Ноль бьет током. Потенциал на PEN проводнике

почему ноль бьет током - откуда напряжение на нуле

Ноль бьет током — это значит, что PEN проводник, имеющий общую точку с нейтралью трансформатора и землей в определенных ситуациях может иметь потенциал, отличный от нуля.

Самая распространенная причина, из-за которой ноль бьет током — это обрыв (отгорание) нейтрали трансформатора. В этом случае на уже не связанном с нейтралью и землей PEN проводнике в зависимости от неравномерной нагрузки появляется фазное напряжение.

Также, отличный от нуля потенциал на нейтральном проводе имеется практически всегда при нормальном режиме работы. В пятипроводной системе электроснабжения напряжение между землей и нейтралью отсутствует только в точке соединения этих проводов. По мере удаления от этого места за счет сопротивления проводов разность потенциалов постепенно появляется и увеличивается. В данном обзоре будет подробно рассмотрено именно данная ситуация, когда ноль бьет током в штатном режиме работы системы электроснабжения.

Видео обзор — ноль бьет током

Ошибки при анализе нулевого потенциала PEN проводника

Поражение электрическим током возникает при соприкосновении с электрической цепью, в которой присутствуют источники напряжения и/или источники тока, способные вызвать протекание тока по попавшей под напряжение части тела. Обычно чувствительным для человека является пропускание тока силой более 1 мА.

Многие утверждают, что нейтральный проводник при нормальном режиме работы не бьет током. А в качестве объяснения используют следующие доводы:

  • Например, ток течет по пути наименьшего сопротивления.
  • Или якобы нейтраль соединена с землей с нулевым потенциалом и мы стоим на земле. Но все это поверхностно и неверно.

На поверхности земли электрический потенциал равен 0 вольт. Но нужно понимать, что данный нулевой потенциал — это условность, своего рода точка отсчета, о которую спотыкаются многие электрики, пытаясь объяснить процессы протекания электрического тока. Учитывая, что в сеть почти всегда включена нагрузка, а распределить ее по фазам равномерно нереально, между нулевым (PEN) проводником и землей всегда есть разность потенциалов, создаваемая сопротивлением проводника и переходных контактов. Соответственно дотронувшись до нулевого проводника и стоя на земле, вы замкнете цепь, и через вас пройдет ток.

Как распространяется ток в электрической цепи

Начнем разбирать данный вопрос с анализа утверждения, что ток течет по пути наименьшего сопротивления. Это не верно, так как в замкнутой цепи он (а точнее — свободные электроны) распределяется везде, только его сила обратно пропорциональна сопротивлению (если речь идет о смешанном соединении). Другое дело, когда на определенном участке нет вообще сопротивления, тогда весь ток пойдет через него. Это можно показать на схеме, но в реальности на воздушных линиях с большой протяженностью такое невозможно. Для наглядности рассмотрим подключение нагрузки к источнику однофазного тока:

почему ноль бьет током - откуда напряжение на нуле

К источнику питания подключена нагрузка (условно чайник) создающий сопротивление 30 Ом. Цепь замкнулась, и в ней образовался ток 7,3 Ампер. Прикоснувшись к нулевому проводу и стоя на земле, мы создали дополнительную цепь через тело, землю и заземлитель к источнику питания. На данном этапе уместно вспомнить землю с ее нулевым потенциалом. В данном случае она выступает просто как проводник, соединенный с нулевым выводом источника питания. Поэтому можно перестроить схему, заменив землю обычным проводником:

почему ноль бьет током - откуда напряжение на нуле

Как в первой, так и во второй схеме через участок человек — заземление — источник питания не проходит ток. Не удивительно, ведь на пути два резистора с сопротивлением 4 и 1000 Ом. Так почему же неверна трактовка движения по пути наименьшего сопротивления. Весь секрет кроется в проводах, которые имеют свое сопротивление. Электрическое сопротивление жилы самонесущего изолированного провода (СИП) сечением 25 мм² равно 1,380 Ом/км. К примеру, возьмем длину 250 метров. Тогда сопротивление провода в конце линии будет приблизительно 0,345 Ом. Добавим это сопротивление в нашу схему:

почему ноль бьет током - откуда напряжение на нуле

Теперь ток 2,5 мА пошел через человека. Произошло пропорциональное перераспределение тока в цепи. И земля здесь никак не спасает, а наоборот усугубляет. Ведь если бы не был заземлен вывод источника однофазного тока, то никакой разности потенциалов с землей и не было бы.

Для того чтобы понять, почему в цепи человек-земля (проводник)-заземлитель-источник питания появился ток и рассчитать его величину, нужно воспользоваться правилами последовательного, параллельного и смешанного соединения резисторов. Мы этого не будем делать, так как программа Electronics Workbench все посчитала за нас. Лучше простыми словами пройдемся по схеме и разберемся с потенциалами:

почему ноль бьет током - откуда напряжение на нуле

Оранжевый участок от источника питания до нагрузки имеет потенциал 217,5 Вольт. Это значение равно напряжению на входе в резистор с сопротивлением 30 Ом. Участок цепи, отмеченный желтым имеет потенциал 2,5 Вольта, что равно падению напряжения за счет резистора 30 Ом. Как и упоминалось выше, без сопротивления провода 0,345 Ом никакого потенциала на нулевом проводе бы не было. Данный резистор создал в цепи сопротивление, которое позволило распределиться току по двум участкам с силами обратно пропорциональными сопротивлениям этих участков:

  • Участок между человеком и заземлителем источника питания — это зона растекания (локальная земля).
  • Участок схемы, помеченный голубым цветом, имеет нулевой потенциал.

Мы рассмотрели подключение нагрузки к источнику однофазного тока с заземленным выводом. Как видно, при включенной нагрузке за счет сопротивления проводов всегда будет разность потенциалов между нулем и землей. И эта разность будет тем больше, чем больше сопротивление проводов и мощность включенной нагрузки. Так, увеличив мощность нагрузки в три раза, сила тока, проходящая через человека, возросла с 2,5 до 7,4 мА. При таком значении фиксируются судороги и болевые ощущения в руках.

Ноль бьет током в сетях трехфазного тока

Теперь перейдем к рассмотрению разности потенциалов между нейтральным проводом и землей в сетях трехфазного тока. Здесь уже имеются свои особенности. Так, если нагрузки по всем фазам будут одинаковы и не будет смещения нейтрали, то на нейтральном проводе ток будет равен нулю. То есть при соединении в звезду фаз симметричного приемника нейтральный провод не оказывает влияния на работу цепи и может быть исключен.

Отсутствие сопротивления в проводах и равномерное потребление в многоквартирном доме или на линии с одно-дух этажной застройкой — это что-то из области фантастики, поэтому нейтральный проводник необходим и его основная функция – это минимизация напряжение смещения нейтрали и искажений фазных напряжений приемников. Подробно на данных процессах останавливаться не будем, и рассмотрим их отдельной темой. А пока же перейдем к току в нейтральном проводе при несимметричном потреблении.

Как и в случае с источником однофазного тока, при добавлении в схему сопротивления проводников помимо смещения нейтрали открывается путь для протекания тока через землю при прикосновении человека к рабочему нулевому или защитному проводнику.

Кстати, во всех системах TN с зануленным электрооборудованием при нормальном режиме работы на проводящих корпусах есть потенциал. А для того, чтобы не было разности потенциалов и вас не било током при замыкании цепи через трубы и иные проводящие коммуникации выполняется система уравнивания потенциалов.

Вернемся к теме и для наглядности рассмотрим схему:
почему ноль бьет током - откуда напряжение на нуле

Как видно, с учетом неравномерной нагрузки (на схеме это резисторы 10, 30 и 50 Ом) и сопротивления проводов взятых условно 0,3 Ом потенциал на дальнем от распределительного трансформатора участке нейтрального провода 4,5 Вольта. Соответственно через человека с сопротивлением 1000 Ом, стоящего на земле и касающегося нейтрального провода, потечет ток с силой 4,5 мА.

Если мы увеличим сопротивление проводов в два раза, то и проходящий через человека ток также возрастет почти в два раза (до 8,3 мА).

Мы знаем, что система TN с глухозаземленной нейтралью должна иметь повторные заземления PEN проводника с общим сопротивлением заземлителей не больше 10 Ом. С добавлением этого повторного заземления большая часть тока уйдет через него, а ток, проходящий через человека снизится с 8,3 до 3,2 мА.

Стоит отметить, что везде мы рассматривали сопротивление человека равное 1000 Ом. Но ведь нужно учитывать также сопротивление обуви, пола, грунта. И действительно, если вы будете стоять к примеру на сухом деревянном полу в обуви с хорошим сопротивлением, то вы скорее всего не почувствуете ничего, прикоснувшись к нейтральному проводу. И здесь условный нулевой потенциал земли никакой роли не играет. Вы всего лишь изолируетесь от проводимости земли. А если еще и выполнена система уравнивания потенциалов, то даже стоя босиком на влажном полу или дотронувшись второй рукой до трубы или батареи, разности потенциалов с нейтралью не будет. И если мы изменим сопротивление человека с 1000 до 5000 Ом, то проходящий через тело ток снизится с 3,2 до 0,6 мА.

Как видно, утверждение, что нейтральный проводник не бьется током, в корне не верное. Разность потенциалов между ним и землей есть всегда. Зависит она от нагрузки, неравномерной нагрузки в сетях трехфазного тока, протяженности воздушной линии и сопротивления проводов. Поэтому, несмотря на то, что в большинстве случаев вы хорошо изолированы от земли либо имеется система уравнивания потенциалов, и вы можете не ощутить влияния малых токов при контакте с нейтральным проводом, никогда не прикасайтесь, не убедившись в отсутствии большого потенциала на нем. Чем больше сопротивление нейтрального провода вплоть до отгорания, тем больше разность его потенциала с потенциалом земли и тем больший ток по закону Ома потечет в этой цепи.