О функциональном заземлении

Функциональное (рабочее) заземление используется для нормального функционирования электроустановки или оборудования, т.е. для их работы в обычном режиме, не в целях электробезопасности, поэтому его использование в качестве единственной системы заземления категорически запрещается.

Данный вид заземления может совмещаться с защитным заземлением или выполняться дополнительно к нему исходя из требований производителя оборудования, заказчика или нормативных документов.

Защитное заземление зачастую является источником перенапряжений и кондуктивных помех в слаботочных системах автоматического управления, измерительного, информационного или другого чувствительного к воздействию помех оборудования, что побуждает к поиску эффективных способов защиты подобного оборудования от различного рода помех и перенапряжений.

Источники помех в сетях заземления

К контуру защитного заземления подключено большое количество электротехнического оборудования с разными режимами работы по сети переменного тока и различной потребляемой мощностью. При коммутации цепей электроснабжения, производстве электросварочных работ и т. п. возникают большие переходные токи, которые могут превышать рабочие токи в сотни раз и создавать выбросы напряжения в сетях электроснабжения и заземления.

Протяженная цепь электроснабжения в случае, когда её основная часть проложена вне помещения по наружной трассе, представляет собой хорошую антенну для импульсных помех. При близких грозовых разрядах в цепях электроснабжения могут возникать выбросы напряжения от 10 до 20 кВ.

Поскольку любое заземление представляет собой обладающую низким сопротивлением цепь возврата тока, паразитные выбросы напряжения по цепям электроснабжения провоцируют в контуре заземления броски токов значительных амплитуд, вызывая кратковременные изменения разности потенциалов в его цепи величиной до сотен вольт и длительностью от единиц до сотен миллисекунд.

Для электротехнического оборудования, работающего на переменном токе, подобные изменения разности потенциалов в цепи действующего контура заземления не создают проблем.

Для слаботочных микропроцессорных устройств, напряжение электропитания которых составляет 5—12 В постоянного тока, изменения разности потенциалов могут порождать паразитные сигналы, которые воспринимаются электронной аппаратурой и приводят к сбоям и отказам в работе систем автоматики, повышенной погрешности измерений, выходу из строя чувствительных элементов, нестабильности регулируемых параметров, ошибкам в собираемых данных.

Способы защиты информационного оборудования от помех

1. Сеть с изолированной нейтралью

Радикальным решением описанных выше проблем с помехами по защитному заземлению является применение гальванической развязки по питанию (IT – сеть) с раздельным заземлением силовой и измерительной части системы, что исключает протекание токов помехи от силовой земли.

Осуществление гальванической развязки может выполняться с помощью развязывающего (разделительного) трансформатора или с помощью автономных источников питания: гальванических батарей и аккумуляторов.

Основная идея гальванической развязки заключается в том, что в электрической цепи полностью устраняется путь, по которому возможна передача кондуктивной помехи. Поскольку в такой сети нет гальванической связи между землей, фазой и нейтралью, то не образуется замкнутый токовый контур с землей и касание любого из силовых выходов разделительного трансформатора является безопасным. Токи утечки на землю составляют микроамперы, что значительно меньше уровня токов безопасности и не представляет угрозы для человека.

Разделительный трансформатор, кроме того, является хорошей защитой от импульсных, грозовых перенапряжений, что обеспечивает более надежную работу подключенной аппаратуры.

Таким образом, высокая надежность, электробезопасность и помехозащищенность сетей с изолированной нейтралью является их неоспоримым преимуществом.

Вместе с тем,применение разделительных трансформаторов с системами контроля изоляции (СКИ)требует достаточно больших затрат и возникает законный вопрос о целесообразности таких расходов.Эта тема заслуживает отдельного рассмотрения.

2. Электромагнитная совместимость оборудования (ЭМС)

В большинстве случаев сбоев и отказов в работе систем автоматики, вычислительной и измерительной техники можно избежать соблюдением требований электромагнитной совместимости оборудования и правил выполнения заземления таких систем:

• Применение оборудования, которое отвечает требованиям соответствующих стандартов на электромагнитную совместимость (ЭМС);
  
• Применение в цепях питающих фидеров устройства защиты от перенапряжений;
  
• Присоединение металлических оболочек кабелей к совмещенной системе уравнивания потенциалов;
  
• Разделение силовых и сигнальных кабелей и правильное выполнение их пересечений;
  
• Применение сигнальных и информационных кабелей, соответствующих требованиям изготовителя к электромагнитной совместимости;
  
• Силовые и сигнальные кабели должны быть отделены от токоотводов системы молниезащиты минимальным расстоянием либо при помощи экранирования в соответствии с МЭК 62305-3.
  
• Электропитание слаботочных микропроцессорных устройств необходимо производить от источников бесперебойного электропитания (UPS), имеющих помехоподавляющие сетевые фильтры.
  
• Наружные протяженные сети электроснабжения необходимо прокладывать кабелем с экранирующей оболочкой, подключаемой к действующему контуру защитного заземления.
  
• Соединение заземлителей функционального и защитного заземления с целью уравнивания потенциалов между ними должно выполняться в одной точке на шине СУП или ГЗШ – токи утечки по РЕ проводнику не должны попадать на экраны кабелей.

3. Правильно выполненное заземление

Это один из основных и доступных методов уменьшения импульсных помех и перенапряжений, которые приводят к сбоям при работе слаботочного микропроцессорного оборудования. Правильное заземление обычно решает большую часть вопросов снижения перенапряжений и помех.

4. Уравнивание потенциалов

Варианты функционального заземления

1. Реконструкция уже действующих объектов

В этом случае по условиям работы информационного оборудования часто требуется низкоомный заземлитель, который выполняется дополнительно к имеющемуся защитному заземлению электроустановки здания.

Согласно ПУЭ 1.7.55 «В первую очередь должны быть соблюдены требования, предъявляемые к защитному заземлению». Другими словами – на первом месте должна быть защита жизни и здоровья людей. Соответственно, шина функционального заземления (ШФЗ) должна быть соединена с защитным заземлением на главной заземляющей шине (ГЗШ) основной системы уравнивания потенциалов электроустановки здания, как показано на рис. 2.

Данная схема заземления позволяет обеспечить электробезопасность в соответствии с требованиями ГОСТ Р 50571-4-44-2011 (МЭК 60364-4-44), а также ПУЭ гл. 1.7 при условии, что имеющееся защитное заземление выполнено в полном соответствии с ПУЭ.

Опыт реконструкции действующих объектов показывает, что практически на всех объектах, особенно находящихся в эксплуатации 10 и более лет, обнаруживаются те или иные недостатки по заземлению: коррозия заземляющих устройств, несоответствие требованиям к сопротивлению заземлителя, несоблюдение требований электромагнитной совместимости...

Поэтому перед установкой информационного оборудования необходимо провести обследование устройств защитного заземления. Обследование заземляющих устройств включает в себя: внешний осмотр, вскрытие (при необходимости) находящихся в земле проводников, а также комплекс измерений параметров заземляющих устройств.

По результатам измерений должен быть выполнен соответствующий объем работ по восстановлению параметров защитного заземления, который целесообразно совместить с монтажом функционального заземления и переходом (при необходимости) на систему электропитания TN-S или TN-C-S.

Низкоомный заземлитель функционального заземления при этом желательно выполнять по «лучевой» схеме заземления, которая обеспечивает стабильную работу оборудования. В стесненных условиях возможно использование составного, глубинного заземлителя.

Функциональное заземление имеет свои требования к сопротивлению заземления, соответствующие требованиям предприятия-изготовителя аппаратуры или ведомственным нормам. Например, для средств вычислительной техники и информатики согласно СН 512-78 сопротивление заземления должно быть не более 1 Ом, для высокочувствительной медицинской аппаратуры в соответствии с Пособием по проектированию к СНиП 2.08.02-89 – не более 2 Ом и т. д.

2. Проектирование новых объектов

При проектировании новых объектов появляется возможность выполнить заземляющее устройство повторного защитного заземления на вводе в электроустановку здания на требуемое сопротивление функционального заземления, которое должно быть одновременно использовано для всех видов оборудования здания.

Схема заземляющего устройства повторного защитного заземления на требуемое сопротивление функционального заземления показана на рис. 3.

В здании устанавливается главная заземляющая шина (ГЗШ), к которой подключаются: заземляющий проводник повторного защитного заземления, РЕN проводник, проводник системы уравнивания потенциалов, РЕ шина питающей линии в системе TN, заземляющее устройство системы молниезащиты 2-й и 3-й категорий, а также шина функционального заземления (ШФЗ).

Такая схема в последнее время получает широкое распространение при проектировании новых объектов и соответствует высокому уровню электробезопасности.

3. Независимое функциональное заземление

Иногда заземлитель функционального заземления приходится размещать отдельно, вне зоны влияния естественных и искусственных заземлителей электроустановки здания.

Выполнение функционального заземления, не связанного с заземляющим устройством защитного заземления и основной системой уравнивания потенциалов здания, нужно рассматривать как особый случай,в котором должны быть приняты специальные меры защиты людей от поражения электрическим током, исключающие возможность одновременного прикосновения к частям, присоединенным к системе уравнивания потенциалов электроустановки здания и к частям оборудования, присоединенным к независимому заземляющему устройству функционального заземления.

Всегда существует возможность возникновения разности потенциалов между раздельными системами заземления, если эти системы заземления находятся в пределах зоны ненулевого потенциала. Опасная разность потенциалов может возникнуть, например, при коротком замыкании на корпус электрооборудования в сети TN-S (до срабатывания системы защиты), при срабатывании молниезащиты (шаговое напряжение), при воздействии внешних электромагнитных полей и др.

С точки зрения электробезопасности вариант независимого функционального заземления (не связанного с заземляющим устройством защитного заземления) допустим, если аппаратура питается от разделительного трансформатора или заземлители разных назначений находятся на таком расстоянии, что между ними есть зона нулевого потенциала. Расстояние между двумя этими заземлителями должно быть ≥ 20 м.

Подробнее о территориально сближенных и независимых заземляющих устройствах см. в статье «Требования к заземляющим устройствам. Устраняем противоречия». Схема независимого функционального заземления показана на рис. 4.

Необходимость устройства независимого функционального заземления может возникнуть, например, когда производитель информационного оборудования прямо указывает на необходимость автономного заземления (без отдельной «функциональной земли» оборудование не работает). В этом случае в шкафу с оборудованием производитель предусматривает две шины заземления:

Функциональная шина FE изолирована от корпуса шкафа. К ней присоединяются экраны сигнальных (контрольных) кабелей. Шина FE соединяется медным изолированным кабелем (во избежание контакта с металлическими конструкциями здания) сечением не менее 1х25 мм2 с заземлителем, удаленным от заземлителя защитного (или любого другого) заземления на расстояние не менее 20 м. Защитное же заземление корпуса шкафа выполняется PE проводником на шину уравнивания потенциалов, соединенную с главной заземляющей шиной. Заметим, что эта шина FE внутри шкафа предусматривается самим заводом-изготовителем оборудования.

В качестве иллюстрации на рис. 5 приведен вариант независимого функционального заземления, не связанного с заземляющим устройством защитного заземления.

Обоснование проектных решений

Чтобы не возникало сложностей с согласованием и сдачей проекта, нужно быть внимательным при получении ТЗ на проектирование. Если на проектируемом объекте применяется чувствительное к воздействию помех оборудование, то нужно сразу же запросить у заказчика или у производителя паспорта на данное оборудование, где должна быть обоснована необходимость устройства независимого заземлителя и указано требуемое сопротивление функционального заземления. Паспорта (сертификаты) на применяемое оборудование прилагаются к проекту и служат обоснованием проектных решений на всех этапах согласования проекта.

Независимое функциональное заземление выполняется по схеме на рис. 4.

Если независимый функциональный заземлитель производителем оборудования не предусматривается, то в этом случае функциональное заземление должно быть выполнено по одной из схем (рис. 2, 3) с учетом требований к электромагнитной совместимости. Изолированная шина функционального заземления в этом случае может быть установлена в отдельном ящике заземления, исключающем одновременное прикосновение к частям, которые могут оказаться под опасной разностью потенциалов при повреждении изоляции.

Пример такого ящика функционального заземления показан на рис. 6.