Фаза, ноль и заземление: понятие, связь и практическое применение в электротехнике

С терминами «фаза», «земля», «ноль» сталкивался любой человек, который имеет хотя бы базовые понятия электротехники и, хотя бы косвенно, связан с этой сферой деятельности. Но даже относительно опытные специалисты не всегда чётко представляют себе, какие функции выполняют эти компоненты электрической сети.

Содержание

• 1 Как устроена трёхфазная электрическая сеть
• 2 Как образуется однофазная сеть 220 В
• 3 Практические аспекты использования нулевого и защитного проводников

Как устроена трёхфазная электрическая сеть

Практически любая сеть до 1000 В, включая бытовые сети электроснабжения, базируется на трёхфазной системе с глухозаземленной нейтралью. В её «голове» находится трёхфазный трансформатор (или генератор), обмотки которого (вторичные для трансформатора) соединены в «звезду»:

• концы всех обмоток соединяются в одной точке, образуя нейтраль, и заземляются;
• противоположные концы обмоток выводятся наружу – с них снимается электрическая мощность;
• наружу выводится и провод, соединённый с нейтралью «звезды» — этот провод называется нулевым (или нулём).

Три фазных провода и нулевой проводник образуют трёхфазную систему электроснабжения, которая имеет обозначение TN-C.

В большинстве случаев действующее напряжение между фазным проводами (линейное) составляет 380 В (в энергетике принято обозначать 0,4 кВ). Это соответствует стандарту, принятому в России и многих других странах. Действующее напряжение между любым из фазных проводников и нулём при этом составляет 220 вольт, и это напряжение называется фазным.

Трёхфазные потребители в такой сети могут подключаться между фазами (например, электродвигатели), а однофазные – между фазой (любой) и нулем. Если нагрузить фазы строго симметрично, то в нулевом проводе тока не будет – токи трёх фаз взаимно компенсируют друг друга. Проблема в том, что этого практически никогда достичь не удаётся – нагрузки будут различаться как по мощности, так и по наличию реактивных составляющих, поэтому в реальных ситуациях в нулевом проводнике всегда будет течь ток. А это означает наличие напряжения на нулевом проводе.

Читайте также:  Что такое потенциал и разность потенциалов между двумя точками

Это создает проблемы при обеспечении безопасности при эксплуатации. Соединение корпусов электрооборудования с нулем (зануление) не гарантирует отсутствия напряжения относительно земли.

На практике напряжение на нулевом проводе из-за несимметричности нагрузок может достигать нескольких десятков вольт и представлять серьёзную опасность.

Кроме того, при большом значении тока нулевой проводник может перегореть. В этом случае на корпусе оборудования неизбежно появляется напряжение фазы, что смертельно опасно.

Поэтому на определенном этапе развития электротехники возникла необходимость иметь отдельный проводник, гальванически связанный с заземлением, но через который бы не шёл ток нагрузки. Такой проводник называется защитным заземлением или землёй, и обозначается PE. Трёхфазная система, в которой присутствует такой проводник, обозначается индексом TN-S.

Проводник PE гальванически соединён с нулевым, при прозвонке тестером обнаружится, что присутствует электрический контакт. Однако силовые цепи потребителей никогда не должны подключаться к проводу PE. При этом условии ток в защитном проводнике будет отсутствовать, и потенциал в любой точке провода в штатном режиме будет равен потенциалу земли.

При новом строительстве или реконструкции зданий, всегда проектируют систему электроснабжения конфигурации TN-S. Но есть проблема – чаще всего, вновь построенное сооружение подключают к подстанции, построенной ранее. В ней защитный проводник не предусмотрен. Поэтому проводники N и PE разделяют в другой точке – чаще всего, на вводе в здание. Такая система называется TN-C-S. Наличие заземляющего проводника не влияет на уровни напряжений, поэтому в системах TN-C и TN-C-S линейные и фазные напряжения также будут соответствовать уровням 380 и 220 вольт соответственно.

Как образуется однофазная сеть 220 В

Большинству бытовых и части промышленных потребителей требуется однофазный переменный ток. Система однофазного тока образуется из трёхфазной. Например, в жилой дом вводится три фазы с подстанции, а в каждую квартиру идёт отвод с одной фазы и нулевого провода (если используется система TN-C), и с проводника защитного заземления (в системах TN-C-S и TN-S). Поэтому в однофазных розетках жилых и промышленных зданий будет присутствовать фазное напряжение – 220 вольт.

Фазы при подключении стараются нагружать равномерно, но это практически невозможно (хотя бы из-за того, что количество включенных потребителей в квартирах постоянно меняется). По этой причине на нулевом проводнике постоянно будет присутствовать напряжение, которое может выходить за пределы считающихся безопасными 50 вольт.

Практические аспекты использования нулевого и защитного проводников

Важным элементом безопасности в однофазных и трёхфазных сетях до 1000 В являются устройства защитного отключения (УЗО). Они реагируют на появление тока утечки в цепи потребителя (например, стиральной машины) – от токоприёмника на корпус. В этом случае в момент появления замыкания появляется разность втекающего и вытекающего токов, вызывающее отключение УЗО. Классическая схема работы защитного отключения в сети TN-S показана на рисунке.

По разным причинам устанавливать УЗО в сетях без защитного проводника считается нерациональным, но сделать это стоит. В таких сетях при возникновении замыкания на корпус тока утечки не произойдет, на корпусе бытового прибора (холодильника, стиральной машины и т.п.) будет присутствовать напряжение фазы (возможно, через небольшое сопротивление обмотки двигателя – в зависимости от места замыкания). УЗО на такую неисправность не отреагирует.

Однако если человек или животное коснется корпуса, ток пойдет через него. Не мгновенно, но устройство защитного отключения сработает. За это время живой организм может получить электрическую травму, но в большинстве случаев смертельного исхода удастся избежать. По этой причине все же стоит применять УЗО и в таких сетях, хотя оно не сможет обеспечивать тот же уровень безопасности, что и при наличии отдельного PE-провода.

Чего совершенно точно не стоит делать – это выполнять зануление (соединение земляного вывода с нулевым) в розетке. Это опасно по нескольким причинам. Во-первых, на корпусе прибора всегда будет потенциал нулевого провода, а он, как сказано выше, редко бывает равен нулю относительно земли. Вполне вероятно появление на нём переменного напряжения выше 50 вольт, считающегося безопасным. Во-вторых, может случиться обрыв или отгорание нулевого провода (например, в распределительном щитке на этаже). Такая ситуация может возникнуть в результате короткого замыкания или перегрузки в сети, если защитный автоматический выключатель неисправен или не обладает достаточной чувствительностью.

В этом случае на корпусе стиральной машины, микроволновки или холодильника появится напряжение фазы, что смертельно опасно. Фазное напряжение на корпусе может появиться и в том случае, если кто-то поменяет местами подключение фазного и нулевого провода. На работоспособность приборов это переключение не повлияет, поэтому сразу может быть не замечено, а уровень опасности в такой ситуации повысится значительно.

Понимание назначения каждого проводника, составляющего трёхфазную сеть, не только позволяет обеспечить нормальную эксплуатацию электрических приборов, но и необходимо для обеспечения безопасности работы электроустановок. Для этого необходимо владение хотя бы базовыми основами электротехники.