Техника заземления в системах промышленной автоматизации сильно различается для гальванически связанных и гальванически развязанных цепей. Большинство методов, описанных в литературе, относится к гальванически связанным цепям, доля которых в последнее время существенно уменьшилась в связи с резким падением цен на изолирующие DC-DC преобразователи.

3.5.1. Гальванически связанные цепи

Примером гальванически связанной цепи является соединение источника и приемника стандартного сигнала 0…5 В (рис. 3.95 , рис. 3.96). Чтобы пояснить, как правильно выполнить заземление, рассмотрим вариант неправильного (рис. 3.95) и правильного (рис. 3.96 , монтажа. На рис. 3.95 допущены следующие ошибки:

Перечисленные ошибки приводят к тому, что напряжение на входе приемника равно сумме напряжения сигала и напряжения помехи . Для устранения этого недостатка в качестве проводника заземления можно использовать медную шину большого сечения, однако лучше выполнить заземление так, как показано на рис. 3.96 , а именно:

Общим правилом ослабления связи через общий провод заземления является деление земель на аналоговую, цифровую, силовую и защитную с последующим их соединением только в одной точке. При разделении заземлений гальванически связанных цепей используется общий принцип: цепи заземления с большим уровнем помех должны выполняться отдельно от цепей с малым уровнем помех, а соединяться они должны только в одной общей точке. Точек заземления может быть несколько, если топология такой цепи не приводит к появлению участков "грязной" земли в контуре, включающем источник и приемник сигнала, а также если в цепи заземления не образуются замкнутые контуры, по которым циркулирует ток, наведенный электромагнитной помехой.

Недостатком метода разделения проводников заземления является низкая эффективность на высоких частотах, когда большую роль играет взаимная индуктивность между рядом идущими проводниками заземления, которая только заменяет гальванические связи на индуктивные, не решая проблемы в целом.

Большая длина проводников приводит также к увеличению сопротивления заземления, что важно на высоких частотах. Поэтому заземление в одной точке используется на частотах до 1 МГц, свыше 10 МГц заземлять лучше в нескольких точках, в промежуточном диапазоне от 1 до 10 МГц следует использовать одноточечную схему, если наиболее длинный проводник в цепи заземления меньше 1/20 от длины волны помехи. В противном случае используется многоточечная схема [Барнс ].

Заземление в одной точке часто используется в военных и космических устройствах [Барнс ].

3.5.2. Экранирование сигнальных кабелей

Рассмотрим заземление экранов при передаче сигнала по витой экранированной паре, поскольку этот случай наиболее типичен для систем промышленной автоматизации.

Если частота помехи не превышает 1 МГц, то кабель нужно заземлять с одной стороны. Если его заземлить с двух сторон (рис. 3.97), то образуется замкнутый контур, который будет работать как антенна, принимая электромагнитную помеху (на рис. 3.97 путь тока помехи показан штриховой линией). Ток, протекающий по экрану, является источником индуктивных наводок на соседних проводах и проводах, находящихся внутри экрана. Хотя магнитное поле тока оплетки внутри экрана теоретически равно нулю, но вследствие технологического разброса при изготовлении кабеля, а также ненулевого сопротивления оплетки наводка на провода внутри экрана может быть значительной. Поэтому экран нужно заземлять только с одной стороны, причем со стороны источника сигнала.

Оплетку кабеля надо заземлять со стороны источника сигнала. Если заземление сделать со стороны приемника (рис. 3.98), то ток помехи будет протекать по пути, показанному на рис. 3.98 штриховой линией, т.е. через емкость между жилами кабеля, создавая на ней и, следовательно, между дифференциальными входами, напряжение помехи. Поэтому заземлять оплетку надо со стороны источника сигнала (рис. 3.99). В этом случае путь для прохождения тока помехи отсутствует.

Если источник сигнала не заземлен (например, термопара), то заземлять экран можно с любой стороны, т.к. в этом случае замкнутый контур для тока помехи не образуется.

На частотах более 1 МГц увеличивается индуктивное сопротивление экрана и токи емкостной наводки создают на нем большое падение напряжения, которое может передаваться на внутренние жилы через емкость между оплеткой и жилами. Кроме того, при длине кабеля, сравнимом с длиной волны помехи (длина волны помехи при частоте 1 МГц равна 300 м, на частоте 10 МГц - 30 м) возрастает сопротивление оплетки (см. раздел Модель «земли»), что резко повышает напряжение помехи на оплетке. Поэтому на высоких частотах оплетку кабеля надо заземлять не только с обеих сторон, но и в нескольких точках между ними (рис. 3.100). Эти точки выбирают на расстоянии 1/10 длины волны помехи одна от другой. При этом по оплетке кабеля будет протекать часть тока , передающего помеху в центральную жилу через взаимную индуктивность. Емкостной ток также будет протекать по пути, показанному на рис. 3.98 , однако высокочастотная компонента помехи будет ослаблена. Выбор количества точек заземления кабеля зависит от разницы напряжений помехи на концах экрана, частоты помехи, требований к защите от ударов молнии или от величины токов, протекающих через экран в случае его заземления.

В качестве промежуточного варианта можно использовать второе заземление экрана через емкость (рис. 3.99). При этом по высокой частоте экран получается заземленным с двух сторон, по низкой частоте - с одной. Это имеет смысл в том случае, когда частота помехи превышает 1 МГц, а длина кабеля в 10…20 раз меньше длины волны помехи, т.е. когда еще не нужно выполнять заземление в нескольких промежуточных точках. Величину емкости можно рассчитать по формуле , где - верхняя частота границы спектра помехи, - емкостное сопротивление заземляющего конденсатора (доли Ома). Например, на частоте 1 МГц конденсатор емкостью 0,1 мкФ имеет сопротивление 1,6 Ом. Конденсатор должен быть высокочастотным, с малой собственной индуктивностью.

Для качественного экранирования в широком спектре частот используют двойной экран (рис. 3.101) [Zipse ]. Внутренний экран заземляют с одной стороны, со стороны источника сигнала, чтобы исключить прохождение емкостной помехи по механизму, показанному на рис. 3.98 , а внешний экран уменьшает высокочастотный наводки.

Во всех случаях экран должен быть изолирован, чтобы предотвратить случайные его контакты с металлическими предметами и землей.

Напомним, что частота помехи - это частота, которую могут воспринимать чувствительные входы средств автоматизации. В частности, если на входе аналогового модуля имеется фильтр, то максимальная частота помехи, которую надо учитывать при экранировании и заземлении, определяется верхней граничной частотой полосы пропускания фильтра.

Поскольку даже при правильном заземлении, но длинном кабеле помеха все равно проходит через экран, то для передачи сигнала на большое расстояние или при повышенных требованиях к точности измерений сигнал лучше передавать в цифровой форме или через оптический кабель. Для этого можно использовать, например, модули аналогового ввода RealLab! серии с цифровым интерфейсом RS-485 или оптоволоконные преобразователи интерфейса RS-485, например типа SN-OFC-ST-62.5/125 фирмы НИЛ АП .

Нами было проведено экспериментальное сравнение различных способов подключения источника сигнала (терморезистора сопротивлением 20 КОм) через экранированную витую пару (0,5 витка на сантиметр) длиной 3,5м. Был использован инструментальный усилитель RL-4DA200 с системой сбора данных RL-40AI фирмы НИЛ АП. Коэффициент усиления канала усиления был равен 390, полоса пропускания 1 КГц. Вид помехи для схемы рис. 3.102 -а представлен на рис. 3.103 .

3.5.4. Экраны кабелей на электрических подстанциях

На электрических подстанциях на оплетке (экране) сигнального кабеля автоматики, проложенного под высоковольтными проводами на уровне земли и заземленного с одной стороны, может наводиться напряжение величиной в сотни Вольт во время коммутации тока выключателем. Поэтому с целью электробезопасности оплетку кабеля заземляют с двух сторон.

Для защиты от электромагнитных полей с частотой 50 Гц экран кабеля также заземляют с обеих сторон. Это оправдано в случаях, когда известно, что электромагнитная наводка с частотой 50 Гц больше, чем наводка, вызванная протеканием выравнивающего тока через оплетку.

3.5.5. Экраны кабелей для защиты от молнии

Для защиты от магнитного поля молнии сигнальные кабели систем автоматизации, проходящие по открытой местности, должны быть проложены в металлических трубах из ферромагнитного материала, например, стали. Трубы играют роль магнитного экрана [Vijayaraghavan ]. Нержавеющую сталь использовать нельзя, поскольку этот материал не является ферромагнитным. Трубы прокладывают под землей, а при наземном расположении они должны быть заземлены примерно через каждые 3 метра [Zipse ]. Кабель должен быть экранирован и экран заземлен. Заземление экрана должно быть произведено очень качественно с минимальным сопротивлением на землю.

Внутри здания магнитное поле ослабляется в железобетонных зданиях и не ослабляется в кирпичных.

Радикальным решением проблем защиты от молнии является применение оптоволоконного кабеля, который стоит уже достаточно дешево и легко подключается к интерфейсу RS-485, например, через преобразователи типа SN-OFC-ST-62.5/125 .

3.5.6. Заземление при дифференциальных измерениях

Если источник сигнала не имеет сопротивления на землю, то при дифференциальном измерении образуется "плавающий вход" (рис. 3.105). На плавающем входе может наводиться статический заряд от атмосферного электричества (см. также раздел "Виды заземлений") или входного тока утечки операционного усилителя. Для отведения заряда и тока на землю потенциальные входы модулей аналогового ввода обычно содержат внутри себя резисторы сопротивлением от 1 МОм до 20 МОм, соединяющие аналоговые входы с землей. Однако при большом уровне помех или большом сопротивлении источника сигнала сопротивление 20 МОм может оказаться недостаточным и тогда необходимо дополнительно использовать внешние резисторы сопротивлением от десятков кОм до 1 МОм или конденсаторы с таким же сопротивлением на частоте помехи (рис. 3.105).

3.5.7. Интеллектуальные датчики

В последнее время получили быстрое распространение и развитие так называемые интеллектуальные датчики, содержащие микроконтроллер для линеаризации характеристики преобразования датчика (см., например, "Датчики температуры, давления, влажности"). Интеллектуальные датчики выдают сигнал в цифровой или аналоговой форме [Caruso ]. Вследствие того, что цифровая часть датчика совмещена с аналоговой, при неправильном заземлении выходной сигнал имеет повышенный уровень шума.

Некоторые датчики, например, фирмы Honeywell, имеют ЦАП с токовым выходом и поэтому требуют подключения внешнего сопротивления нагрузки (порядка 20 кОм [Caruso ]), поэтому полезный сигнал в них получается в форме напряжения, падающего на нагрузочном резисторе при протекании выходного тока датчика.

шкафы соединены между собой, что создает замкнутый контур в цепи заземления, см. рис. 3.69 , раздел "Защитное заземление зданий" , "Заземляющие проводники" , "Электромагнитные помехи" ;

проводники аналоговой и цифровой земли в левом шкафу на большом участке идут параллельно, поэтому на аналоговой земле могут появиться индуктивные и емкостные наводки от цифровой земли;

блок питания (точнее, его отрицательный вывод) соединен с корпусом шкафа в ближайшей точке, а не на клемме заземления, поэтому по корпусу шкафа течет ток помехи, проникающий через трансформатор блока питания (см. рис. 3.62 , );

используется один блок питания на два шкафа, что увеличивает длину и индуктивность проводника заземления;

в правом шкафу выводы земли подсоединены не к клемме заземления, а непосредственно к корпусу шкафа. При этом корпус шкафа становится источником индуктивной наводки на все провода, проходящие вдоль его стен;

в правом шкафу, в среднем ряду, аналоговая и цифровая земли соединены прямо на выходе блоков, что неправильно, см. рис. 3.95 , рис. 3.104 .

Перечисленные недостатки устранены на рис. 3.108 . Дополнительным улучшением разводки в этом примере было бы применение отдельного проводника заземления для наиболее чувствительных аналоговых модулей ввода.

В пределах шкафа (стойки) желательно группировать аналоговые модули отдельно, цифровые - отдельно, чтобы при прокладке проводов в кабельном канале уменьшить длину участков параллельного прохождения цепей цифровой и аналоговой земли.

3.5.9. Распределенные системы управления

В системах управления, распределенных по некоторой территории с характерными размерами в десятки и сотни метров, нельзя использовать модули ввода без гальванической развязки. Только гальваническая развязка позволяет соединять цепи, заземленные в точках с разными потенциалами.

Кабели, проходящие по открытой местности, должны быть защищены от магнитных импульсов во время грозы (см. раздел "Молния и атмосферное электричество" , "Экраны кабелей для защиты от молнии") и магнитных полей при коммутации мощных нагрузок (см. раздел "Экраны кабелей на электрических подстанциях"). Особое внимание надо уделить заземлению экрана кабеля (см. раздел "Экранирование сигнальных кабелей"). Радикальным решением для территориально распределенной системы управления является передача информации по оптическому волокну или радиоканалу.

Неплохие результаты можно получить, отказавшись от передачи информации по аналоговым стандартам в пользу цифровых. Для этого можно использовать модули распределенной системы управления RealLab! серии NL фирмы НИЛ АП . Суть этого подхода заключается в том, что модуль ввода располагают возле датчика, уменьшая тем самым длину проводов с аналоговыми сигналами, а в ПЛК передается сигнал по цифровому каналу. Разновидностью этого подхода является применение датчиков со встроенными в них АЦП и цифровым интерфейсом (например, датчиков серии NL-1S).

3.5.10. Чувствительные измерительные цепи

Для измерительных цепей с высокой чувствительностью в плохой электромагнитной обстановке лучшие результаты дает применение "плавающей" земли (см. раздел "Виды заземлений") совместно с батарейным питанием [Floating ] и передачей информации по оптоволокну.

3.5.11. Исполнительное оборудование и приводы

Цепи питания двигателей с импульсным управлением, двигателей сервоприводов, исполнительных устройств с ШИМ-управлением должны быть выполнены витой парой для уменьшения магнитного поля, а также экранированы для снижения электрической компоненты излучаемой помехи. Экран кабеля должен быть заземлен с одной стороны. Цепи подключения датчиков таких систем должны быть помещены в отдельный экран и по возможности пространственно отдалены от исполнительных устройств.

Заземление в промышленных сетях

Промышленная сеть на основе интерфейса RS-485 выполняется экранированной витой парой с обязательным применением модулей гальванической развязки рис. 3.110). Для небольших расстояний (порядка 10 м) при отсутствии поблизости источников помех экран можно не использовать. При больших расстояниях (стандарт допускает длину кабеля до 1,2 км) разница потенциалов земли в удаленных друг от друга точках может достигать несколько единиц и даже десятков вольт (см. раздел "Экранирование сигнальных кабелей"). Поэтому, чтобы предотвратить протекание по экрану тока, выравнивающего эти потенциалы, экран кабеля нужно заземлять только в одной точке (безразлично, в какой). Это также предотвратит появление замкнутого контура большой площади в цепи заземления, в котором за счет электромагнитной индукции может наводится ток большой величины при ударах молнии или коммутации мощных нагрузок. Этот ток через взаимную индуктивность наводит на центральной паре проводов э. д. с., которая может вывести из строя микросхемы драйверов порта.

При использовании неэкранированного кабеля на нем может наводиться большой статический заряд (несколько киловольт) за счет атмосферного электричества, который может вывести из строя элементы гальванической развязки. Для предотвращения этого эффекта изолированную часть устройства гальванической развязки следует заземлить через сопротивление, например, 0,1...1 МОм (на рис. 3.110 показано штриховой линией).

Особенно сильно проявляются описанные выше эффекты в сетях Ethernet с коаксиальным кабелем, когда при заземлении в нескольких точках (или отсутствии заземления) во время грозы выходят из строя сразу несколько сетевых Ethernet-плат.

В сетях Ethernet с малой пропускной способностью (10 Mбит/с) заземление экрана следует выполнять только в одной точке. В Fast Ethernet (100 Мбит/с) и Gigabit Ethernet (1 Гбит/с) заземление экрана следует выполнять в нескольких точках, пользуясь рекомендациями раздел "Экранирование сигнальных кабелей"

При прокладке кабеля на открытой местности нужно использовать все правила, описанные в разделе "Экранирование сигнальных кабелей"

3.5.12. Заземление на взрывоопасных объектах

На взрывоопасных промышленных объектах (см. раздел "Автоматизация опасных объектов") при монтаже цепей заземления многожильным проводом не допускается применение пайки для спаивания жил между собой, поскольку вследствие хладотекучести припоя возможно ослабление мест контактного давления в винтовых зажимах.

Экран кабеля интерфейса RS-485 заземляется в одной точке, вне взрывоопасной зоны. В пределах взрывоопасной зоны он должен быть защищен от случайного соприкосновения с заземленными проводниками. Искробезопасные цепи не должны заземляться, если этого не требуют условия работы электрооборудования (ГОСТ Р 51330.10, раздел "Экранирование сигнальных кабелей").

3.6. Гальваническая развязка

Гальваническая развязка (изоляция) цепей является радикальным решением большинства проблем, связанных с заземлением, и ее применение фактически стало стандартом в системах промышленной автоматизации.

Для осуществления гальванической развязки необходимо выполнить подачу энергии в изолированную часть цепи и обмен с ней сигналами. Подача энергии выполняется с помощью развязывающего трансформатора (в DC-DC или AC-DC преобразователях) или с помощью автономных источником питания: гальванических батарей и аккумуляторов. Передача сигнала осуществляется через оптроны и трансформаторы, элементы с магнитной связью, конденсаторы или оптоволокно.

Основная идея гальванической развязки заключается в том, что в электрической цепи полностью устраняется путь, по которому возможна передача кондуктивной помехи.

Гальваническая изоляция позволяет решить следующие проблемы:

уменьшает практически до нуля напряжение синфазной помехи на входе дифференциального приемника аналогового сигнала (например, на рис. 3.73 синфазное напряжение на термопаре относительно Земли не влияет на дифференциальный сигнал на входе модуля ввода);

защищает входные и выходные цепи модулей ввода и вывода от пробоя большим синфазным напряжением (например, на рис. 3.73 синфазное напряжение на термопаре относительно Земли может быть как угодно большим, если оно не превышает напряжение пробоя изоляции).

Для применения гальванической развязки система автоматизации делится на автономные изолированные подсистемы, обмен информацией между которыми выполняется с помощью элементов гальванической развязки. Каждая подсистема имеет свою локальную землю и локальный источник питания. Подсистемы заземляют только для обеспечения электробезопасности и локальной защиты от помех.

Основным недостатком цепей с гальванической развязкой является повышенный уровень помех от DC- DC преобразователя, который, однако, для низкочастотных схем можно сделать достаточно малым с помощью цифровой и аналоговой фильтрации. На высоких частотах емкость подсистемы на землю, а также проходная емкость элементов гальванической изоляции являются фактором, ограничивающим достоинства гальванически изолированных систем. Емкость на землю можно уменьшить, применяя оптический кабель и уменьшая геометрические размеры изолированной системы.

При использовании гальванически развязанных цепей понятие "напряжение изоляции " часто трактуется неправильно. В частности, если напряжение изоляции модуля ввода составляет 3 кВ, это не означает, что его входы могут находиться под таким высоким напряжением в рабочих условиях. В зарубежной литературе для описания характеристик изоляции используют три стандарта: UL1577, VDE0884 и IEC61010-01, но в описаниях устройств гальванической развязки не всегда даются на них ссылки. Поэтому понятие "напряжение изоляции" трактуется в отечественных описаниях зарубежных приборов неоднозначно. Главное различие состоит в том, что в одних случаях речь идет о напряжении, которое может быть приложено к изоляции неограниченно долго (рабочее напряжение изоляции) , в других случаях речь идет об испытательном напряжении (напряжение изоляции ), которое прикладывается к образцу в течение от 1 мин. до нескольких микросекунд. Испытательное напряжение может в 10 раз превышать рабочее и предназначено для ускоренных испытаний в процессе производства, поскольку напряжение, при котором наступает пробой, зависит от длительности тестового импульса.

табл. 3.26 показывает связь между рабочим и испытательным (тестовым) напряжением по стандарту IEC61010-01. Как видно из таблицы, такие понятия, как рабочее напряжение, постоянное, среднеквадратическое или пиковое значение тестового напряжения могут отличаться очень сильно.

Электрическая прочность изоляции отечественных средств автоматизации испытывается по ГОСТ 51350 или ГОСТ Р МЭК 60950-2002 синусоидальным напряжением с частотой 50 Гц в течение 60 сек при напряжении, указываемом в руководстве по эксплуатации как "напряжение изоляции". Например, при испытательном напряжении изоляции 2300 В рабочее напряжение изоляции составляет всего 300 В (табл. 3.26 Действующее значение, 50/60 Гц,

1 мин.

Сигнал помехи может попасть в электронный прибор по входам линий питания или по линиям ввода и вывода сигнала.Помехи могут попасть в схему и через емкостную связь с проводами(электростатическая связь-наиболее серьезный эффект для точек схемы с большим полным сопротивлением)или через магнитную связь с замкнутыми контурами внутри схемы(независимо от уровня полного сопротивления),или электромагнитную связь с проводами,работающими как небольшие антенны для электромагнитных волн.Любой из этих механизмов может передавать сигнал из одной части схемы в другую.И наконец,токи сигнадла в одной части могут влиять на другую часть схемы при падении напряжения на путях заземления и линиях питания.

Исключение помех. Для решения этих часто встречающихся вопросов борьбы с помехами придумано много эффективных приемов,но все они направлены на уменьшение сигнала(или сигналов)помехи,редко когда помеха уничтожается совсем.Поэтому имеет смысл повысить уровень сигнала просто для увеличения отношения сигнал/шум.Большое значение также имеют и внешние условия:прибор,безукоризнено работающий на стенде,может работать с огромными помехами в месте,для него не предназначенном.Перечислим некоторые внешние условия,которых следует избегать:

Соседство радио- и телестанций(РЧ-помехи),

Соседство линий метро(импульсные помехи и “мусор” в

линии питания),

Близость высоковольтных линий(радиопомехи,шипение),

Близость лифтов и электромоторов(всплески в линии

питания),

Здания с регуляторами освещения и отопления(всплески в

линии питания),

Близость оборудования с большими трансформаторами

магнитные наводки),

Особенно близость электросварочных аппаратов(наводки всех

видов неимоверной силы).

Рассмотрим наиболее общие приемы при борьбе с помехами.

Сигналы,связанные через входы,выходы и линии питания. В борьбе с шумами,идущими по линии питания,лучше всего комбинировать линейные РЧ-фильтры и подавители переходных процессов в линии переменного тока.Этим способом можно добиться ослаблени помех на 60 дБ при частотах до нескольких сот килогерц,а также эффективного подавления повреждающих всплесков.

С входами и выходами дело сложнее из-за уровней полного сопротивления и из-за того,что надо обеспечить пррохождение полезных сигналов,которые могут иметь тот же частотный диапазон,что и помехи.В устройствах типа усилителей звуковых частот можно использовать фильтры нижних частот на входе и на выходе (многие помехи от близлежащих радиостанций попадают в схему через провода громкоговорителя,выполняющего роль антенн).В других ситуациях необходимы,как правило,экраниррованные провода.Провода с сигналами низкого уровня,в частности при высоком уровне полного сопротивления, всегда нужно экранировать.То же относится к внешнему корпусу прибора.

Емкостная связь. Внутри прибора сигналы могут прекрасно проходить всюду путем электростатической связи:в какой-нибудь точке в приборе происходит скачок сигнала 10В и на расположенном рядом входе с большим полным сопротивлением произойдет тот же скачок.Что тут можно сделать?Лучше всего уменьшить емкость между этими точками(разнеся их),добавить экран(цельнометаллический футляр или даже металлическая экранирующая оплетка исключает этот вид связи),придвинуть провода вплотную к плате заземления(которая “глотает” электростатические пограничные поля,очень сильно ослабляя связь)и,если возможно,снизить полное сопротивление насколько удастся.

Магнитная связь. К сожалению,низкочастотные магнитные поля не ослабляются существенно металлической экранировкой.Лучший способ борьбы с этим явлением-следить,чтобы каждый замкнутый контур внутри схемы имел минимальную площадь,и стараться,чтобы схема не имела проводов в виде петли.Эффективны в борьбе с магнитной наводкой витые пары, т.к. площадь каждого витка мала,а сигналы,наведенные в следующих друг за другом витках,компенсируются.

При работе с сигналами очень низкого уровня,или устройствами,очень чувствительными к магнитным наводкам(головки магнитофонов,катушки индуктивности, проволочные сопротивления),может оказаться желательным магнитное экранирование.Если внешнее магнитное поле велико, то лучше применять экран из материала с высокой магнитной проницаемостью(например,из обычного железа) для того,чтобы предотвратить магнитное насыщение внутреннего экрана. Наиболее простым решением является удаление мешающего источника магнитного поля.

2.Сигнальное заземление. Провода заземления и заземленные экраны могут доставить много неприятностей.Сущность проблемы такова:ток,протекая по линии заземления,может возбудить сигнал,который воспринимает другая часть схемы,сидящая на том же проводе заземления.Часто используют решение в лоб:

все линии заземления сходятся в одной точке 3 ,но это не всегда самое верное решение.

Обычные ошибки заземления .Общая ситуация представлена на рис.1.В одном приборе находятся усилитель низкого уровня и мощный усилитель с большим потребляемым током.Первая схема сделана правильно:оба усилителя присоединены непосредствено к измерительным выводам стабилизатора напряжения питания, поэтому падение напряжения IR на проводах,идущих к мощному каскаду,не оказывает влияние на напряжения питания усилителя низкого уровня.К тому же ток нагрузки,проходя на землю,не появляется на входе низкого уровня;вообще,никакой ток не идет по проводу заземления входа усилителя низкого уровня к схемной “Мекке”.

Во-второй схеме имеются две грубые ошибки.Флуктуации напряжения питания,поожденные токами нагрузки каскада высокого уровня,отражаются на напряжении питания каскада низкого уровня.Если входной каскад имеет недостаточно высокий коэффициент ослабления флуктуаций питания,то это может привести к возникновению автоколебаний.Далее,ток нагрузки,возвращаясь к источнику питания,вызывает флуктуации потенциала на “земле” корпуса по отношению к заземлению источника питания.Входной каскад оказывается привязанным к этой “переменной земле”,а это,очевидно,плохо.Т.е. надо следить,где протекают большие токи сигнала и смотреть,чтобы они не влияли на вход.В некоторых случаях разумно отделить источник питания от каскада низкого уровня небольшой RC-цепью(рис.2).

3.Межприборное заземление. Идея главной точки заземления внутри одного приборра хороша,но не годится,если сигнал идет из одного прибора в другой и у каждого свое представление о “земле”.В таких случаях можно использовать одно из следующих предложений.

Сигналы выского уровня. Если сигналы имеют напряжение несколько вольт или это логические сигналы,то можно просто соединить то,что нужно,и зыбыть об этом.(рис.3).Источник напряжения(обозначен между 2мя заземлениями)представляет собой разность потенциалов между 2мя выводами линий питания в одной и той же или в разных комнатах здания.Эта разность потенциалов состоит частично из напряжения,наведенного от сети,гармоник частоты сети,радиочастотных сигналов 4 ,разных всплесков и прочего “мусора”.Если наши сигналы достаточно велики,то все это,в общем-то,не важно.

Малые сигналы и длинные линии. Для малых сигналов такая ситуация нетерпима.Несколько идей для этой цели содержит рис.4.На первой схеме коаксиальный экранированный кабель присоединен к корпусу и схемному заземлению источника сигнала,но изолирован от корпуса приемника.Благодаря дифференциальному усилителю для буферизации входного сигнала подавляется синфазный сигнал в цепи заземления,выделяющийся на экране.Также полезно подключить резистор с малым сопротивлением и шунтирующий конденсатор на землю для ограничения сдвига “напряжения заземления” и предупреждений входного каскада.Еще одна схема демонстрирует использование “псевдодифференциального” входного включения для усилительного каскада с одним выходом 5 .Сопротивление 10 Ом включенного между общей точкой усилителя и схемной землей резистора достаточно велико(во много раз больше полного сопротивления заземления источника),так что потенцал в этой точке задает опорная земля источника сигнала.Разумеется, любой шум,присутствующий в этом узле схемы,появится также на выходе,однако это становится неважным,если каскад имеет достаточно высокий коэффициент усиления Ku,поскольку отношение полезного сигнала к шумам заземления увеличивается в Ku раз.Таким образом,хотя данная схема не является подлинно дифференциальной(КОСС),тем не менее работает она достаточно хорошо(с эффективным КОСС=Ku).Такой прием псевдодифференциального включения с отслеживанием потенциала земли можно использовать также для сигналов низкого уровня внутри самого прибора,когда возникают проблемы с шумами заземления.

Во-второй схеме используется экранированная витая пара, экран которой присоединен к корпусу на обоих концах.Это не опасно,т.к. по экрану сигнал не идет.Дифференциальный усилитель используется,как и раньше,на приемном конце.Если передается логический сигнал,то имеет смысл передавать дифференциальный сигнал(сигнал и его инверсию),как показано на рисунке.

На радиочастотах подходящий способ подавления синфазного сигнала на приемном конце дает трансформаторная связь;она также облегчает получение дифференциального биполярного сигнала на передающем конце.Трансформаторы также популярны в звуковой аппаратуре,хотя они громоздки и ведут к некоторому искажению сигнала.

Для очень длинных кабельных линий(измеряемых километрами) полезно принять меры против больших токов в экранах на радиочастотах.Способ достижения этого показан на рис.5.Как было показано выше, дифференциальный усилитель работает с витой парой и на него не влияет напряжение экрана.Путем связи экрана через небольшую катушку индуктивности с корпусом удается сохранить малое напряжение постоянного тока,а большие радиочастотные токи исключить.На.той схеме также показана защита от выхода синфазного напряжения за пределы В.

Хорошая схема защиты многопроводного кабеля,в котором требуется исключить синфазные наводки,показана на рис.6.Так как у всех сигналов наводка одна и та же,то единственный провод,подключенный к земле на передающем конце,служит для компенсации синфазных сигналов во всех n проводах сигнала. Просто этот сигнал считывается по отношению к земле на приемном конце и используется как опорный входной сигнал для всех n дифференциальных усилителей,работающих с остальными сигналами.

Приведенные схемы хорошо подавляют синфазные помехи на низких и средних частотах,но против РЧ-помех они могут оказаться неэффективными из-за низкого КОСС в приемном дифференциальном усилителе.

Плавающий источник сигнала. Та же несогласованность напряжений заземления в разных местах проявляется еще более серьезно на входах низкого уровня,поскольку там сигналы очень малы 6 .Если заземлить экран на обоих концах,то разность напряжений заземления появится в качестве сигнала на входе усилителя.Лучше всего отделить экран от заземления висточнике (рис.7).

Изолирующие усилители. Другим решением связанных с заземлением проблем является использование “изолирующего усилителя”.Изолирующие усилители-готовые устройства, предназначенные для передачи аналогового сигнала(с полосой частот,начинающейся от постоянного тока)от схемы с одним опорным уровнем заземления к другой схеме,имеющей совершенно другую землю(рис.8).На практике в некоторых экзотических ситуациях потенциалы этих “земель” могут отличаться на много киловольт.Применение изолирующих усилителей обязательно в медицинской электронике-там,где электроды прикладываются к телу человека,с тем,чтобы полностью изолировать такие контакты от измерительных схем,питающихся непосредственно от сети переменного тока.

Защита сигнала. Это также способ уменьшения эффектов входной емкости и утечек при малых сигналах и большом полном сопротивлении.Если мы работаем с сигналами от микроэлектродов или емкостных датчиков с внутренним полным сопротивлением в сотни мегаом,то даже входная емкость в несколько пикпфарад может в этом случае совместно с этим сопротивлением обрразовать фильтр нижних частот со спадом,начинающимся с нескольких герц.К тому же конечное значение сопротивления изоляции в соединительном кабеле легко может на порядки ухудшить рабочие параметры усилителя со сверхнизким током входного сигнала(ток смещения меньше пикоампера) за счет утечек.Обе эти проблемы решаются путем использования защитного электрода (рис.9).

Внутренний экран соединен с повторителем;это эффективно исключает токи и резистивных,и емкостных утечек за счет нулевой разности потенциалов между сигнальным прроводом и его окружением.Внешний заземленный экран предохраняет от помех защитный электрод;не доставляет хлопот работа повторителя на емкость и утечку между экранами,т.к. у повторителя малое полное выходное сопротивление.

Этот прием не следует применять чаще,чем это необходимо; имеет смысл ставить повторитель как можно ближе к источнику сигнала,защищая лишь небольшой отрезок кабеля,соединяющий сигнал после повторителя с его низким полным выходным сопротивлением к отдаленному усилителю можно и по обычному экранированному кабелю.

Глава 1.7. ЗАЗЕМЛЕНИЕ И ЗАЩИТНЫЕ МЕРЫ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ

1.7.93. Присоединение заземляющих и нулевых защитных проводников к частям оборудования, подлежащим заземлению или занулению, должно быть выполнено сваркой или болтовым соединением. Присоединение должно быть доступно для осмотра. Для болтового присоединения должны быть предусмотрены меры против ослабления и коррозии контактного соединения.

1.7.94. Каждая часть электроустановки, подлежащая заземлению или занулению, должна быть присоединена к сети заземления или зануления при помощи отдельного ответвления. Последовательное включение в заземляющий или нулевой защитный проводник заземляемых или зануляемых частей электроустановки не допускается.

Следует помнить что Россия стала, в начале ХХ1 века, членом МЭК. А там минимальное сечение главного эквипотенциального медного проводника не менее 10 мм кВ., медь.

Виды заземлений.

Одним из путей ослабления вредного влияния цепей заземления на системы автоматизации является раздельное выполнение заземлений для устройств, имеющих разную чувствительность к помехам или являющихся источниками помех разной мощности. Раздельное исполнение заземляющих проводников, позволяет выполнить их соединение с защитной землей в одной точке. При этом заземляющие проводники разных систем земель представляют собой лучи звезды, центром которой является контакт к шине защитного заземления здания, в наших случаях к главному эквипотенциальному проводнику, он идёт от шины заземления к комплексу оборудования. Благодаря такой топологии помехи "грязной" земли не протекают по проводникам "чистой" земли. Таким образом, несмотря на то, что системы заземления разделены и имеют разные названия, в конечном счете, все они соединены с Землей через систему защитного заземления. Исключение составляет только "плавающая" земля (см. ниже).

1. Защитное заземление. РЕ

От шины заземления здания, на корпус оборудования, медным многожильным проводом сечением не менее 10 мм.кв. .

2. Силовое заземление.

В системах автоматики могут использоваться электромагнитные реле, серводвигатели, электромагнитные клапаны и другие устройства, ток потребления которых, существенно превышает ток потребления модулей ввода-вывода и контроллеров. Цепи питания таких устройств выполняют отдельной парой свитых проводов (для уменьшения излучаемых помех), один из которых соединяется с шиной защитного заземления. Общий провод системы (обычно провод, подключенный к отрицательному выводу источника питания) является силовой землей.

3, 4. Аналоговая и цифровая земля.

Системы автоматики являются аналого-цифровыми. Поэтому одним из источников погрешностей аналоговой части является помеха, создаваемая цифровой частью системы. Для исключения прохождения помех через цепи заземления цифровую и аналоговую землю выполняют в виде несвязанных проводников, соединенных вместе только в одной общей точке. Для этого модули ввода-вывода и контроллеры имеют отдельные выводы аналоговой земли (AGND - "Analog GrouND") и цифровой (DGND - "Digital GrouND").

5. «Плавающая» земля.

"Плавающая" земля образуется в случае, когда общий провод небольшой части системы электрически не соединяется с шиной защитного заземления (т.е. с Землей). Типовыми примерами таких систем являются: батарейные измерительные приборы; системы автоматики автомобиля; самолета или космического корабля. "Плавающая" земля может быть получена и с помощью DC-DC или AC-DC преобразователей, если вывод вторичного источника питания в них не заземлен. Такое решение позволяет полностью исключить кондуктивные наводки через общий провод заземления. Кроме того, допустимое напряжение синфазного сигнала может достигать 300 Вольт и более; практически 100%-ным становится подавление синфазного сигнала, снижается влияние емкостных помех. Однако на высоких частотах токи через емкость на землю существенно снижают последние два достоинства.

Методы экранирования и заземления.

Гальванически связанные цепи

Техника заземления в системах автоматизации сильно различается для гальванически связанных и гальванически развязанных цепей. Большинство методов, описанных в литературе, относится к гальванически связанным цепям, доля которых в последнее время существенно уменьшилась в связи с резким падением цен на изолирующие DC-DCпреобразователи.

Общим правилом ослабления связи, через общий провод заземления, является деление земель на аналоговую, цифровую, силовую и защитную с последующим их соединением только в одной точке. При разделении заземлений, гальванически связанных цепей, используется общий принцип: цепи заземления с большим уровнем помех должны выполняться отдельно от цепей с малым уровнем помех, а соединяться они должны только в одной общей точке. Точек заземления может быть несколько, если топология такой цепи не приводит к появлению участков "грязной" земли в контуре, включающем источник и приемник сигнала, а также если в цепи заземления не образуются замкнутые контуры, по которым циркулирует ток, наведенный электромагнитной помехой.

Экранирование сигнальных кабелей.

Рассмотрим заземление экранов при передаче сигнала по витой экранированной паре, поскольку этот случай наиболее типичен для систем автоматизации

Оплетку кабеля надо заземлять со стороны источника сигнала. Если источник сигнала не заземлен (например, термопара), то заземлять экран можно с любой стороны, т.к. в этом случае замкнутый контур для тока помехи не образуется.

На частотах более 1 МГц увеличивается индуктивное сопротивление экрана и токи емкостной наводки создают на нем большое падение напряжения, которое может передаваться на внутренние жилы через емкость между оплеткой и жилами. Кроме того, при длине кабеля, сравнимом с длиной волны помехи (длина волны помехи при частоте 1 МГц равна 300 м, на частоте 10 МГц - 30 м) возрастает сопротивление оплетки, что резко повышает напряжение помехи на оплетке. Поэтому на высоких частотах оплетку кабеля надо заземлять не только с обеих сторон, но и в нескольких точках между ними. Эти точки выбирают на расстоянии 1/10 длины волны помехи одна от другой. При этом по оплетке кабеля будет протекать часть тока, передающего помеху в центральную жилу через взаимную индуктивность. Емкостной ток также будет протекать по пути, однако высокочастотная компонента помехи будет ослаблена. Выбор количества точек заземления кабеля зависит от разницы напряжений помехи на концах экрана, частоты помехи, требований к величине токов, протекающих через экран в случае его заземления.

В качестве промежуточного варианта можно использовать второе заземление экрана через емкость. При этом по высокой частоте экран получается заземленным с двух сторон, по низкой частоте - с одной. Это имеет смысл в том случае, когда частота помехи превышает 1 МГц, а длина кабеля в 10…20 раз меньше длины волны помехи, т.е. когда еще не нужно выполнять заземление в нескольких промежуточных точках. Величину емкости можно рассчитать по формуле. Например, на частоте 1 МГц конденсатор емкостью 0,1 мкФ имеет сопротивление 1,6 Ом. Конденсатор должен быть высокочастотным, с малой собственной индуктивностью.

ПРАВИЛЬНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ ЭКРАНА

Для качественного экранирования в широком спектре частот используют двойной экран. Внутренний экран заземляют с одной стороны, со стороны источника сигнала, чтобы исключить прохождение емкостной помехи, а внешний экран уменьшает высокочастотный наводки.

Поскольку даже при правильном заземлении, но длинном кабеле, помеха все равно проходит через экран, то для передачи сигнала на большое расстояние или при повышенных требованиях к точности измерений, сигнал лучше передавать в цифровой форме или через оптический кабель.

Гальванически развязанные цепи.

Заземление гальванически развязанных цепей

Применение гальванической изоляции позволяет разделить аналоговую и цифровую землю, а это, в свою очередь, исключает протекание по аналоговой земле токов помехи от силовой и цифровой земли. Аналоговая земля может быть соединена с защитным заземлением через сопротивление.

Монтажные панели, шкафы, щиты.

Монтаж панелей, шкафов автоматики должен учитывать всю вышеизложенную информацию. Однако заранее нельзя сказать однозначно, какие требования являются обязательными, какие - нет, поскольку набор обязательных требований зависит от требуемой точности измерений и от окружающей электромагнитной обстановки. Ниже на рисунке приведена правильная схема соединений.

Радикальные методы решения проблем заземления.

1. Используйте модули ввода-вывода только с гальванической развязкой.

2. Не применяйте длинных проводов от аналоговых датчиков. Располагайте модули ввода в непосредственной близости к датчику, а сигнал передавайте в цифровой форме. Используйте датчики с цифровым интерфейсом.

3. На открытой местности и при больших дистанциях используйте оптический кабель вместо медного.

4. Используйте только дифференциальные (не одиночные) входы модулей аналогового ввода.

5. Используйте в пределах вашей системы автоматизации отдельную землю из медной шины. 6. Аналоговую, цифровую и силовую землю системы соединяйте только в одной точке. Если этого сделать невозможно, используйте медную шину с большой площадью поперечного сечения для уменьшения сопротивления между разными точками подключения земель. 7. Следите, чтобы при монтаже системы заземления случайно не образовался замкнутый контур. 8. Не используйте, по возможности, землю, как уровень отсчета напряжения при передаче сигнала.

9. Если провод заземления не может быть коротким или если по конструктивным соображениям необходимо заземлить две части гальванически связанной системы в разных точках, то эти системы нужно разделить с помощью гальванической развязки.

10. Цепи, изолированные гальванически, нужно заземлять через большое сопротивление, чтобы избежать накопления статических зарядов.

11. Экспериментируйте и пользуйтесь приборами для оценки качества заземления. Допущенные ошибки видны не сразу.

13. Пытайтесь выделить самую мощную помеху и в первую очередь защищайтесь от нее.

14. Цепи с существенно различающейся мощностью следует заземлять группами, так, чтобы все группы имели примерно одинаковую мощность.

15. Заземляющие проводники с большим током должны проходить отдельно от чувствительных проводников с малым измерительным сигналом. Провод заземления должен быть по возможности прямым и коротким.

16. Не делайте полосу пропускания приемника сигнала шире, чем это надо из соображений точности измерений.

17. Используйте экранированные кабели, экран заземляйте в одной точке, со стороны источника сигнала на частотах ниже 1 МГц и в нескольких точках - на более высоких частотах.

18. Для особо чувствительных измерений используйте "плавающий" батарейный источник питания.

19. Экраны должны быть изолированными, чтобы не появилось случайных замкнутых контуров, а также электрическог

Подробно на: http://bookasutp.ru/

Заземление в промышленных сетях

Промышленная сеть на основе интерфейса RS-485 выполняется экранированной витой парой с обязательным применением модулей гальванической развязки. Для небольших расстояний (порядка 10 м) ,при отсутствии поблизости источников помех, экран можно не использовать. При больших расстояниях (стандарт допускает длину кабеля до 1,2 км) разница потенциалов земли, в удаленных друг от друга точках, может достигать несколько единиц и даже десятков вольт. Поэтому, чтобы предотвратить протекание по экрану тока, выравнивающего эти потенциалы, экран кабеля нужно заземлять только в одной точке (безразлично, в какой). Это также предотвратит появление замкнутого контура большой площади в цепи заземления, в котором за счет электромагнитной индукции может наводится ток большой величины при ударах молнии или коммутации мощных нагрузок. Этот ток, через взаимную индуктивность, наводит на центральной паре проводов э. д. с., которая может вывести из строя микросхемы драйверов порта.

При использовании неэкранированного кабеля, на нем может наводиться большой статический заряд (несколько киловольт) за счет атмосферного электричества, который может вывести из строя элементы гальванической развязки. Для предотвращения этого эффекта изолированную часть устройства гальванической развязки следует заземлить через сопротивление, например, 0,1...1 МОм (показано штриховой линией).

Особенно сильно проявляются описанные выше эффекты в сетях Ethernet с коаксиальным кабелем, когда при заземлении в нескольких точках (или отсутствии заземления), во время грозы, выходят из строя сразу несколько сетевых Ethernet-плат.

В сетях Ethernet с малой пропускной способностью (10 Mбит/с), заземление экрана следует выполнять только в одной точке. В Fast Ethernet (100 Мбит/с) и Gigabit Ethernet (1 Гбит/с) заземление экрана следует выполнять в нескольких точках, пользуясь рекомендациями раздел "Экранирование сигнальных кабелей"

Заземление на взрывоопасных объектах.

На взрывоопасных промышленных объектах (см. раздел "Автоматизация опасных объектов"), при монтаже цепей заземления многожильным проводом, не допускается применение пайки для спаивания жил между собой, поскольку вследствие хладотекучести припоя возможно ослабление мест контактного давления в винтовых зажимах.

Искробезопасные цепи должны быть смонтированы таким образом, чтобы наводки от внешних электромагнитных полей (например, от расположенного на крыше здания радиопередатчика, от воздушных линий электропередачи или близлежащих кабелей для передачи большой мощности) не создавали опасного напряжение или тока в искробезопасных цепях. Это может быть достигнуто экранированием или отдалением искробезопасных цепей от источника электромагнитной наводки.

При прокладке в общем пучке или канале кабели с искроопасными и искробезопасными цепями, должны быть разделены промежуточным слоем изоляционного материала или заземленной металлической перегородкой. Никакого разделения не требуется, если используются кабели с металлической оболочкой или экраном.

Заземленные металлические конструкции не должны иметь разрывов и плохих контактов между собой, которые могут искрить во время грозы или при коммутации мощного оборудования.

На взрывоопасных промышленных объектах используются преимущественно электрические распределительные сети с изолированной нейтралью, чтобы исключить возможность появления искры при коротком замыкании фазы на землю и срабатывания предохранителей защиты при повреждении изоляции.

Для защиты от статического электричества используют заземление, описанное в разделе "Статическое электричество". Статическое электричество может быть причиной воспламенения взрывоопасной смеси. Например, при емкости человеческого тела 100…400 пФ и потенциале заряда 1 кВ, энергия искрового разряда с тела человека будет равна 50…200 мкДж, что может быть достаточно для воспламенения взрывоопасной смеси группы IIC (60 мкДж).

Исполнительное оборудование и приводы.

Цепи питания двигателей с импульсным управлением, двигателей сервоприводов, исполнительных устройств с ШИМ-управлением, должны быть выполнены витой парой для уменьшения магнитного поля, а также экранированы для снижения электрической компоненты излучаемой помехи. Экран кабеля должен быть заземлен с одной стороны. Цепи подключения датчиков, таких систем, должны быть помещены в отдельный экран и по возможности пространственно отдалены от исполнительных устройств.

tagPlaceholder Тэги:

Козлов Александр Михайлович, US8IDZ

Заземление (зануление).

Говоря в общем, можно заметить, что великая и ужасная сила электричества давно описана, подсчитана, занесена в толстые таблицы. Нормативная база, определяющая пути синусоидальных электрических сигналов частоты 50 Гц способна ввергнуть любого неофита в ужас своим объемом. И, несмотря на это, любому завсегдатаю технических форумов давно известно - нет более скандального вопроса, чем заземление.

Масса противоречивых мнений на деле мало способствует установлению истины. Тем более, вопрос этот на самом деле серьезный, и требует более пристального рассмотрения.

Основные понятия

Если опустить вступление "библии электрика" (ПУЭ), то для понимания технологии заземления нужно обратиться (для начала) к Главе 1.7, которая так и называется "Заземление и защитные меры электробезопасности".

В п. 1.7.2. сказано:Электроустановки в отношении мер электробезопасности разделяются на:

электроустановки выше 1 кВ в сетях с эффективно заземленной нейтралью (с большими токами замыкания на землю), ;

электроустановки выше 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью (с малыми токами замыкания на землю);
электроустановки до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью;
электроустановки до 1 кВ с изолированной нейтралью.

В подавляющем большинстве жилых и офисных домов России используется глухозаземленная нейтраль. Пункт 1.7.4. гласит:

Глухозаземленной нейтралью называется нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (например, через трансформаторы тока).

Термин не совсем понятный на первый взгляд - нейтраль и заземляющее устройство на каждом шагу в научно-популярной прессе не встречаются. Поэтому, ниже все непонятные места будут постепенно объяснены.

При описании остальных вариантов устройств электроустановок проще всего поступить как в одном из вариантов инструкции на Роллс-Ройс - "если автомобиль сломался, Ваш водитель наверняка знает, что нужно делать". По крайней мере схемы, отличные от глухозаземленной нейтрали, встречаются при строительстве домашних сетей немногим чаще, чем Роллс-Ройсы на улицах.

Введем немного терминов - так можно будет по крайней мере говорить на одном языке. Возможно, пункты будут казаться "вытащенными из контекста". Но ПУЭ не художественная литература, и такое раздельное использование должно быть вполне обоснованно - как применение отдельных статей УК. Впрочем, оригинал ПУЭ вполне доступен как в книжных магазинах, так и в сети - всегда можно обратиться к первоисточнику.

1.7.6. Заземлением какой-либо части электроустановки или другой установки называется преднамеренное электрическое соединение этой части с заземляющим устройством.
1.7.7. Защитным заземлением называется заземление частей электроустановки с целью обеспечения электробезопасности.
1.7.8. Рабочим заземлением называется заземление какой-либо точки токоведущих частей электроустановки, необходимое для обеспечения работы электроустановки.
1.7.9. Занулением в электроустановках напряжением до 1 кВ называется преднамеренное соединение частей электроустановки, нормально не находящихся под напряжением, с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, с глухозаземленной средней точкой источника в сетях постоянного тока.
1.7.12. Заземлителем называется проводник (электрод) или совокупность металлически соединенных между собой проводников (электродов), находящихся в соприкосновении с землей.
1.7.16. Заземляющим проводником называется проводник, соединяющий заземляемые части с заземлителем.
1.7.17. Защитным проводником (РЕ) в электроустановках называется проводник, применяемый для защиты от поражения людей и животных электрическим током. В электроустановках до 1 кВ защитный проводник, соединенный с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора, называется нулевым защитным проводником.
1.7.18. Нулевым рабочим проводником (N ) в электроустановках до 1 кВ называется проводник, используемый для питания электроприемников, соединенный с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, с глухозаземленной точкой источника в трехпроводных сетях постоянного тока. Совмещенным нулевым защитным и нулевым рабочим проводником (РЕN ) в электроустановках до 1 кВ называется проводник, сочетающий функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников. В электроустановках до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью нулевой рабочий проводник может выполнять функции нулевого защитного проводника.

Рис. 4.5. Отличие защитного заземления и защитного "нуля"

Итак, прямо из терминов ПУЭ следует простой вывод. Различия между "землей" и "нулем" очень небольшие... На первый взгляд (сколько копий сломано на этом месте). По крайней мере, они обязательно должны быть соединены (или даже могут быть выполнены "в одном флаконе"). Вопрос только, где и как это сделано.

Попутно отметим п. 1.7.33.

Заземление или зануление электроустановок следует выполнять:

при напряжении 380 В и выше переменного тока и 440 В и выше постоянного тока - во всех электроустановках (см. также 1.7.44 и 1.7.48);
при номинальных напряжениях выше 42 В, но ниже 380 В переменного тока и выше 110 В, но ниже 440 В постоянного тока - только в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках.

Иначе говоря, заземлять или занулять устройство, подключенное к напряжению 220 вольт переменного тока совсем не обязательно. И в этом нет ничего особо удивительного - третьего провода в обычных советских розетках реально не наблюдается. Можно сказать, что вступающий на практике в свои права Евростандарт (или близкая к нему новая редакция ПУЭ) лучше, надежнее, и безопаснее. Но по старому ПУЭ у нас в стране жили десятки лет... И что особенно важно, дома строили целыми городами.

Однако, когда речь идет о заземлении, дело не только в напряжении питания. Хорошая иллюстрация этого - ВСН 59-88 (Госкомархитектуры) "Электрооборудование жилых и общественных зданий. Нормы проектирования" Выдержка из главы 15. Заземление (зануление) и защитные меры безопасности:

15.4. Для заземления (зануления) металлических корпусов бытовых кондиционеров воздуха, стационарных и переносных бытовых приборов класса I (не имеющих двойной или усиленной изоляции), бытовых электроприборов мощностью св. 1,3 кВт, корпусов трехфазных и однофазных электроплит, варочных котлов и другого теплового оборудования, а также металлических нетоковедущих частей технологического оборудования помещений с мокрыми процессами следует применять отдельный проводник сечением, равным фазному, прокладываемый от щита или щитка, к которому подключен данный электроприемник, а в линиях питающих медицинскую аппаратуру, - от ВРУ или ГРЩ здания. Этот проводник присоединяется к нулевому проводнику питающей сети. Использование для этой цели рабочего нулевого проводника запрещается.

Получается нормативный парадокс. Одним из видимых на бытовом уровне результатов стало комплектование стиральных машин "Вятка-автомат" моточком одножильного алюминиевого провода с требованием выполнить заземление (руками сертифицированного специалиста).

И еще один интересный момент:. 1.7.39. В электроустановках до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью или глухозаземленным выводом источника однофазного тока, а также с глухозаземленной средней точкой в трехпроводных сетях постоянного тока должно быть выполнено зануление. Применение в таких электроустановках заземления корпусов электроприемников без их зануления не допускается.

Практически это означает - хочешь "заземлить" - сначала "занули". Кстати, это имеет прямое отношение к знаменитому вопросу "забатареивания" - которое по совршенно непонятной причине ошибочно считается лучше зануления (заземления).

Параметры заземления

Следующий аспект, которые необходимо рассмотреть - числовые параметры заземления. Так как физически это не более чем проводник (или множество проводников), то главной его характеристикой будет сопротивление.

1.7.62. Сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединены нейтрали генераторов или трансформаторов или выводы источника однофазного тока, в любое время года должно быть не более 2, 4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока. Это сопротивление должно быть обеспечено с учетом использования естественных заземлителей, а также заземлителей повторных заземлений нулевого провода ВЛ до 1 кВ при количестве отходящих линий не менее двух. При этом сопротивление заземлителя, расположенного в непосредственной близости от нейтрали генератора или трансформатора или вывода источника однофазного тока, должно быть не более: 15, 30 и 60 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока.

Для меньшего напряжения допустимо большее сопротивление. Это вполне понятно - первая цель заземления - обеспечить безопасность человека в классическом случае попадания "фазы" на корпус электроустановки. Чем меньше сопротивление, тем меньшая часть потенциала может оказаться "на корпусе" в случае аварии. Следовательно, в первую очередь нужно снижать опасность для более высокого напряжения.

Дополнительно нужно учитывать, что заземление служит и для нормальной работы предохранителей. Для этого необходимо, что бы линия при пробое "на корпус" существенно изменяла свойства (прежде всего сопротивление), иначе срабатывания не произойдет. Чем больше мощность электроустановки (и потребляемое напряжение), тем ниже ее рабочее сопротивление, и соответственно должно быть ниже сопротивление заземления (иначе при аварии предохранители не сработают от незначительного изменения суммарного сопротивления цепи).

Следующий нормируемый параметр - сечение проводников.1.7.76. Заземляющие и нулевые защитные проводники в электроустановках до 1 кВ должны иметь размеры не менее приведенных в табл. 1.7.1 (см. также 1.7.96 и 1.7.104) .

Приводить всю таблицу не целесообразно, достаточно выдержки:

Для неизолированных медных минимальное сечение составляет 4 кв. мм, для алюминиевых - 6 кв. мм. Для изолированных, соответственно, 1,5 кв. мм и 2,5 кв. мм. Если заземляющие проводники идут в одном кабеле с силовой проводкой, их сечение может составлять 1 кв. мм для меди, и 2,5 кв. мм для алюминия.

Заземление в жилом доме

В обычной "бытовой" ситуации пользователи электросети (т.е. жильцы) имеют дело только с Групповой сетью (7.1.12 ПУЭ. Групповая сеть - сеть от щитков и распределительных пунктов до светильников, штепсельных розеток и других электроприемников ). Хотя в старых домах, где щитки установлены прямо в квартирах, им приходится сталкиваться с частью Распределительной сети (7.1.11 ПУЭ. Распределительная сеть - сеть от ВУ, ВРУ, ГРЩ до распределительных пунктов и щитков ). Это желательно хорошо понимать, ведь часто "ноль" и "земля" отличаются только местом соединения с основными коммуникациями.

Из этого в ПУЭ сформулировано первое правило заземления:

7.1.36. Во всех зданиях линии групповой сети, прокладываемые от групповых, этажных и квартирных щитков до светильников общего освещения, штепсельных розеток и стационарных электроприемников, должны выполняться трехпроводными (фазный - L , нулевой рабочий - N и нулевой защитный - РЕ проводники). Не допускается объединение нулевых рабочих и нулевых защитных проводников различных групповых линий. Нулевой рабочий и нулевой защитный проводники не допускается подключать на щитках под общий контактный зажим.

Т.е. от этажного, квартирного или группового щитка нужно прокладывать 3 (три) провода, один из которых защитный нуль (совсем не земля). Что, впрочем, вовсе не мешает использовать ее для заземления компьютера, экрана кабеля, или "хвостика" грозозащиты. Вроде бы все просто, и не совсем понятно, зачем углубляться в такие сложности.

Можно посмотреть на свою домашнюю розетку... И с вероятностью около 80% не увидеть там третьего контакта. Чем отличается нулевой рабочий и нулевой защитный проводники? В щитке они соединяются на одной шине (пусть не в одной точке). Что будет, если использовать в данной ситуации рабочий ноль в качестве защитного?

Предполагать, что нерадивый электрик перепутает в щитке фазу и ноль, сложно. Хоть этим постоянно пугают пользователей, но ошибиться невозможно в любом состоянии (хотя бывают уникальные случаи). Однако "рабочий ноль" идет по многочисленным штробам, вероятно проходит через несколько распределительных коробочек (обычно небольшие, круглые, смонтированы в стене недалеко от потолка).

Перепутать фазу с нулем там уже намного проще (сам это делал не раз). А в результате на корпусе неправильно "заземленого" устройства окажется 220 вольт. Или еще проще - отгорит где-то в цепи контакт - и почти те же 220 пройдут на корпус через нагрузку электропотребителя (если это электроплита на 2-3 кВт, то мало не покажется).

Для функции защиты человека - прямо скажем, никуда не годная ситуация. Но для подключения заземления грозозащиты типа APC не фатальная, так как там установлена высоковольтная развязка. Однако рекомендовать такой способ было бы однозначно неправильно с точки зрения безопасности. Хотя надо признать, что нарушается эта норма очень часто (и как правило без каких-либо неблагоприятных последствий).

Надо отметить, что грозозащитные возможности рабочего и защитного нуля примерно равны. Сопротивление (до соединительной шины) отличается незначительно, а это, пожалуй, главный фактор, влияющий на стекание атмосферных наводок.

Из дальнейшего текста ПУЭ можно заметить, что к нулевому защитному проводнику нужно присоединять буквально все, что есть в доме:

7.1.68. Во всех помещениях необходимо присоединять открытые проводящие части светильников общего освещения и стационарных электроприемников (электрических плит, кипятильников, бытовых кондиционеров, электрополотенец и т.п.) к нулевому защитному проводнику.

Вообще, это проще представить следующей иллюстрацией:

Рис. 4.6. Схема заземления.

Картина довольна необычная (для бытового восприятия). Буквально все, что есть в доме, должно быть заземлено на специальную шину. Поэтому может возникнуть вопрос - ведь жили без этого десятки лет, и все живы-здоровы (и слава Богу)? Зачем все так серьезно менять? Ответ простой - потребителей электричества становится больше, и они все мощнее. Соответственно, риски поражения вырастают.

Но зависимость безопасности и стоимости величина статистическая, и экономию никто не отменял. Поэтому слепо класть по периметру квартиры медную полосу приличного сечения (вместо плинтуса), заводя на нее все, вплоть до металлических ножек стула, не стоит. Как не стоит ходить в шубе летом, и постоянно носить мотоциклетный шлем. Это уже вопрос адекватности.

Так же в область ненаучного подхода стоит отнести самостоятельное рытье траншей под защитный контур (в городском доме кроме проблем это заведомо ничего не принесет). А для желающих все же испытать все прелести жизни - в первой главе ПУЭ есть нормативы на изготовление этого фундаментального сооружения (в совершено прямом смысле этого слова).

Подводя итоги вышесказанному, можно сделать следующие практические выводы:

Если Групповая сеть выполнена тремя проводами, для заземления/зануления можно использовать защитный ноль. Он, собственно, для того и придуман.
Если Групповая сеть выполнена двумя проводами, желательно завести защитный нулевой провод от ближайшего щитка. Сечение провода должно быть более, чем фазного (точнее можно справиться в ПУЭ).

При двухпроводной сети нельзя заземлять корпус устройства на рабочий ноль. В крайнем случае, и соблюдая осторожность, можно так заземлить выводы грозозащиты с высоковольтной развязкой.

На этом можно было бы закончить изложение, если бы сеть располагалась в пределах одного здания (вернее, одной комнаты с единой шиной). Реально домашние сети имеют большие воздушные пролеты (и что самое неприятное, выполнены на приличной высоте). Поэтому нужно отдельно и подробно рассмотреть вопрос молниезащиты.

Молниезащита кабелей.

Можно сформулировать основную задачу. Это, во-первых, защитить сеть от грозы (в основном атмосферных электрических разрядов), во-вторых, сделать это, не принеся вреда существующей электрической разводке (и подключенным к ней потребителям). При этом часто приходится решать "сопутствующую" задачу приведения в нормальное состояние заземления и устройства выравнивания потенциалов в реальной распределительной сети.

Основные понятия.

Если говорить о документах, то молниезащита должна соответствовать РД 34.21.122-87 "Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений" и ГОСТ Р 50571.18-2000, ГОСТ Р 50571.19-2000, ГОСТ Р 50571.20-2000.

Вот термины:

Прямой удар молнии - непосредственный контакт канала молнии с зданием или сооружением, сопровождающийся протеканием через него тока молнии.
Вторичное проявление молнии - наведение потенциалов на металлических элементах конструкции, оборудования, в незамкнутых металлических контурах, вызванное близкими разрядами молнии и создающее опасность искрения внутри защищаемого объекта.
Занос высокого потенциала - перенесение в защищаемое здание или сооружение по протяженным металлическим коммуникациям (подземным и наземным трубопроводам, кабелям и т.п.) электрических потенциалов, возникающих при прямых и близких ударах молнии и создающих опасность искрения внутри защищаемого объекта.

От прямого удара молнии защититься сложно и дорого. Над каждым кабелем громоотвод не поставить (хотя можно полностью перейти на оптоволокно с неметаллическим несущим тросом). Остается надеяться на ничтожную вероятность такого неприятного события. И мириться с шансом испарения кабеля и полного выгорания оконечного оборудования (вместе с защитами).

С другой стороны, занос высокого потенциала не слишком опасен, конечно, для жилого дома, а не порохового склада. Действительно, длительность наведенного молнией импульса - много менее секунды (в качестве тестового обычно принимают 60 миллисекунд, или 0,06 секунды). Сечение проводников витой пары - 0,4 мм. соответственно, для заноса большой энергий потребуется напряжение очень большой величины. Такое, к сожалению, бывает - так же как вполне реально прямое попадание молнии в крышу дома.

Повредить типичный силовой источник питания коротким высоковольтным всплеском малореально. Трансформатор его просто не пропустит дальше первичной обмотки. Да и у импульсного преобразователя есть достаточная защита.

В качестве примера можно привести силовую проводку в сельской местности - где кабеля подходят к зданию по воздуху, и конечно, подвергаются значительным наводкам во время гроз. Никакой особой защиты при этом обычно не предусматривается (кроме плавких предохранителей или искровых промежутков). Но случаи выхода из строя электроприборов не слишком распространены (хотя бывают чаще, чем в городе).

Система выравнивания потенциалов.

Таким образом наибольшую практическую опасность представляет вторичные проявления молнии (иначе говоря наводки). При этом поражающими факторами будут:

возникновение высокой разности потенциалов между токопроводящими частями сети;
наведение высоких напряжений в длинных проводниках (кабелях)

Защитой от этих факторов служат, соответственно:

выравнивание потенциалов всех токопроводящих частей (в простейшем случае - соединение в одной точке), и малое сопротивление заземляющего контура;
экранирование защищаемых кабелей.

Начнем с описания системы уравнивания потенциалов - как с того фундамента, без которого применение любых защитных устройств не даст положительного результата.

7.1.87. На вводе в здание должна быть выполнена система уравнивания потенциалов путем объединения следующих проводящих частей:

основной (магистральный) защитный проводник;
основной (магистральный) заземляющий проводник или основной заземляющий зажим;
стальные трубы коммуникаций зданий и между зданиями;
металлические части строительных конструкций, молниезащиты, системы центрального отопления, вентиляции и кондиционирования. Такие проводящие части должны быть соединены между собой на вводе в здание.
Рекомендуется по ходу передачи электроэнергии повторно выполнять дополнительные системы уравнивания потенциалов.

7.1.88. К дополнительной системе уравнивания потенциалов должны быть подключены все доступные прикосновению открытые проводящие части стационарных электроустановок, сторонние проводящие части и нулевые защитные проводники всего электрооборудования (в том числе штепсельных розеток)...

Схематически заземление экрана кабеля, грозозащит и активного оборудования по новой редакции ПУЭ должно производиться следующим образом:

Рис. 4.7. Заземление экранов кабелей, грозозащит и активного оборудования по новой редакции ПУЭ.

В то время как старая редакция предусматривала такую схему:

Рис. 4.8. Заземление экранов кабелей, грозозащит и активного оборудования в старой редакции ПУЭ.

Отличия, при всей внешней незначительности, достаточно принципиальны. Например, для эффективной грозозащиты активного оборудования желательно, что бы все потенциалы колебались вокруг единой "земли" (причем имеющей низкое сопротивление заземлителя).

Увы, слишком мало пока в России построено зданий по новому, более эффективному ПУЭ. И можно твердо сказать - "земли" в наших домах нет.

Что делать в этом случае? Вариантов два - переделывать всю сеть электроснабжения дома (нереальный вариант), либо грамотно использовать то, что есть в наличии (но при этом помнить, к чему надо стремиться).

Заземление кабелей и оборудования.

С заземлением активного оборудования сложностей обычно не бывает. Если оно промышленной серии, то наверняка имеет для этого специальную клемму. Хуже с недорогими настольными моделями - в них понятия "земли" просто нет (и заземлять, соответственно, нечего). И больший риск повреждения сполна компенсируется низкой стоимостью.

Вопрос кабельной инфраструктуры значительно сложнее. Единственный элемент кабеля, который можно заземлить без потерь полезного сигнала - это экран. Целесообразно ли использовать такие кабеля для прокладок "воздушек"? Для ответа мне бы хотелось просто привести длинную цитату:

В 1995 году независимой лабораторией была проведена серия сравнительных испытаний экранированной и неэкранированной кабельных систем. Аналогичные тесты проводились также осенью 1997 года. Контролируемый отрезок кабеля длиной 10 метров прокладывался в защищенной от внешних помех эхопоглощающей камере. Одно окончание линии подключалось к сетевому концентратору 100Base-T, а второе - к сетевому адаптеру персонального компьютера. Контрольная часть кабеля подвергалась воздействию наводок напряженностью поля 3 В/м и 10 В/м в диапазоне частот от 30 МГц до 200 МГц. Были получены два существенных результата.

Во-первых, уровень наводок в неэкранированном кабеле категории 5 оказался большим в 5-10 раз, чем в экранированном при напряженности радиочастотного поля 3 В/м. Во-вторых, при отсутствии сетевого трафика, концентратор сети, выполненной на неэкранированном кабеле, показал на некоторых частотах загрузку сети более 80%. Уровень сигналов протокола 100Base-T на частотах свыше 60 МГц очень мал, но очень важен для восстановления формы сигнала. Однако, даже при наличии помех на частоте свыше 100 МГц неэкранированная система не выдержала испытаний. При этом отмечалось снижение скорости передачи данных на два порядка.

Экранированные кабельные системы выдержали все испытания, однако для их успешного функционирования чрезвычайно важно наличие эффективного заземления.

Тут нужно сделать важное замечание. В традиционных СКС заземление выполняется по всей длине линии - непрерывно от одного порта активного оборудования до другого (хотя по идее, должно быть предусмотрено заземление в одной точке). Нормально заземлить большую распределенную сеть чрезвычайно сложно, и большинство инсталляторов не использует экранированные кабеля принципиально.

В "домашних" сетях нужно говорить не о заземлении сети, а о заземлении отдельных линий. Т.е. можно представить каждую отдельную линию как неэкранированную витую пару, проложенную в металлической трубе (ведь цель экрана защита "воздушной" части линии).

Это сильно упрощает дело. Как следствие, использование экранированного кабеля более чем целесообразно. Но только при хорошем заземлении при вводе в здание. Желательно сделать это с двух сторон по следующему правилу:

Рис. 4.9. Заземление экрана кабеля.

В идеале желательно провести заземление отдельным проводом приличного сечения до подвала дома и присоединить его там прямо к шине выравнивателя потенциалов. Однако практически достаточно использовать ближайший защитный ноль. При этом эффективность грозозащиты сети снижается, но не слишком значительно, только незначительно (скорее в теории, чем на практике) увеличивается вероятность повреждения электропотребителей в доме занесенным потенциалом.

Дополнительно:

Ф.И. Седельников

Безопасность Жизнидеятельности (охрана труда)

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

218. Области применения защитного заземления и зануления. Допустимые величины сопротивления заземляющих устройств

Согласно ГОСТ 12.1.030-81* и ПУЭ защитное заземление и зануление требуется выполнять при напряжении 380 В и выше переменного тока и от 110 до 440 В постоянного тока при работах в условиях повышенной опасности и особо опасных (ГОСТ 12.1.013-78). Величины сопротивления защитного заземления установлены ПУЭ. Электроустановки от 110 до750 кВ должны иметь защитное заземление сопротивлением не более 0,5 Ома, а на территории, занятой оборудованием, должно быть выполнено выравнивание потенциалов.

В электрических установках выше 1000 В в сети с изолированной нейтралью сопротивление заземлителя должно быть: R з = 250/J з, где J з - расчетная сила тока замыкания на землю, А. Если используется одновременно электрическая установка до 1000 В, то: R з = 125/J з

В электрических установках до 1000 В в сети с заземленной нейтралью, или заземленным выводом однофазного источника питания, а также с заземленной средней точкой в 3-х проводных сетях постоянного тока должно быть выполнено зануление.

При этом проводники должны быть выбраны таким образом, чтобы при замыкании на корпус или нулевой проводник возникал ток короткого замыкания, обеспечивающий отключение автомата или плавление плавкой вставки ближайшего предохранителя. В цепях зануления не должно быть разъединителей и предохранителей.

Сопротивление заземляющих устройств, к которым присоединены нейтрали трансформаторов (генераторов) или выводы источника однофазного тока, должны быть не более 2, 4 и 8 Ом соответственно при 380 , 220 и 127 В источника однофазного тока.

В электрических установках до 1000 В в сети с изолированной нейтралью или с изолированными выводами однофазного источника защитное заземление должно быть в сочетании с контролем сопротивления изоляции.

Величина сопротивления заземляющего устройства должна быть не более 10 Ом при мощности до 100 кВА и 4-х Ом соответственно более 100 кВА. Таким образом, защитное заземление применяется в сетях выше 1000 В с изолированной нейтралью или заземленной нейтралью, а в сетях до 1000 В - в сетях с изолированной нейтралью; зануление применяется в 4-х проводных сетях напряжением до 1000 В с заземленной нейтралью.

Основным назначением защитного заземления и зануления является обеспечение срабатывания максимально-токовой защиты при замыкании на корпус или землю.

Необходимо иметь в виду, что при двойном замыкании на землю (двух фаз в разных точках) эффективность защитного заземления снижается, так как напряжение заземленных корпусов относительно земли будет частью линейного - пропорционально сопротивлениям заземлителей. Зануление не обеспечивает безопасность, если человек не может самостоятельно освободиться от воздействия тока до момента полного отключения сети.

Кроме того, зануление способствует выносу потенциала по нулевому проводнику на доступные к прикосновению проводящие части неповрежденного оборудования. Оно не защищает, если произойдет замыкание фазы на землю, минуя корпус, и переходное сопротивление в месте замыкания будет малым.

Опасно наличие зануления при обрыве нулевого проводника, когда все корпуса электроприемников за точкой обрыва могут оказаться под напряжением.

Размещено 10.05.2008 (актуально до 23.03.2013)

к.т.н. Дмитриев М.В. (ЗАО "Завод энергозащитных устройств"),

д.т.н. Евдокунин Г.А. (СПбГПУ)

Введение

В последнее время силовые кабели высокого напряжения 110-500 кВ современных конструкций все более широко используются для передачи и распределения электроэнергии, особенно в крупных городах на промышленных предприятиях, где уровень электропотребления, плотность нагрузки весьма значительны.

Высокий уровень напряжения токопроводящей жилы кабеля приводит к необходимости использования металлического экрана. Основным назначением металлического экрана является устранение электрического поля на поверхности кабеля. Для снижения напряжения на экране выполняется его заземление одной или нескольких точках.

Способ заземления экрана кабеля влияет:

На электрические потери кабеле (экране), а значит на его тепловой режим пропускную способность;

На величину напряжения на экране нормальных аварийных режимах, т.е. на надежность работы кабеля безопасность его обслуживания;

На основные электрические параметры кабеля (активное индуктивное сопротивления).

Экраны кабелей изоляцией из сшитого полиэтилена выполнены из хорошо проводящего материала (алюминия или меди); их заземление более чем одной точке ведет появлению значительных токов, сопоставимых током жилы кабеля. Если по условиям ограничения напряжения на экране обязательно его заземление нескольких точках, то для снижения токов экранах при трехфазной группе однофазных кабелей может быть применена транспозиция экранов.

В статье рассмотрены вопросы заземления экранов таких однофазных кабелей; получены аналитические выражения для токов напряжений на экранах кабеля, позволяющие обосновать необходимость транспозиции экранов выбрать число циклов транспозиции. Кроме того, здесь представлены формулы для определения продольных активных индуктивных сопротивлений кабелей (прямой нулевой последовательностей), которые необходимы расчетах нормальных режимов при анализе токов короткого замыкания сети.

Существуют достаточно точные формулы для расчета погонных параметров кабелей, конструкция которых приведена на рис.1, том числе учетом взаимного пофазного влияния при их трехфазном исполнении при прокладке земле, также учетом частотных зависимостей этих параметров. Точные формулы впервые встречаются зарубежной публикации «Transient 2 analysis of underground power transmission systems» авторов Wedepohl L.M., Welcox D.J. (Proc. Inst. El. Eng., 1973, vol.120, N2, pp.253-260). Однако они сложны и без специальных компьютерных программ по их расчету неудобны в использовании.

Ниже статье приведены формулы для погонных параметров кабелей при их упрощенном точном определении, а также дана методика расчета токов напряжений установившихся квазиустановившихся режимах. Отмечается, что аналитические расчеты с использованием предлагаемых упрощений дают хорошее совпадение результатами, использующими точные параметры, кроме того, они подтверждаются расчетами, полученными при подробном компьютерном моделировании процессов известном канадско-американском программном комплексе EMTP-ATP (Electromagnetic Transients Program, www.emtp.org).

Важным является вопрос обеспечения защиты изоляции кабеля от грозовых иных перенапряжений. Для защиты изоляции «жила-экран» применяются типовые ОПН соответствующего класса напряжения сети, для защиты изоляции «экран-земля» применяются ОПН специального типа, устанавливаемые незаземленных концах экранов узлах транспозиции. Выбор характеристик перечисленных ОПН, частности, базируется на результатах расчетов напряжений промышленной частоты на изоляции экрана, которые можно выполнить по предлагаемой статье методике или использованием EMTP. Однако, полном объеме вопросы определения характеристик ОПН здесь не рассматриваются, их предполагается обсудить специальной статье.

1. Упрощенная расчетная методика

Получим расчетные выражения для параметров кабелей, основываясь на известных формулах для собственных взаимных погонных активно-индуктивных сопротивлений многопроводной системы провода-земля. Провода (жилы экраны) предполагаются находящимися воздухе над землей. В этом случае расстояние до земли не имеет значения, т.к. для расчетов режимов на промышленной частоте 50 Гц «обратные провода» находятся от реальных на расстоянии D3, составляющем сотни метров.

Расстояние D3, а также активное сопротивление земли, можно R3 определять упрощенно (например, по Рюденбергу, табл.2). При вычислении емкостных параметров кабелей они предполагаются, как это имеет место, находящимися под землей (глубина залегания здесь не имеет значения).

Рис.1. Однофазный кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена

Табл.1. Основные используемые обозначения

При определении параметров кабеля (табл.2-3) были сделаны следующие допущения:

1. геометрия расположения пространстве трехфазной системы кабелей такова, что s >> r 3 ;

2. если фазы кабеля расположены вершинах равностороннего треугольника, т.е. виде «трилистника», то

; если фазы кабеля расположены на одном уровне («flat-расположение»),

, то при транспозиции жил кабеля

3. экран кабеля упрощенно считаем таким, что ; это позволяет 3 пренебречь конечной толщиной экрана и в расчетах использовать лишь его внутренний радиус;

4. пренебрегаем токами смещения земле;

5. пренебрегаем эффектом близости на промышленной частоте, считая активные сопротивления жил экранов как на постоянном токе.

Табл.2. Основные электрические параметры кабеля

Табл.3. Собственные и взаимные погонные сопротивления кабеля, выражаемые комплексными числами (j - мнимая единица)

Падения напряжений вдоль жил и экранов кабелей связаны с токами в них следующей системой уравнений:

В системе всего 6 уравнений, относительно 6-ти напряжений и 6-ти токов, следовательно, необходимо задать дополнительно еще 6 величин: падения напряжений (или токи) и (или) граничные условия. В правой части системы (1) сомножителями у токов выступают полные сопротивления кабеля, определяемые произведением соответствующих погонных сопротивлений (по табл.3) на длину кабеля l .

Для определения погонных продольных активно-индуктивных сопротивлений трехфазной системы однофазных кабелей токам прямой и нулевой последовательностей, которые используются в расчетах нормальных и аварийных режимов работы сети, необходимо указать состояние экрана кабеля (граничные условия), от которого эти параметры зависят (табл.4):

Табл.4. Состояние экрана и граничные условия

Примечания.

1. В п. 2 таблицы пренебрегаем емкостными токами в начале кабеля.

2. В п. 3, 4 пренебрегаем сопротивлениями заземления экрана.

3. В п. 4 необходимо учесть граничные условия для токов в узлах транспозиции, для чего система (1) записывается для каждого участка между узлами транспозиции (т.е. 3 раза при N =1), и токи в экранах (а также напряжения) в конце участка приравниваются токам (и напряжениям) в начале другого участка в соответствии с рисунком.

После задания граничных условий искомые параметры из (1) находятся путем указания некоторых дополнительных условий, характеризующих решаемую задачу. Так, например, если трехфазная система падений напряжений, приложенных к жилам, образует систему прямой последовательности, то при оговоренных условиях мы имеем полное основание считать, что токи в жилах и экранах также образуют системы прямой последовательности, а тогда дополнительные условия будут выглядеть так, как показано в первой строке табл. 5. Так как искомые сопротивления прямой последовательности находятся путем деления падения напряжения в фазе А на ток в этой фазе, то двух указанных условий достаточно. Аналогичные рассуждения приводят к формулировкам дополнительных условий во 2-3-ей строках табл. 5.

Окончательные формулы для расчетов продольных активно-индуктивных параметров трехфазного кабеля по прямой и нулевой последовательностям приведены в табл.6.

Табл.5. Дополнительные условия для нахождения параметров трехфазного кабеля и расчетов некоторых режимов с помощью системы (1)

Табл.6. Формулы для расчетов продольных параметров кабеля по прямой и нулевой последовательностям

Напряжения (табл.7) и токи (табл.8) в экранах кабеля определены в двух расчетных случаях: в нормальном симметричном установившемся режиме работы и в аварийном квазиустановившемся режиме однофазного короткого замыкания в сети вне кабеля.

С помощью табл.7 можно вычислить напряжение на экране кабеля относительно земли, для чего:

Коэффициент в строке 1 надо умножить на фазное значение напряжения сети, питающей кабель (U Ж);

Коэффициенты в строках 2-4 надо умножить на длину кабеля l и ток I Ж, протекающий в его жиле (в нормальном режиме – это ток нагрузки, ав аварийном режиме – ток однофазного короткого замыкания сети).

Табл.7а. Напряжение (В), наводимое на экран кабеля относительно земли в нормальном режиме работы

Табл.7б. Напряжение (В), наводимое на экран кабеля относительно земли в аварийном режиме однофазного короткого замыкания вне кабеля

Табл.8. Токи в экранах фаз кабеля

В качестве примера рассмотрим определение требуемого числа циклов транспозиции экранов для системы из трех однофазных кабелей 110 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена марки 2 ?S(FL)2Y1 ?1000 RMS/185+FO64/110/123kV длиной 8.1 км.

Параметры кабеля:

Если экран не заземлять, то по формулам табл.7 на нем относительно земли будет 20% фазного напряжения сети, что недопустимо. Если экран заземлить только на одном из концов кабеля, то:

В нормальном режиме (по формулам табл.7а) на разомкнутом конце получим напряжение 0.88 В на один Ампер тока в жиле; при токе в жиле 1000 А получим напряжение на экране 880 В, что допустимо для изоляции экрана (но недопустимо для персонала в случае возможности прикосновения к экрану);

В аварийном режиме (по формулам табл.7б) на разомкнутом конце получим напряжение 5.8 В на один Ампер тока в жиле; даже при токе короткого замыкания всего 10 кА имеем напряжение около 58 кВ, что недопустимо для изоляции экрана, т.е., очевидно, требуется заземление экрана на обоих концах кабеля.

Если экран кабеля заземлен на обоих его концах, то (по формулам табл.8) получим ток в экране кабеля , т.е. в экране кабеля протекает ток, сопоставимый с током жилы, что недопустимо, учитывая малое сечение экрана (185 мм 2) по сравнению с сечением жилы (1000 мм 2). Следовательно, для рассматриваемого кабеля необходима транспозиция экранов.

Согласно табл.8 в случае транспозиции экранов в нормальном режиме работы тока в экране нет (есть емкостный ток, составляющий единицы ампер). При внешнем однофазном коротком замыкании (согласно табл.8) в экранах трех фаз кабеля протекают равные токи, каждый из которых составляет приблизительно треть от тока короткого замыкания, протекающего в жиле кабеля аварийной фазы сети.

Из табл.7а,б следует, что напряжение на экране относительно земли в узле транспозиции:

В нормальном режиме составляет 0.292 В на один Ампер тока жилы; при токе 1000 А получим напряжение 292 В, которое допустимо для изоляции экрана;

В аварийном режиме составляет 0.195 В на один Ампер тока жилы; при токе короткого замыкания 20 кА получим напряжение 3.8 кВ, которое допустимо для изоляции экрана и допустимо для ОПН, установленных между экраном и землей в узлах транспозиции для защиты изоляции экран-земля от перенапряжений.

Полученные результаты хорошо согласуются с расчетами, выполненными при подробном моделировании процессов в программном комплексе EMTP. Учитывая результаты аналитических и компьютерных расчетов, требуемая схема соединения экранов рассмотренного кабеля длиной 8.1 км приведена на рис.2.

Рис.2. Схема соединения экранов группы из трех однофазных кабелей 110 кВ длиной 8.1 км с изоляцией из сшитого полиэтилена

В том случае, если бы ток короткого замыкания составлял, например, 40 кА, напряжение в узле транспозиции в аварийном режиме было бы 7.6 кВ, что недопустимо для ОПН, характеристики которого согласованы с прочностью изоляции экрана и не могут быть изменены. Поэтому потребовался бы не один, а два цикла транспозиции.

2. Погонные параметры кабелей с учетом их зависимости от частоты и реального геометрического расположения в земле

Вывод формул для погонных параметров, приведенных в отмечавшейся ранее зарубежной публикации, основан на следующих допущениях:

1. Кабельная линия состоит из металлических проводников, оси которых взаимно параллельны и параллельны поверхности земли.

2. Эти кабельные линии вдоль своих осей однородны.

3. Для рассматриваемых линий пренебрегаем распространением электрического поля в радиальном направлении в земле.

Погонные продольные параметры представлены сопротивлениями , формулы для вычисления которых в диапазоне относительно низких частот (единицы тысяч Гц) приведены в табл.9.

Табл.9. Основные электрические погонные параметры кабеля

Заземление силовых кабелей. Библия заземления

3.5.1. Гальванически связанные цепи

3.5.2. Экранирование сигнальных кабелей

3.5.4. Экраны кабелей на электрических подстанциях

3.5.5. Экраны кабелей для защиты от молнии

3.5.6. Заземление при дифференциальных измерениях

3.5.7. Интеллектуальные датчики

3.5.9. Распределенные системы управления

3.5.10. Чувствительные измерительные цепи

3.5.11. Исполнительное оборудование и приводы

Заземление в промышленных сетях

3.5.12. Заземление на взрывоопасных объектах

3.6. Гальваническая развязка

Методы экранирования и заземления.

Экранирование сигнальных кабелей.

Гальванически развязанные цепи.

Монтажные панели, шкафы, щиты.

Радикальные методы решения проблем заземления.

19. Экраны должны быть изолированными, чтобы не появилось случайных замкнутых контуров, а также электрическог

Подробно на: http://bookasutp.ru/

Заземление в промышленных сетях

Заземление на взрывоопасных объектах.

Исполнительное оборудование и приводы.

Читайте также

К чему снится леопард. К чему снится Леопард

Ну и первый вопрос: Как и где рисовать руны на теле

Значение фигур при гадании

THE BELL