Заземление это. Самое простое объяснение заземления

заземление это, простое объяснение принципа работы заземления

Заземлением какой-либо части электроустановки или другой установки называется преднамеренное электрическое соединение этой части с заземляющим устройством. Заземляющим устройством называется совокупность заземлителя и заземляющих проводников. С этими определениями особых сложностей в понимании нет. Все корпуса электроприборов в доме проводниками соединяются с заземлителем, и в случае попадания фазы на корпус ток через заземлитель уходит в землю и обратно приходит к трансформатору через заземлители нейтрали. При этом каждый заземлитель имеет определенное сопротивление растеканию тока. По закону Ома сопротивление влияет на силу тока в цепи I = U/R. Чем ниже сопротивление, тем выше сила тока. И в зависимости от значения силы тока при аварийной ситуации, когда опасный потенциал на корпусах, должно сработать защитное отключение. При больших значениях силы тока в цепи фаза — заземление — источник сработает автоматический выключатель. При малых значениях силы тока отработает устройство защитного отключения.

Земля проводит ток, но многие плохо представляют, как это происходит. Есть и те, кто считают, что ток через заземлитель растекается в земле и куда-то таинственным образом исчезает. Об особенностях протекания тока в земле если и есть информация, то чаще поверхностная или написанная сложным для понимания обычному человеку языком. Поэтому постараемся раскрыть вопрос заземления изнутри максимально доступно и наглядно.

Заземление — аналогия с сопротивлением провода

Нам нужен достаточно понятный пример. Поэтому начнем с обычного провода, который как и земля проводит электрический ток. А затем перенесем по аналогии все процессы на землю.

Электрический ток — это направленное (упорядоченное) движение носителей электрического заряда. В проводах такими носителями являются свободные электроны. Как они движутся:

  • Во-первых, очень медленно.
  • Во-вторых, все зависит от тока — постоянного или переменного. Если ток постоянный, то электроны (а они заряжены отрицательно) движутся от минуса к плюсу источника. Не путать с условным направлением тока от плюса к минусу, которое приняли еще до открытия электронов и решили не менять. В переменном токе электроны перемещаются то в одну, то в другую сторону на доли миллиметра с частотой 50 Гц.

Естественно в быту у нас переменный ток, и рассматривать заземление нужно на его основе. Но проще все объяснить на примере постоянного тока, что мы и сделаем.

Рассмотрим следующий пример. К источнику постоянного тока 220 В подключена нагрузка 20 Ом (такое сопротивление с учетом мощности может давать нагревательный элемент электрочайника). Соединительные провода имеют сопротивление 2 Ом (два по 1 Ом). Получаем такую схему:

заземление - аналогия с сопротивлением провода

Нагрузку 20 Ом можно заменить проводом. Сделаем это, добавив в схему 20 участков по 1 Ом. То есть удлиним провод:

заземление - аналогия с сопротивлением провода

Как видно, чем длиннее провод при одном и том же сечении, тем больше его сопротивление. Мы поделили провод на 22 части. Поделить можно на любое количество частей. И чем больше такое деление, тем меньше будет сопротивление отдельно взятого участка. Полученная цепь имеет общее сопротивление 22 Ом. При напряжении 220 В сила тока в цепи I = U/R = 220/22 = 10 А. Зная силу тока, можно найти падение напряжения на каждом участке провода:

заземление - аналогия с сопротивлением провода

На любом из 22 одинаковых по длине участков произойдет падение напряжения на 10 В. В сумме все участки дадут 220 В.

На сопротивление провода помимо длинны влияет сечение и сам материал, из которого он изготовлен. Приведем формулу определения сопротивления проводника:

R = ρI/S, где R — сопротивление (Ом) проводника сечением S и длиной l; ρ — удельное электрическое сопротивление (зависит от материала).

заземление - аналогия с сопротивлением провода

Увеличивая сечение мы снизим сопротивление провода, а увеличивая удельное электрическое сопротивление, то есть выбрав другой материал проводника — наоборот увеличим сопротивление.

Заземление как сопротивление цепи

Теперь можно перейти к заземлению. Давайте соединим плюсовой вывод с заземлителем 4 Ом. От минусового вывода оставим участок провода 1 Ом. Конц провода соединим с другим заземлителем, например сопротивлением 5 Ом. То есть мы моделируем ситуацию, когда где-то в доме фаза попала на заземленный корпус и ток через землю уходит к заземлению нейтрали. В данном случае заземлитель в доме имеет сопротивление 5 Ом, а заземлитель (или суммарно заземлители) нейтрали 4 Ом. Получаем такую схему:

заземление как сопротивление цепи

Суммарное сопротивление в цепи 1+4+5 = 10 Ом. Сила тока в цепи 22 А. Соответственно падение напряжения на заземлителе 5 Ом равно 5×22 = 110 В, а на заземлителе 4 Ом равно 4×22 = 88 В. Оставшиеся 22 В были истрачены на прохождение участка провода сопротивлением 1 Ом.

Здесь хотелось бы сделать небольшое отступление и разобраться, почему сейчас на участке провода 1 Ом произошло падение напряжения 22 В, а в предыдущем примере на том же участке 1 Ом 10 В? Все дело в том, что во второй схеме мы снизили сопротивление цепи приблизительно в два раза с 22 Ом до 10 Ом. То есть если в первом примере укоротить провод в два раза, то снижение сопротивления вызывает увеличение силы тока. Простыми словами электроны будут двигаться в два раза быстрее и в два раза сильнее взаимодействовать с кристаллической решеткой провода. Последний будет сильнее греться. И если представить участок провода как потребитель, то можно сказать что 22 В будут им потребляться на разогрев (потери электроэнергии).

Вернемся к нашему заземлению. Суммарно оно у нас имеет сопротивление 9 Ом. Казалась бы, земля проводник, и можно по аналогии с проводом разбить путь тока в земле на равные отрезки по 1 Ом. Разбить на участки можно, но они не будут равными. А если все же разбить на равные отрезки, то их сопротивление будет по мере удаления от заземлителя уменьшатся. В этом и заключается основная особенность заземления.

Заземление — как работает при стекании тока

Прежде чем переходить к рассмотрению принципа работы заземления, для общего развития отметим механизм протекания тока в грунте. Мы уже упоминали, что в металлах из которых сделаны провода носителями электрического заряда являются свободные электроны, которые движутся при постоянном токе от минуса к плюсу. А как же дело обстоит с землей? В грунте присутствуют различные жидкости и растворы солей, которые вполне способны проводить электрический ток. И носителями заряда в этом случае выступают ионы. Катион — положительно заряженный ион. Он забирает электроны при возникновении электрического поля. Анион — отрицательно заряженный ион. Он отдает электроны при возникновении электрического поля. И если электроны в проводах движутся от минуса к плюсу, то ионы в земле движутся одновременно в две стороны к плюсу и минусу.

Ток, стекая в землю, расходится во все стороны от точки контакта с землей. С учетом вышеописанного отступления, под стеканием и расхождением в стороны нужно понимать направленное движение к заземлителю ионов из грунта. Вокруг заземлителя образуются концентрические сферы, возрастающие по мере удаления от точки входа. Можно представить, что электрод окружен концентрическими слоями грунта одинаковой толщины. Ближний к электроду слой имеет наименьшую поверхность, но наибольшее сопротивление. По мере удаления от электрода поверхность слоя увеличивается, а его сопротивление уменьшается. В конечном счете, вклад сопротивления удаленных слоев в сопротивление поверхности грунта становится незначительным. То есть ток, растекаясь в грунте, доходит до зоны, где сопротивление грунта уже практически равно нулю. И дальше весь объем грунта можно просто условно представить как проводник с нулевым сопротивлением. Область, за пределами которой сопротивлением слоев земли можно пренебречь, называется зоной растекания (локальной землей или областью эффективного сопротивления). А область, в которой сопротивлением слоев земли можно пренебречь называется зоной нулевого потенциала.

заземление - как работает при стекании тока

Для лучшего понимания процесса стекания тока в землю через заземлитель нужно вернуться к уже рассмотренной формуле R = ρI/S, где R — сопротивление (Ом) проводника (в данном случае земли) сечением S и длиной l; ρ — удельное электрическое сопротивление конкретного грунта. Обратим внимание на такой показатель, как удельное электрическое сопротивление.

Для разных типов грунтов имеется свое расчетное удельное сопротивление:

Наименование грунта Среднее удельное сопротивление, Ом·м
Песок 500
Супесок 300
Суглинок 80
Глина 60
Садовая земля 40
Чернозем 50
Торф 25
Пористый известняк 180
Песчаник 1000

Возьмем для примера супесок с удельным сопротивлением 200 Ом·м. Что значит эта цифра? Если мы представим землю как проводник, то участок такого проводника сечением 1 м² и длиной 1 м будет иметь сопротивление 200 Ом. Если разделить 1 м на 10 частей, то 10 см участок сечением 1 м² будет иметь сопротивление 200/10 = 20 Ом.

Теперь вернемся к заземлителю и рассмотрим окружающие его концентрические слои грунта одинаковой толщины. Толщину примем 10 см (0,1 м). Теперь предположим, что заземлитель у нас имеет форму полусферы. И если первую полусферу примыкающего грунта с толщиной стенки 10 см распрямить, получим цилиндр площадью сечения 1 м². Тогда при удельном сопротивлении грунта 200 Ом·м сопротивление рассмотренного слоя будет 20 Ом. Если распрямить следующий слой, то сечение полученного цилиндра уже будет больше, чем у предыдущего слоя. Соответственно сопротивление будет меньше 20 Ом, так как по формуле R = ρI/S увеличение сечения (S) при заданной длине (в нашем случае l = 10 см (или 0,1 м))приведет к уменьшению сопротивления. Таким образом, каждый последующий слой будет иметь сопротивление, которое меньше, чем у предыдущего слоя. В конечном счете, мы дойдем до слоя, сопротивление которого будет практически равно 0. Это, по сути, будет границей зоны растекания. А следующая за ней зона — зона нулевого потенциала.

заземление - как работает при стекании тока

Давайте с учетом вышесказанного и по аналогии с проводом схематически изобразим нашу схему с заземлением. Один заземлитель имеет сопротивление 5 Ом, и это сумма сопротивлений всех концентрических слоев в зоне растекания. Последний слой 0 Ом — это вся толща земли. Слои от зоны нулевого потенциала до заземлителя примем равными 0,5; 1; 1,5; 2 Ом. Это деление условное (слоев может быть в зависимости от толщины огромное количество). Таким же образом разобьем и следующую зону растекания от заземлителя 4 Ом (0,5; 0,8; 1,1; 1,6). Получаем такую схему:

заземление - как работает при стекании тока

Для наглядности покажем зоны растекания:

заземление - как работает при стекании тока

Пройдемся по цепи и посмотрим падение напряжения на каждом участке:

  • Первое падение напряжения на 22 В происходит за счет провода сопротивлением 1 Ом. Потенциал на заземлителе 220-22 = 198 В.
  • Следующее падение на 44 В в первом от заземлителя полусферическом слое.
  • Во втором слое падение 33 В, в третьем — 22 В и в четвертом — 11 В. Суммарное падение за счет провода 1 Ом и заземлителя 5 Ом 132 В. Соответственно потенциал в зоне нулевого потенциала 220-132 = 88 В.
  • После зоны нулевого потенциала начинается зона растекания заземлителя 4 Ом. В этой зоне происходит окончательное падение напряжения с 88 В до 0 В.

Хотелось бы обратить особое внимание на зону нулевого потенциала. Многие воспринимают буквально «нулевой потенциал». Но как видно из примера, потенциал каждой точки данного участка 88 В. И если стоять в зоне нулевого потенциала, то между ногами не будет разности потенциалов. В этом и смысл. Стоя же в зоне растекания между точками разных полусфер всегда будет разность потенциалов — напряжение шага.

Завершая рассмотрение темы заземления, перенесем механизмы протекания постоянного тока в грунте на переменный ток. Принципиального отличия здесь нет. Единственная особенность заключается в том, что с частотой 50 Гц меняется плюс с минусом. Простыми словами — сначала на одном заземлителе образуется избыток электронов, а на другом — недостаток. Через мгновение на том заземлителе, где был избыток электронов, образуется недостаток, а на втором заземлителе — избыток. И так 50 раз в секунду. Аналогично меняют направление движения ионы в грунте, устремляющиеся одновременно ко всем заземлителям. На пути к ним они встречают сопротивление окружающих заземлитель слоев грунта. Суммарное сопротивление всех слоев в зоне растекания — это сопротивление растеканию тока конкретного заземлителя.