Системный подход к вопросам заземления и электромагнитной совместимости

Окончание. Начало статьи см. в журнале «Энергосбережение» 2004. № 5. С. 100–104

Reyer Venhuizen, KEMA T&D Power

Устройство и организация защитного проводника здания

Контур защитного проводника здания выполняет несколько функций:

- отводит аварийные токи в землю, позволяя функционировать устройствам защиты от сверхтоков;

- отводит токи утечки в землю;

- служит сигнальным ориентиром для соединенного между собой компьютерного оборудования;

- обеспечивает электромагнитную совместимость (ЭМС);

- отводит шумы от фильтров радиочастот и т. д. в землю.

Очень часто защитный проводник устанавливают так, как если бы он выполнял только защитную функцию, не учитывая остальные.

Аварийные токи

Проектирование для функции отвода в землю аварийных токов давно изучено и не вызывает вопросов. Важным здесь является абсолютное значение сопротивления заземляющего электрода, сопротивление петли источник – кабель – защитный проводник.

Токи утечки

При проектировании защитного проводника функции отвода токов утечки уделяют меньше внимания. Причиной токов утечки в основном являются сетевые фильтры, устанавливаемые с целью снижения радиочастотных помех, и, несмотря на малые величины тока утечки от каждого источника, их суммарное значение может оказаться неожиданно большим. Источником таких токов являются параллельно установленные емкости, а следовательно, величины таких паразитных напряжений могут составлять до половины номинального напряжения по питанию. Обычно такой источник заземляется соединением с защитным проводником. Если участок такого проводника окажется гальванически изолированным, например, радиальным, разъединенным в точке коммутации, в нем будет потенциал, равный половине номинала питающего напряжения. Значения силы возможных токов при этом будут зависеть от нескольких переменных, однако они могут достичь и превысить смертельный уровень.

Соответственно целостность защитных мероприятий улучшится, если к точке коммутации от источника будут проложены дублирующие защитные проводники. Одним из них – основным – может быть механически надежный проводник, а в качестве дублирующих могут использоваться металлические желоба, армирование кабелей и другие металлические элементы. Разумеется, следует уделять внимание надежности соединений механических элементов. Поскольку упомянутый вид тока утечки связан со свойством фильтров, то в нормативной литературе его называют часто током защитного проводника.

Общая опорная поверхность для информационных систем

Для того чтобы защитный проводник выполнял роль опорной поверхности (земли) по напряжению, требуется очень низкое сопротивление в широком диапазоне частот. В данном случае сложность заключается в системности – в значительном диапазоне частот на всем протяжении здания, в том числе на любом отдельно взятом участке, разница потенциалов между любыми двумя точками должна быть равна нулю. На практике задача не может быть решена полностью: разница значения потенциалов должна быть достаточно низкой, чтобы не вызвать сбоев в работе оборудования. Многие информационные и иные системы используют принцип разницы в значениях напряжения в качестве основы своего функционирования (например, RS 485), но выдерживают довольно значительные колебания «образцового» напряжения до нескольких вольт. А более старые стандарты, как RS 232 и IEEE 1284, значительных колебаний не приемлют.

Рисунок. Синфазная (вверху) и дифференциальная (внизу) системы

На рисунке изображены типичные синфазные и дифференциальные системы. Синфазная – использует один проводник для полезного сигнала и другой для возврата в землю. Понятно, что любой потенциал между точками местного соединения с землей изменит качество сигнала вплоть до прекращения его различимости устройствами распознавания (демодуляторами, декодерами и т. д.).

В дифференциальной системе используются два сигнальных проводника, и информация передается путем изменения напряжения между ними. Теоретически на стороне получателя информации оборудование должно быть чувствительно только к изменениям напряжения на основных сигнальных проводниках и нечувствительно к общему напряжению (среднее напряжение на сигнальных проводниках). На практике этого добиться не удается и изменения общего напряжения тоже подлежат контролю, но совсем в иных масштабах, чем для синфазных систем.

Отношение дифференциальной чувствительности к общей называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала CMRR (КОСС) и выражается в децибелах (другое формальное определение КОСС – отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала). Для большинства полупроводниковых изделий значения КОСС высоки в спектре низких частот и резко снижаются с ростом частоты. Иначе говоря, несмотря на то что дифференциальные системы помогают снизить уровень сигнальных помех, не следует забывать о защитном проводнике.

Другими словами, интерес при проектировании и монтаже представляет не просто сопротивление защитных цепей, а непрерывность низких величин сопротивления как в пространстве, так и в широком спектре частот.

Электромагнитная совместимость

Любое электронное или электрооборудование является источником электромагнитного излучения и при этом к нему восприимчиво. Для нормального функционирования суммарный уровень излучения должен быть ниже, чем пороги чувствительности каждого отдельно взятого изделия, приводящего к аномальному функционированию из-за воздействия такого излучения. Для этого оборудование проектируется, производится и испытывается в соответствии со стандартами с целью снижения уровня электромагнитного излучения и одновременно повышения стойкости к его воздействию. Определение ЭМС дается, например, в стандартах МЭК 61000.

Раньше в системах заземления предпочитали использовать объединенные по назначению цепи – заземление информационных систем, заземление осветительных, силовых и других цепей. Сегодня этот принцип применяется редко. Международные стандарты предписывают единую систему заземления, поэтому «чистая» и «грязная» системы заземления встречаются все реже.

Концепция общей (единой) системы заземления на практике означает, что защитные проводники (PE), параллельные заземляющие, экраны, сетки, армирование силовых кабелей взаимосоединены. Частью системы являются проводящие элементы конструкции здания, металлические трубопроводы. В идеале провода и кабели должны вводится в зону в одной точке, где все защитные и заземляющие проводники будут гальванически соединены.

Для снижения воздействия помех на оборудование заземляющие петли между экранами кабелей и другими элементами должны быть короткими. Проводящие элементы здания должны выполнять роль дублирующих (параллельных) защитных проводников, в том числе для силовых и информационных цепей.

Фальшпол с медной сеткой под ним и ячейкой не более 1,2 м, соединенный с общей системой уравнивания потенциала во множестве точек, служит хорошей опорной (нуль-потенциальной) поверхностью. C интервалами в 6 м в пределах фальшпола сетка должна соединяться с наложенным кольцом из меди сечением 50 мм². Расстояние между сигнальным и силовыми проводниками должно быть не менее 20 см, а пересекаться они должны под прямым углом.

Заключение

Система заземления здания или объекта очень важна для нормального функционирования электрической инфраструктуры и для многих видов хозяйственной деятельности в области дополнительных и непроизводительных затрат. При проектировании и монтаже системы заземления, в том числе защиты от молнии, следует учитывать множество различных задач и критериев. Обычно дешевле учесть все факторы и создать оптимальную или близкую к ней систему на начальном этапе – проектирование и строительство с учетом перспективы жизненного цикла здания или объекта, поскольку цена последующих изменений может оказаться чрезвычайно высокой.