током замыкания на землю (не путайте с током короткого замыкания!).
Совокупность этих токов называется дифференциальным током, на который может среагировать устройство дифференциального тока – ВДТ (УЗО) или дифавтомат (АВДТ).
Подробно про все эти токи я рассказал в статье От какого тока срабатывает УЗО?
Что может произойти плохого
Электрики, как обычно, не могут спокойно жить, пока не предусмотрят защиты от всех возможных опасных ситуаций.
Фактически, возможны две самые опасные аварийные ситуации:
- Напряжение на трубе – корпус заземлён (занос потенциала),
- Напряжение на корпусе – труба заземлена.
На различных металлических поверхностях напряжение может появиться не только при пробое изоляции, а также от наличия статического электричества или при появлении наведенных или блуждающих токов.
Рассмотрим первый случай. Из-за разности потенциалов может возникнуть несчастный случай – ток потечет от трубы через тело человека на заземленный корпус.
Ток через человека от трубы на заземленный корпус
Что же произойдёт с человеком, если он одновременно дотронется до трубы водоснабжения и прикоснётся к стиральной машине? Для получения удара электрическим током будет достаточно наличия даже небольшой разности потенциалов между корпусом машины и металлической трубой.
Электрический ток пройдёт по опасному пути — от одной руки до другой. В любом из двух описанных примеров ток может протекать через сердце и вызвать фибрилляцию (нарушение работы сердца).
С другой стороны, металлические трубы для водоснабжения или отопления, а также подобные инженерные системы обычно заземлены, то есть имеют потенциал, равный нулю. И если по какой-то причине опасный потенциал окажется на корпусе стиралки, ток потечёт условно в другую сторону:
Фаза на корпусе – причина тока через человека на заземленные предметы
Почему “условно”? Потому, что “направление” тока, причина и схема протекания не важны. Важен лишь сам факт протекания тока и его значение.
Не обязательно одна из токопроводящих частей должна быть заземлена, чтобы создалась критичная разность потенциалов (более 50 В). Может случиться так, что по отношению к земле на трубе будет 50 В, а на корпусе стиральной машины – 150. И вот она – смертельная разность потенциалов в 100 В!
Может случиться так, что обрыв произойдет не после шины, как это показано крестиком на картинке выше, а ДО – в этажном щитке или до него (там, где на рисунке надпись “PEN”). Если рабочий и защитный нулевые проводники (N и РЕ) соединены после места обрыва (например, в подъездном или квартирном щитке), то фазный потенциал появится не только на нейтральном, но и на защитном проводнике. А значит – на корпусах всех заземленных приборов и конструкций. Подробно я рассказал об этом в статье В чем разница обрыва нейтрали в трехфазной и однофазной сетях?
Что же делать, чтобы этого прискорбного факта не произошло? Логично, что для этого нужно, чтобы отсутствовала разность потенциалов между теми открытыми проводящими частями, где она может появиться.
То, что может произойти, обязательно произойдёт. Более того – может произойти даже то, что (кажется) никогда произойти не сможет.
Факторы, предопределяющие разницу
Все приборы, которые производят электроэнергию, имеют нулевое соединение с физическим грунтом. Это значит, что существует разница потенциалов между фазным проводом и «землёй», которая равна напряжению фазы. Явление разности потенциала может быть вызвано многими факторами:
- локальными авариями электрооборудования;
- статическим электричеством;
- естественным электрическим потенциалом;
- блуждающими токами;
- токами, связанными с электрохимической коррозией.
Локальные аварии электрического оборудования сопровождаются: обрывами электрических проводов, частичными пробоями изоляционных подземных кабелей, неисправностью электрооборудования, находящегося в квартире. Сантехническая арматура, которая подключена к полихлорвиниловым трубам, может иметь статический заряд из-за постоянного движение воды по ним. Акриловое покрытие ванн или других ёмкостей накапливает заряд электричества на их поверхностях.
Естественным электрическим потенциалом наделено всё, что находится на земле, а также в её атмосфере, так как земная оболочка имеет отрицательный потенциал, а свод неба — положительный. Чем выше находится физическое тело, тем больше значение его потенциала, например, на высоте 2 м показатель достигает 110 вольт.
Блуждающие токи проявляются на проложенных путях электротранспорта. Рельсы в этом случае выполняют роль заземляющих шин. Через них ток, приводящий в движение электродвигатели вагонов, проникает в землю. Люди, живущие возле трамвайных линий, могут чувствовать пощипывание в пальцах при умывании.
Если система состоит из труб, изготовленных из разных материалов, могут образоваться токи электрохимической коррозии. Они не опасны для человека, но разрушают водопровод и запорную арматуру. При подключении стального полотенцесушителя к линии труб, изготовленных из чёрного металла, со временем в их соединениях образуется течь из-за ослабления резьбы.
Зачем нужна СУП?
Для предотвращения подобных опасностей потенциалы следует уравнять. Для этого применяется Система Уравнивания Потенциалов (СУП).
Согласно п.6.1.1 СП 437.1325800.2018:
При проектировании каждой электроустановки здания должно быть предусмотрено выполнение защитного уравнивания потенциалов, которое обычно включает в себя основную систему уравнивания потенциалов и, при необходимости, систему дополнительного уравнивания потенциалов. При соответствующих условиях может оказаться необходимым применение местного уравнивания потенциалов.
Согласно п. 1.7.32 ПУЭ:
Уравнивание потенциалов – электрическое соединение проводящих частей для достижения равенства их потенциалов. Защитное уравнивание потенциалов – уравнивание потенциалов, выполняемое в целях электробезопасности.
Согласно п. 1.7.51 ПУЭ, уравнивание потенциалов – это мера защиты при косвенном прикосновении (при повреждении изоляции или другой аварийной ситуации). Там же сказано, что уравнивание желательно применять в совокупности с другими мерами защиты (моя трактовка).
Принцип работы системы уравнивания потенциалов заключается в соединении с нулевым защитным проводником (РЕ) различных токопроводящих частей, к которым человек может прикоснуться. “Проводящие части”, о которых говорится в ПУЭ, это корпуса электроприборов, трубы, различные металлические конструкции. Кроме того, под это требование попадают и бетонные полы, в которых замоноличен электрический теплый пол. Но этот уже не уравнивание, а выравнивание потенциалов.
Да, все эти проводящие части не находятся в нормальном режиме под напряжением, и опасности не представляют. Но, если они при какой-либо аварии (например, ухудшение изоляции) они попадут под опасное напряжение, то будет беда – они проведут ток не только через себя, но и через что угодно, включая тело человека. Поэтому заранее (да, электрики – те ещё пессимисты) все токопроводящие части соединяются РЕ проводниками с шиной РЕ – это самое короткое и “удобное” расстояние для стекания опасного тока на заземлитель.
Согласно п.3.28 СП 437.1325800.2018 и статьи 3.15 ГОСТ IEC 61140-2012:
Зона досягаемости рукой: Зона доступного прикосновения, простирающаяся от любой точки поверхности, на которой обычно находится или по которой передвигается человек, до границы, которую он может достать рукой в любом направлении без использования вспомогательных средств.
В обычных бытовых мокрых и влажных помещениях зона досягаемости – всё помещение. Важно, чтобы в пределах зоны досягаемости не осталось ни одного предмета, способного проводить ток, и не подключенного проводом защитного заземления к СУП и, в конечном счете, к ГЗШ.
Принцип работы и монтаж КУП
Чтобы предупредить образование разности потенциалов, в помещениях устанавливают коробку управления. Принцип работы устройства заключается в параллельном соединении всех конструкций, изготовленных из металла. Коробка КУП объединяет в единый контур все токопроводящие объекты.
Установить систему выравнивания потенциалов в домашних условиях не составляет особого труда. Она получила название – местная система. Монтировать такую конструкцию рекомендуется во время проведения ремонта в квартире, поскольку требуется от распределительного щитка до КУП вести провод под полами.
Для монтажа установки потребуются следующие инструменты и материалы:
- Крепежные соединения – фиксирующие лепестки, хомуты, болты. Их эксплуатируют для соединения проводов всего контура.
- Клеммная коробка с шиной, изготовленной из меди (ШДУП).
- Медные одножильные провода. Площадь сечения таких кабелей должна колебаться в пределах 2,5 – 6 мм.кв., марка – ПВ1.
Если весь необходимый инвентарь подготовлен, можно приступать к монтажу. Предварительно составляют схему соединений, чтобы правильно уравнять потенциалы. Также схематически изображаются места проведения кабелей от коробки до шины заземления в распределительном щите.
Следующий этап – подготовка к подключению самих коммуникаций. Зачищают места контакта до образования характерного металлического блеска
Это важно, поскольку обеспечивает надежное соединение. В нештатной, аварийной ситуации система выравнивания потенциалов не даст сбой
Подводят кабели к каждой части цепи. Все проводники заводят в коробку и осуществляют надежное соединение с шиной.
Самый оптимальный вариант – устанавливать систему еще на этапе строительства здания, однако существуют ограничения по ее использованию:
- Запрещено монтировать в домах, где установлена система заземления типа TN-C с PEN проводником.
- Если дома установлены пластиковые трубы, изготовленные из полиэтилена, они разорвут цепь, что приведет к удару током.
Площадь сечения используемого проводника должна быть не менее рекомендованного значения.
Что такое ГЗШ?
Чтобы подробнее разобрать назначение, разновидности и устройство СУП, подробнее узнаем, что такое Главная Заземляющая Шина (ГЗШ). Ведь именно ГЗШ является основой всей системы безопасности в любой электроустановке. Подключение к ГЗШ выполняется защитными РЕ проводниками, которые подключаются к ГЗШ, роль которой обычно выполняет шина РЕ (ПУЭ, 1.7.119).
ГЗШ и шина РЕ – по факту одно и то же, если она размещается внутри вводного распределительного устройства (ВРУ). И только если ГЗШ расположена где-то за пределами ВРУ (где-то на вводе здания, в подвале), могут существовать две шины – ГЗШ и РЕ. Причем, ГЗШ обычно одна (по количеству вводов в здание), а шин РЕ – несколько (по количеству электрощитков).
Упрощенно это может выглядеть так:
Система заземления и шины N и PE
Такая система позволяет обеспечить наличие одинакового потенциала на всех подключённых частях. Напряжение между любыми отдельно взятыми точками в такой системе будет гарантированно равно нулю.
Определение ГЗШ даётся в п. 1.7.37 ПУЭ и в ГОСТ 30331.1-2013, статья 20.5:
Главная заземляющая шина – шина, являющаяся частью заземляющего устройства электроустановки до 1 кВ и предназначенная для присоединения нескольких проводников с целью заземления и уравнивания потенциалов.
Требования к ГЗШ отражены в пункте 1.7.119 ПУЭ:
Главная заземляющая шина может быть выполнена внутри вводного устройства электроустановки напряжением до 1 кВ или отдельно от него. Внутри вводного устройства в качестве главной заземляющей шины следует использовать шину PE.
При отдельной установке главная заземляющая шина должна быть расположена в доступном, удобном для обслуживания месте вблизи вводного устройства.
Сечение отдельно установленной главной заземляющей шины должно быть не менее сечения PE (PEN)-проводника питающей линии.
Главная заземляющая шина должна быть, как правило, медной. Допускается применение главной заземляющей шины из стали. Применение алюминиевых шин не допускается.
В конструкции шины должна быть предусмотрена возможность индивидуального отсоединения присоединённых к ней проводников. Отсоединение должно быть возможно только с использованием инструмента.
В местах, доступных только квалифицированному персоналу (например, щитовых помещениях жилых домов), главную заземляющую шину следует устанавливать открыто. В местах, доступных посторонним лицам (например, подъездах или подвалах домов), она должна иметь защитную оболочку – шкаф или ящик с запирающейся на ключ дверцей. На дверце или на стене над шиной должен быть нанесён знак “Заземление”.
Описание термина «Заземляющее устройство» можно найти в СП 437.1325800.2018 п.3.14 и в ГОСТ 30331.1-2013, статья 20.14:
Заземляющее устройство: Совокупность заземлителя, заземляющих проводников и главной заземляющей шины.
С контуром заземления ГЗШ обычно соединяется стальной полосой либо медным проводником. К ней присоединяют PEN-проводник вводного кабеля (при использовании системы заземления TN-C-S) или PE-проводник вводного кабеля (если применяется система заземления TN-S). Либо – заземляющий проводник от заземлителя в системе ТТ.
Внутри ВРУ к ГЗШ подключаются РЕ-проводники отходящих групповых линий и РЕ-проводники, служащие для уравнивания потенциалов.
Для обеспечения безопасности существует правило: один РЕ-провод – одно подключение (винт или болт).
Следует применять радиальную схему соединений – то есть, нельзя “пускать по кругу” защитный проводник, последовательно подключая его к различным защищаемым конструкциям. Основным требованием, предъявляемым к РЕ-проводникам является обеспечение их непрерывности на всём протяжении. Поэтому запрещена установка любых выключателей, рубильников, предохранителей и соединений, разбираемых без помощи инструмента.
ГЗШ на вводе в здание или другую электроустановку может быть такой:
ГЗШ на вводе в электроустановку
На фото выше – ГЗШ на вводе питания в технологическую линию. О причинах и процессе замены вводного автомата в этой линии я публиковал статью.
Вопрос к знатокам: Какая система заземления показана на схеме?
Питание технологической линии, вводные цепи
Виды систем уравнивания потенциалов
Выделяют две разновидности системы уравнивания потенциалов (СУП) — основную (ОСУП) и дополнительную систему (ДСУП). Рассмотрим каждую подробнее и разберём, в чём заключается различие между ними.
ОСУП
Согласно пункта 1.7.82 ПУЭ:
Основная система уравнивания потенциалов в электроустановках до 1 кВ должна соединять между собой следующие проводящие части:
- нулевой защитный PE- или PEN-проводник питающей линии в системе TN;
- заземляющий проводник, присоединённый к заземляющему устройству электроустановки, в системах IT и TT;
- заземляющий проводник, присоединённый к заземлителю повторного заземления на вводе в здание (если есть заземлитель);
- металлические трубы коммуникаций, входящих в здание (…). Если трубопровод газоснабжения имеет изолирующую вставку на вводе в здание, к основной системе уравнивания потенциалов присоединяется только та часть трубопровода, которая находится относительно изолирующей вставки со стороны здания;
- металлические части каркаса здания;
- металлические части централизованных систем вентиляции и кондиционирования. При наличии децентрализованных систем вентиляции и кондиционирования металлические воздуховоды следует присоединять к шине PE щитов питания вентиляторов и кондиционеров;
- заземляющее устройство системы молниезащиты 2-й и 3-й категорий;
- заземляющий проводник функционального (рабочего) заземления, если такое имеется и отсутствуют ограничения на присоединение сети рабочего заземления к заземляющему устройству защитного заземления;
- металлические оболочки телекоммуникационных кабелей.
Проводящие части, входящие в здание извне, должны быть соединены как можно ближе к точке их ввода в здание. Подключение проводящих частей основной системы уравнивания потенциалов должно выполняться по радиальной схеме, т.е. к каждой проводящей части должен идти отдельный заземляющий проводник от PE-шины.
Если брать по крупному, то ОСУП состоит из:
- Главной заземляющей шины (ГЗШ).
- Заземляющего устройства.
- Защитных РЕ-проводников, которые подключаются к корпусам электроприборов (к открытым проводящим частям).
- Проводников уравнивания потенциалов, которые подключаются к сторонним проводящим частям (различным конструкциям, которые не являются частью электроустановки).
ОСУП может выглядеть так:
Основная СУП – в центре которой находится ГЗШ
ОСУП – это СУП, которая имеет в своей основе ГЗШ или шину РЕ. При этом к этой шине по отдельности подключены проводники уравнивания потенциалов, а защитные РЕ-проводники могут быть подключены как к ГЗШ, так и к шине РЕ, если она имеется отдельно (как это показано выше).
Если ГЗШ и шина РЕ – одно и то же (так может быть в небольшом частном доме), то к ней присоединяются и защитные проводники, и проводники уравнивания потенциалов:
PE шина в роли ГЗШ в небольшом здании
ДСУП
Эта система, как следует из названия, служит для дополнения ОСУП. Применяют ДСУП для помещений, в которых присутствует повышенная опасность поражения электрическим током. В то же время, в данном помещении много открытых и сторонних проводящих частей, которые требуют уравнивания потенциалов. Примером может служить та самая ванная комната, которую мы рассматривали в начале статьи.
ДСУП – дополнительная система уравнивания потенциалов в ванной
Система состоит из проводников уравнивания потенциалов, которые соединяются посредством коробки уравнивания потенциалов (КУП).
При создании ДСУП нужно соединить РЕ-шину, находящуюся в КУП, с шиной РЕ или ГЗШ с помощью медного провода сечением не менее 6 мм2. Далее, проводниками уравнивания потенциалов подключают все металлические поверхности и все инженерные системы (точнее – открытые и сторонние проводящие части), находящиеся в комнате.
Заземляющие контакты электрических розеток в ванной также могут быть подключены к ДСУП. Но обычно это делается РЕ-проводниками, водящими в состав питающего кабеля.
Согласно пункту 7.1.88 ПУЭ,
Для ванных и душевых помещений дополнительная система уравнивания потенциалов является обязательной и должна предусматривать, в том числе, подключение сторонних проводящих частей, выходящих за пределы помещений. Если отсутствует электрооборудование с подключёнными к системе уравнивания потенциалов нулевыми защитными проводниками, то систему уравнивания потенциалов следует подключить к РЕ шине (зажиму) на вводе. Нагревательные элементы, замоноличенные в пол, должны быть покрыты заземлённой металлической сеткой или заземлённой металлической оболочкой, подсоединёнными к системе уравнивания потенциалов. В качестве дополнительной защиты для нагревательных элементов рекомендуется использовать УЗО на ток до 30 мА.
Кроме того, “не допускается использовать для саун, ванных и душевых помещений системы местного уравнивания потенциалов“. Но об этом мы поговорим в следующей статье!
Как это работает
Предположим, что в вашей квартире все розетки и электроприборы заземлены. В теории вы чувствуете себя в безопасности. Ваш сосед снизу, проводя ремонт, заменил канализационную трубу с чугунной на пластиковую. Теперь между вашей чугунной ванной и физической землей отсутствует надежная электрическая связь. У соседа пробило изоляцию в люстре, и через влажный пол вашей ванной комнаты, потенциал порядка 100 вольт появился в ванной с водой.
Поскольку в канализационном стоке пластиковая вставка, замыкания на землю не произошло, и защитный автомат не сработал. Весь потенциал накопился в вашей ванной. Вы, находясь в воде, прикасаетесь к смесителю. Через стальные трубы водопровода, он имеет надежную электрическую связь с грунтом. Вы получаете гарантированное поражение электротоком.
Почему так произошло?
Любой проводник содержит в себе электроны. Пока нет разницы в потенциалах на концах проводника, электроны стоят на месте, и электроток не протекает. В описанной ситуации, труба водопровода имеет нулевой потенциал по всей длине. Ванна с водой, по причине распространения напряжения от неисправной проводки этажом ниже, через отрезок чугунной трубы, имеет потенциал 100 вольт. Эти предметы между собой не соприкасаются, поэтому электрического тока нет.
После касания одновременно ванной под напряжением и фактически заземленного смесителя, по вашему телу протекает электрический ток. Человек на 80% состоит из воды, поэтому он вполне себе неплохой проводник. Электроны просто устремляются от точки с меньшим потенциалом, к точке с большим потенциалом
Поэтому уравниванию потенциалов в ванной комнате следует уделить особое внимание
Справедливости ради, если бы вы просто оказались с ванной под напряжением (ничего не касаясь), и так же из нее удалились, никакого поражения электротоком не было. Вы никогда не задавались вопросом, почему птицы, сидящие на проводе ЛЭП с напряжением свыше 1000 вольт, не погибают от удара током? Потому, что у них такой же потенциал, как у провода: 1000 вольт. Они не касаются других проводов, разницы потенциалов нет, соответственно, нет и электротока через их тушки.
Еще один пример. Вставьте в отключенную розетку кусок провода (в фазу), и свободно подвесьте его, чтобы он не касался стены и пола. Подайте напряжение — ничего не произойдет. Тем не менее по всей длине провода есть потенциал 220 вольт. Стоит соединить провод с любым предметом, у которого потенциал относительно «земли» ниже, через соединитель (например, человека), потечет ток.
Отсюда вывод: любые предметы, которые в обычных условиях не находятся под напряжением (за исключением аварийных ситуаций), всегда должны иметь равный потенциал. В случае с жилыми помещениями — равный нулю. Для этого, все металлические элементы жилого дома, включая арматуры в стенах, соединяются с контуром заземления еще на этапе строительства.
Это называется: основная система уравнивания потенциалов (ОУП). Вблизи каждого здания расположена главная заземляющая шина (ГЗШ), надежно (обычно с помощью сварки) соединенная с заземлителем (контуром). Она периодически проверяется специальными службами (со временем может рассыпаться от коррозии), и монтируется еще на этапе закладки фундамента.
Можете быть уверены, что все металлические предметы вашей многоэтажки имеют электрический контакт с ГЗШ. Сразу после ввода в эксплуатацию, контур уравнивания потенциалов работает безупречно. Это требование Правил устройства электроустановок соблюдается всегда. Пока не начинаются ремонты в квартирах.
