ЗАЗЕМЛЕНИЕ? ЭТО ВАЖНО!

Надёжные электропитание и заземление архиважны для работы бытовой техники, компьютеров, локальных сетей, периферийных устройств, соединяемых различными кабелями (например, компьютер-принтер, телевизор-видеомагнитофон и в других случаях). Применение устройств защиты, в частности источников бесперебойного питания (UPS) эффективно только при наличиии хорошего заземления. Практическая реализация надёжного заземления настолько актуальна (с точки зрения защиты, долговременной эксплуатации и техники безопасности), что имеет не меньшее значение, чем, скажем, жизнь и здоровье человека. Ведь эти понятия взаимосвязаны. Как надёжно заземлить оборудование — тема моей статьи.

Подключение заземления в одном электрическом контуре
Рассмотрим некоторые особенности подключения к осветительной сети 220 В электрических устройств с точки зрения безопасности как человека, так и самих приборов.

На рисунке 1 представлена схема сетевого фильтра по питанию (ФП), применяемого практически в каждом источнике питания бытовых устройств различной сложности (телевизора, компьютера или периферийного устройства).

Конденсаторы фильтра предназначены для шунтирования высокочастотных помех осветительной сети на землю через провод защитного заземления и соответствующие трехполюсные вилку (штекер) и розетку. Провод заземления соединяют с контуром заземления, его недопустимо соединять с «нулем» осветительной сети. При устройстве «зануления» необходима гарантия того, что нуль не станет фазой, если кто-нибудь «перевернёт» штекер питания. Если же «землю» устройства никуда не подключать, на корпусе (общем проводе) устройства может появиться переменное напряжение 100 В (рис.2): конденсаторы фильтра работают как ёмкостный делитель напряжения, и поскольку их ёмкость одинакова, 220 В делится пополам.

Мощность данного источника ограничена, так как ток короткого замыкания 1кз на землю составляет от единиц до десятков мА; причём, чем мощнее источник питания, тем больше ёмкость конденсаторов фильтра и, следовательно, ток.

При ёмкости конденсатора 0,01 мкФ ток будет около 0,7 мА. Данные значения переменного тока и напряжения опасны для человека, особенно для ребёнка или домашнего животного (их масса и устойчивость к опасным факторам намного ниже, чем у взрослого человека). Попасть под удар электрического тока в данном случае можно, например, прикоснувшись одновременно к металлическим частям корпуса компьютера и батарее отопления. Это напряжение является одним из источников разности потенциалов между устройствами, от которой страдают интерфейсные схемы.

Рис. 1. Входные цепи (ФП) источника питания бытовой техники

Рис. 2. Образование потенциала на общем проводе электроприбора

Что же происходит при соединении с помощью кабеля двух различных устройств, например, телевизора — с DVD проигрывателем, музыкального центра — с усилителем низкой частоты (НЧ), компьютера — с принтером? Общий провод кабеля имеет электрический контакт с общим проводом электрических схем и печатных плат, а также и корпусом устройства (если он из токопроводящего материала). Когда соединяемые устройства надёжно заземлены (занулены) через отдельный провод на общий контур (на рис.З показано правильное подключение электрических устройств), проблемы разности потенциалов не возникает.

Если же в качестве заземляющего провода использовать нулевой провод питания при разводке питающей сети с трёхполюсными розетками двухпроводным кабелем, на нём будет присутствовать разность потенциалов, вызванная падением напряжения от протекающего силового тока lnul. Эту опасную ситуацию иллюстрирует рисунок 4.

Если в эти же розетки включать устройства с большим энергопотреблением (например, мощный лазерный принтер или факс старого образца), разность потенциалов будет ощутимой. Также будут заметными импульсные помехи, создаваемые при включении/выключении.этих устройств. Эквивалентный источник напряжения при невысоком значении электродвижущей силы (ЭДС) Еnul <10 В будет иметь низкое выходное сопротивление, равное сопротивлению участка нулевого провода. Мощность, потребляемая устройствами, расположенными на рисунке 4, равна: Р1 = Р2+РЗ.

Поскольку обычно сопротивление соединительного кабеля больше питающего (так как сечение проводов питающего кабеля больше сечения проводов кабеля соединения), через общий провод соединительного кабеля потечёт ток существенно меньший, чем силовой. Это прямое следствие закона Ома: U = I*R то есть I = U/R.

Но при нарушении контакта в нулевом проводе питания через соединительный кабель может протекать и весь ток, потребляемый устройством.

Рис. 3. Правильное подключение электрических устройств

Рис. 4. Появление разности потенциалов при двухпроводном кабеле питания

Рис. 5. Появление фазного напряжения на общем проводе (корпусе устройства) при обрыве нулевого провода

Рис. 6. Последствия обрыва нулевого провода

Значение этого опасного тока может достигать нескольких ампер, что повлечёт выход устройств из строя. Разные потенциалы относительно общего провода (корпуса) разных устройств также являются источником помех. Такая ситуация представлена на рисунке 5. Самая опасная ситуация возникает при обрыве нулевого провода (например, отгорел нулевой провод в щите или распределительной коробке) в случае заземления устройств через рабочий нулевой провод (рис.6).

Тогда через трансформатор источника питания или двигатель устройства (например, пылесос) на нулевой клемме прибора, а значит, и на корпусе устройства, появится опасное напряжение 220 В с большой потенциальной мощностью. Это чревато тяжёлыми поражениями электрическим током. Поэтому никогда не присоединяйте рабочий нулевой провод к корпусу электроприбора!

Пример!

Домохозяйка А применяла в комнате пылесос по назначению. Вдруг двигатель пылесоса перестал работать (по техническим причинам пропал контакт нулевого провода в электрощитке жилого дома). А стала искать причину в пылесосе, дотронулась рукой до металлической части корпуса, а оголённой коленкой коснулась батареи отопления. В результате её тело стало проводником электрического тока по кратчайшему пути, и А получила электрический удар.

Если оба соединяемых кабелем устройства не заземлены (в случае их питания от одной фазы сети), разность потенциалов между ними будет небогатой (вызванной разбросом ёмкостей конденсаторов в разных фильтрах). Уравнивающий ток через общий провод соединительного кабеля будет мал, и разность потенциалов между общими проводами в схемах (платах) устройств тоже будет мала. Но и в этом случае не следует забывать о безопасности человека.

Так, если незаземлённые устройства подключены к разным фазам, разность потенциалов между их несоединёнными корпусами будет порядка 190 В, при этом уравнивающий ток через кабель может достигать десятка миллиампер.

Почему выходят из строя электронные устройства?

Безопасной можно считать такую ситуацию, когда все соединения/разъединения выполняются при отключённом питании. Это правило важно как для мобильных телефонов и их зарядных устройств, так и всех электронных устройств, имеющих силовые адаптеры к напряжению осветительной сети 220 В. И, наоборот, при коммутациях при включённом питании возможны неприятности: если контакты общего провода соединительного кабеля соединяются позже (или разъединяются раньше) сигнальных, разность потенциалов между общими проводами в разных схемах прикладывается к сигнальным цепям, что чревато частым выходом из строя электронных устройств и целых блоков. А они могут быть весьма дорогостоящими и не ремонтопригодными (ремонт нерентабелен).

Соединение заземлённого устройства с незаземлённым, особенно когда у последнего мощный источник питания, приводит к неминуемому выходу из строя электронных устройств. Для устройств, источники питания которых имеют шнуры с двухполюсной вилкой (такие ещё встречаются), эти проблемы также актуальны. Источники питания зачастую имеют сетевой фильтр, но с конденсаторами малой ёмкости (следовательно, ток короткого замыкания достаточно мал).

Весьма опасны сетевые шнуры устройств с двухполюсной вилкой, которыми подключаются источники питания с трёхполюсным разъёмом. Домашние пользователи, подключающие свои устройства в бытовые розетки, могут столкнуться с проблемами из-за отсутствия заземления.

Далеко не в каждой квартире сегодня установлены евророзетки с надёжным заземлением. Ещё меньше процент безопасных силовых подключений в старом фонде сельских домов. Локально проблемы заземления решает применение сетевых фильтров по питанию (ФП) типа Pilot и им подобных (рис.7). Электрическая схема фильтра представлена на рисунке 1.

Рис. 7. Промышленный сетевой фильтр по питанию (ФП) Pilot

Рис. 8. Правильная схема заземления

Питание от одного ФП всех устройств, соединяемых интерфейсами, решает проблему разности потенциалов. Ещё лучше, когда ФП включён в трёхполюсную розетку с заземлением. Однако защемляющие контакты розеток могут иметь плохой контакт вследствие ослабления упругости или наличия заусениц в пластмассовом кожухе. Кроме того, эти контакты «не любят» частое вынимание и вставки вилок, поэтому рекомендуется:

— обесточивать оборудование по окончании работы лучше выключателем питания фильтра (предварительно выключив устройства);

— отключать питание при подключении и отключении соединительных кабелей.

Почему? Небольшая разность потенциалов, которая практически исчезнет при соединении (электрическом контакте) устройств общими проводами интерфейсов, может пробить входные и выходные цепи сигнальных линий, если в момент присоединения разъёма контакты общего провода соединятся позже сигнальных.

Пример!

Пользователю ПК В время от времени требовалось включать сканер, имеющий адаптер к сети 220 В. Чтобы не «втыкать» постоянно кабели в разъём (USB) и разъём питания, соединил штатным кабелем USB разъёмы сканера и системного блока и чувствительны параллельные порты. У последовательных портов и разъёмов бытовой техники зона чувствительности к статике ниже (пороги +-3 В), ещё меньшую чувствительность имеют интерфейсы локальных сетей, где обычно имеется гальваническая развязка сигнальных цепей от общего провода с допустимым напряжением изоляции порядка 100 В.

Заземление удалённых устройств

Проблема заземления устройств, разнесённых территориально, усложняется. Если разводка питания и заземления выполнена двухпроводным кабелем (рис.4), разность потенциалов, обусловленная падением напряжения на заземляющих проводах, будет особенно ощутимой. В ряде случаев практикуется прокладка отдельного кабеля (с большим сечением проводника) или шины для цепи заземления. Однако разводка заземления отдельным кабелем не всегда удобна и часто неэффективна с точки зрения защиты от помех, поскольку при этом могут образовываться замкнутые контуры с широким охватываемым пространством — своеобразные антенны. Поэтому разводку питания к удаленным устройствам целесообразно выполнять трёхпроводным кабелем, один из проводов которого используется для защитного заземления. Тогда древовидная схема заземления получается естественным образом (рис.8), защитный провод в корневой части этого «дерева» заземляют или «зануляют». Дополнительные проблемы при разводке электропитания для компьютеров обусловлены динамической нелинейностью входной цепи бестрансформаторных источников питания (современны и применяются повсеместно). Традиционные электросети рассчитаны на более или менее линейную нагрузку.

В домах с современной планировкой разводка электрического питания производится согласно схеме, представленной на рисунке 8. А как же быть остальным?

Несколько практически рекомендаций

Ни в коем случае не пытайтесь заземлиться на батарею отопления. Аккуратно проведите заземление проводом большого сечения от электрического щита на лестничной площадке к себе в квартиру. Не забывайте о технике безопасности.

Техника безопасности

Все бытовые устройства должны быть надёжно заземлены. Заземление должно быть выполнено для всех розеток (не частично и не выборочно). Запрещается соединять клемму заземления розетки или прибора с рабочим нулевым проводом сети. Рекомендуется отключать питание при подключении и отключении соединительных кабелей различных бытовых устройств. Если различные устройства соединяют с помощью кабелей (например, в компьютерную сеть), необходимо их подключить к общему удлинителю, имеющему клеммы заземления.

А.КАШКАРОВ, г. С. — Петербург