Как работает заземление?

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Рис. 1. Местный распределительный трансформатор, питающий дом, в котором имеется только один электроприбор — электрическая лампа в металлическом корпусе, правильно заземленная.

• На Рисунке 1 видно, что местный трансформатор изолирует наше питание от электростанции. Нас не интересует, заземлен генератор или нет. (Символ трансформатора указывает на отсутствие электрического соединения между первичной и вторичной сторонами.)
• Одна сторона трансформатора «нейтрализуется», соединяя ее с заземляющим стержнем, вбитым в землю. Нейтральный, как следует из названия, означает, что этот проводник не является ни положительным, ни отрицательным. В идеальных условиях к этому проводу можно было бы прикоснуться без вреда. (Позже мы увидим, почему это не рекомендуется.)
• Все в доме подключено между L (фаза) и N (нейтраль).
• Металлические корпуса приборов и арматуры без двойной изоляции заземляются (заземляются).

Теперь есть несколько замечаний по поводу этой договоренности:

• В нормальных условиях весь ток подается на провод под напряжением и возвращается на нейтраль. (Да, это чередование, но мы все еще можем думать об этом таким образом.)
• В нормальных условиях ОТСУТСТВУЕТ ТОК В ПРОВОДКЕ ЗАЗЕМЛЕНИЯ. Он просто лежит там — возможно, никогда не используется — на случай неисправности.
• Если провод L в лампе сорвется с выключателя и коснется металлического корпуса, то ток замыкания потечет на землю. Почему? Потому что корпус подключен к земле, которая подключена к нейтрали трансформатора.

Если мы не заземлим приборы, у нас может возникнуть опасное состояние.

^{смоделируйте эту схему}

Рис. 2. Незаземленный прибор с внутренней неисправностью, приводящей к тому, что корпус находится под напряжением.

Теперь, если кто-то прикоснется к лампе, ему грозит поражение электрическим током. Это может течь через их тело к земле за счет резистивной проводимости, но, поскольку человеческое тело имеет некоторую емкость с Землей, будет течь, по крайней мере, небольшой ток.

^{смоделируйте эту схему}

Рисунок 3. Замыкание на землю.

На рисунке 3 произошла внутренняя ошибка.

• Поскольку прибор правильно заземлен, напряжение на нем будет низким.
• Если неисправность серьезная (хороший контакт между внутренним проводом под напряжением и корпусом) И путь возврата заземления к трансформатору достаточно низкий, будет протекать большой ток, и предохранитель перегорит. Это сделает цепь безопасной.
• Обратите внимание, что поскольку один провод был нейтрализован, нам не нужно устанавливать в него предохранители.

Когда я изучал, как работает сеть переменного тока, я узнал, что один из проводов соединен с землей или водоемом, чтобы он мог вернуться к электростанции.

Нет. Только к местному трансформатору.

Концепция сбивает меня с толку. Каждый источник информации, с которым я сталкивался, не объясняет, как это работает, или быстро замалчивает его, как если бы он говорил сам за себя.

Я надеюсь, что вышеизложенное поможет.

Если энергия может проходить через воду или землю обратно к электростанции, то почему мы не испаряемся, когда идем по земле рядом с линиями электропередач?

1. Обычно мы не посылаем ток обратно через землю. Это только в условиях неисправности.
2. Чтобы испариться, вам понадобится высокое напряжение между левой и правой ногой. Если бы у нас была крупная неисправность в доме и потенциал земли на заземляющем стержне поднялся до 100 В, а до трансформатора оставалось 100 м, то градиент напряжения составил бы 1 В/м. Сделайте самый большой шаг, который вы можете, и у вас будет < 2 В между вашими ногами.

Кроме того, как изолирующий трансформатор защищает вас или ваше оборудование от пожара?

Это не так. Он просто изолирует его от сети. Это отдельный вопрос.

Если я коснусь обеих клемм вторичной обмотки, я поджарюсь?

Да, между клеммами есть напряжение. Если он изолирован, вы можете коснуться любой клеммы и не получить удара током (но помните о емкости тела и емкости трансформатора — вы можете быть удивлены), но если вы коснетесь каждой клеммы отдельными руками, то ток может пройти через ваше сердце и убить вас. .

Вы ошибочно принимаете «Электростанцию» за наземную точку возврата. Энергия переменного тока распределяется по всему городу с высоким напряжением на подстанции, где оно снижается примерно до 7200 В переменного тока. Это, в свою очередь, распределяется по местным районам, где установленные на столбах или заземленные трансформаторы снижают напряжение до 240 В переменного тока с достаточным током для питания от 1 до 4 домов.

Эти подстанции и трансформаторы изолируют нас от земли электростанции, и на самом деле самые высокие напряжения идут от трансформатора к трансформатору и имеют формат «треугольник», который не имеет заземления. «Заземление», как вы думаете, осуществляется путем заземления нейтрали на вторичной обмотке каждого трансформатора, который подает питание в промышленность и жилые районы.

Электрики коммунальных служб вставляют в это место медный заземляющий стержень, который устанавливает местный эталон заземления для этого силового трансформатора. Здесь ваш белый нейтральный провод к вашему дому и заземлению впервые встречаются. Но вместо того, чтобы прокладывать отдельный заземляющий провод к каждому дому, у вас есть заземляющий провод (обычно из оголенной меди), подключенный к нейтральному блоку на панели выключателя, и он идет к заземляющему стержню в пределах нескольких метров от панели.

Энергетической компании не нужно прокладывать заземляющий провод от трансформатора источника к вашему дому, потому что медь стоит дорого, и обычно на заземляющем проводе НЕТ ни напряжения, ни тока. Если есть, то у вас есть прибор, который пропускает ток на корпус, или, может быть, старая электродрель с изношенной проводкой. Затем заземляющий провод служит своей цели, шунтируя утечку на землю через заземляющий стержень.

Подача электроэнергии в дом или бизнес осуществляется обычно (я пропускаю «специальные» источники питания, такие как 3-фазные) с помощью 2 черных проводов, «горячих» проводов, или L1 и L2, как их иногда называют. Каждое напряжение составляет 120 В переменного тока относительно нейтрали, но 240 В переменного тока между ними, так как они на 180 градусов не совпадают по фазе друг с другом. Белый нейтральный провод является обратным током для приборов на 120 В переменного тока, независимо от того, какой черный провод является источником питания, и подключается к заземлению внутри панели выключателя, чтобы максимально снизить любое напряжение на нем.

Однако вы все еще можете получить удар током от очень старых приборов, поэтому многие панели теперь используют выключатели GFCI, которые отключаются, если обнаруживается какой-либо ток в землю. Если вы прикоснетесь к горячему и нейтральному проводу или горячему и заземлению одновременно. вы получите удар током, который включает в себя выходы изолирующего трансформатора, если вы коснетесь обоих проводов одновременно.

Это фрагмент из Руководства по экологическому заземлению .pdf

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАЗЕМЛЕНИЯ С НИЗКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ (ЗЕМЛЯ)

Рой Б. Карпентер-младший и Джозеф А. Ланцони Lightning Eliminators and Consultants, Inc. Боулдер, Колорадо, США

Введение

Заземление (или заземление) — это искусство электрического соединения с землей. Этот процесс представляет собой сочетание науки и «искусства», а не чистой науки. Этот процесс необходим, потому что необходимо пройти процесс «тестирования вариантов», в отличие от вычислений, выполненных с помощью какого-то формального процесса. Варианты для каждого сайта должны быть определены путем визуализации и оценки индивидуально с использованием соответствующего аналитического процесса.

С землей следует обращаться как с полупроводником, а сам заземляющий электрод является чистым проводником. Эти факторы делают конструкцию системы заземления сложной, а не результатом простого расчета или случайного забивания нескольких стержней в почву.

Знание местных почвенных условий является обязательным и является первым шагом в процессе проектирования. Это включает его влажность, температуру и удельное сопротивление при заданном наборе условий.

Я узнал, что один из проводов соединен с землей или водоемом, чтобы он мог вернуться к электростанции. Концепция сбивает меня с толку. Каждый источник информации, с которым я сталкивался, не объясняет, как это работает, или быстро замалчивает его, как если бы он говорил сам за себя.

Существуют энергосистемы, в которых используется возврат через землю, но это очень редко встречается в развитых регионах. Такие системы работают, потому что, хотя земля не очень хороший проводник, площадь ее поперечного сечения очень велика, поэтому она может проводить значительные токи.

Если энергия может проходить через воду или землю обратно к электростанции, то почему мы не испаряемся, когда идем по земле рядом с линиями электропередач?

По той же причине птицы могут стоять на линии электропередач — потому что падение напряжения на небольшом расстоянии между вашими ногами не очень велико.

Кроме того, как изолирующий трансформатор защищает вас или ваше оборудование от пожара?

Изолирующий трансформатор предотвращает образование любой цепи из источника питания, заземления и вашего оборудования. Например, если человек коснется корпуса оборудования и пола одновременно.

Это не столько защищает оборудование от повреждения, сколько человека, который может невольно использовать свое тело, чтобы замкнуть цепь через землю. Я никогда не использовал его, но я думаю, вы используете его в тех случаях, когда шасси оборудования должно быть запитано из-за характера оборудования. Статья в Википедии дает пару других примеров использования изолирующих трансформаторов.

Если я коснусь обеих клемм вторичной обмотки, я поджарюсь?

Да. Если вы положите одну руку на каждую клемму вторичной обмотки, у вас будут проблемы. Потому что между вашим телом и вторичной катушкой создается цепь.

Редактировать

Должна ли земля нагреваться, если через нее протекает ток? Сопротивление слишком велико для его перемещения?

Да, если вы пропустите ток через узкий участок земли, он нагреется. Но обычно земля очень велика, что снижает ее электрическое сопротивление, а также рассеивает генерируемое тепло, так что оно не вызывает заметного повышения температуры.

Если я нахожусь на третьем этаже дома, как мне получить удар током, если я нахожусь на значительной высоте над землей?

Как правило, в вашем доме есть водопроводные трубы и электропроводка, которые будут электрически соединять конструкцию с землей.

деревянный или бетонный каркас дома должен обеспечивать достаточное сопротивление? А если дом из толстой резины?

Если бы ваш дом был сделан из резины, вас вряд ли бы ударило током, даже если бы вы коснулись горячего провода электрической розетки.

Когда я изучал, как работает сеть переменного тока, я узнал, что один из проводов соединен с землей или водоемом, чтобы он мог вернуться к электростанции.

Это частично верно. Между вами и коммунальной электростанцией много ответвлений и ступеней. Обычно схема «возврата по земле» используется только на этапе «последней мили». Во многих жилых и сельских районах электроэнергия (на несколько тысяч вольт) распределяется по одному проводу, а в качестве обратного пути используется земля. Вы увидите примеры, где есть один провод на самом верху опоры и большой трансформатор (называемый «полюсная свинья»), который понижает это высокое напряжение до уровня, который поступает в ваш дом. В Северной Америке обычно 230 В.

На трансформаторе есть одна большая изолированная клемма, которая присоединяется к этому высоковольтному проводу в верхней части столба. На фото ниже он находится в верхней части трансформатора, и вы ничего не видите, кроме прикрепленного провода. Но другая сторона этой цепи («первичная» или входная часть трансформатора) представляет собой заземляющий провод, который прикреплен к столбу и идет вниз к заземляющему стержню. Вы можете видеть этот заземляющий провод, идущий с правой стороны трансформатора и спускающийся вниз по опоре.

Другая («вторичная» или выходная) сторона трансформатора обычно имеет напряжение 230 В и имеет отвод от центра, где центральный отвод также заземлен. Это три больших провода, выходящих со стороны трансформатора.

Если энергия может проходить через воду или землю обратно к электростанции, то почему мы не испаряемся, когда идем по земле рядом с линиями электропередач?

Потому что земля (или вода) (по определению) имеет нулевой потенциал земли.

Кроме того, как изолирующий трансформатор защищает вас или ваше оборудование от пожара? Если я коснусь обеих клемм вторичной обмотки, я поджарюсь?

Это совсем другой вопрос, который следует задать отдельно. Просто ваш первый вопрос уже вызвал большой отклик.