Energetyka dla elektroników – uziemianie

W pierwszym artykule cyklu przypomnieliśmy ważny fakt, że w sieciach energetycznych występują napięcia względem ziemi, groźne dla zdrowia i życia. Dowiedzieliśmy się, że na podstawie wieloletnich doświadczeń w poszczególnych krajach przyjęto oparte na normach technicznych przepisy prawne, według których każde urządzenie powszechnego użytku dołączone do sieci elektrycznej musi być bezpieczne dla użytkownika. Teraz omówimy dalsze szczegóły.

W szczególności podczas normalnej pracy przy dotknięciu dostępnych elementów przewodzących, w tym metalowej obudowy, ewentualne prądy upływu płynące do ziemi nie powinny przekraczać 0,5…1mA. Natomiast przy (pojedynczym) uszkodzeniu prąd rażenia płynący przez ciało człowieka do ziemi powinien być ograniczony do wartości co najwyżej 30mA. Mówiliśmy o czterech klasach ochronności (0, I, II, III). Ustaliliśmy w uproszczeniu, że w urządzeniach I klasy ochronności metalowe obudowy dla bezpieczeństwa mają być połączone z ziemią – uziemione. Każdy elektronik powinien wiedzieć, przynajmniej z grubsza, dlaczego i na ile ochrona przeciwporażeniowa wiąże się z na pozór mało znaczącym sposobem połączenia bolców w domowych gniazdkach. Dlatego trzeba wiedzieć, co w praktyce znaczą określenia sieci energetycznych takie jak: TN-C, TN-S, TN-C-S, TT, a nawet IT.

Sieci energetyczne

Pomijamy dziwne dla nas amerykańskie sieci „dwufazowe” (split-phase) o stosunkowo niewielkim napięciu 2×120V wspomniane na samym początku cyklu. W Polsce i w Europie w domach obecnie mamy do czynienia z sieciami trójfazowymi nazywanymi sieciami niskiego napięcia (NN) o napięciu fazowym o wartości skutecznej 230V i częstotliwości 50Hz. Transformator trójfazowy z tak zwanego średniego napięcia (15000V) wytwarza tak zwane niskie napięcie 230V. Rysunek 1 pokazuje tylko uzwojenia wyjściowe takiego trójfazowego transformatora.

Napięcie każdej fazy względem przewodu neutralnego to 230V, ale z uwagi na wzajemne przesunięcie fazy o 120 stopni, napięcie międzyfazowe jest w nich pierwiastek z trzech razy większe i wynosi 400V, czyli 0,4kV (dokładniej biorąc 230V * √3 = 398V). Dlatego w energetyce mówi się o sieciach niskiego napięcia 0,4kV. Na razie pomijamy kwestię uziemienia. Mało interesują nas też możliwości połączeń uzwojeń transformatora trójfazowego w gwiazdę, trójkąt czy zygzak – możemy przyjąć bodaj najprostsze połączenie, gdzie uzwojenia wyjściowe połączone są w gwiazdkę według rysunku 1. Do takiego transformatora za pośrednictwem sieci przewodów przyłączone są rozmaite odbiorniki jednofazowe i trójfazowe, co można przedstawić jak na rysunku 2.

Szkicowo przedstawiono tu typowe odbiorniki jednofazowe: żarówki, silniki, grzałki, odbiornik wykorzystujący napięcie międzyfazowe 398V (np. niektóre spawarki), odbiornik trójfazowy wykorzystujący przewód neutralny sieci (np. przepływowy ogrzewacz wody) oraz odbiornik trójfazowy, zasilany napięciem międzyfazowym, który nie wykorzystuje przewodu neutralnego (np. silnik trójfazowy z uzwojeniami połączonymi w trójkąt).

Na rysunkach 1, 2 nie widać żadnego połączenia sieci czy odbiorników z ziemią. Ale w praktycznie wszystkich sieciach mamy jakieś połączenie z ziemią, gruntem. Ziemia, grunt (z wyjątkiem powiedzmy suchego piasku) przewodzi prąd z uwagi na zawartość wilgoci – wody i różnych związków chemicznych. Co ważne, uznajemy, że na całej ziemi przewodzący prąd grunt ma neutralny, zerowy potencjał elektryczny.

Teoretycznie przewodząca ziemia mogłaby pełnić funkcję jednego z przewodów roboczych według oszczędnościowej idei z rysunku 3.

Jako ciekawostkę można przypomnieć fakt, że pierwsze linie telegraficzne dla oszczędności wykorzystywały tylko jeden przewód oraz właśnie ziemię w roli drugiego jak na rysunku 3. Także pierwsze sieci oświetleniowe Edisona (prądu stałego 110V) z roku 1880 miały być jednoprzewodowe, z ziemią jako przewodem powrotnym. Jednak po wypadkach porażenia zwierząt pomysł odrzucono i zastosowano wspomnianą na początku cyklu  symetryczną „amerykańską” konfigurację z trzema przewodami (L+, M, L–) izolowanymi od ziemi.

W energetyce z kilku ważnych względów nie wykorzystuje się rozwiązań z ziemią jako przewodem roboczym! Przewodząca ziemia, grunt ze swoim zerowym potencjałem pełni jedynie funkcję ochronną.

W zdecydowanej większości sieci uzwojenie wtórne transformatora NN ma w sumie konfigurację gwiazdy i z ziemią łączony jest punkt środkowy transformatora trójfazowego, czyli na rysunkach 1, 2 punkt N, zwykle za pomocą metalowych taśm (bednarki) zakopanych dość głęboko w ziemi wokół transformatora – rysunek 4a.

Tak, ale można też dołączyć do ziemi jeden z przewodów fazowych.  Mniej zorientowanych może to bardzo dziwić, bo określenie „faza” nieodłącznie kojarzą oni z groźnym dla życia napięciem. Uziemienie jednej z faz może być jedynym sensownym rozwiązaniem wtedy, gdy uzwojenie transformatora nie ma „punktu środkowego”, tylko ma konfigurację trójkąta (delta) według rysunku 4b. Bardzo rzadko spotyka się takie sieci – tylko ewentualnie w przemyśle.

Na pewno nie ma domowych sieci energetycznych niepołączonych z ziemią – w nich zawsze punkt środkowy transformatora (N) jest uziemiony według rysunku 4a. Istnieją jednak takie sieci energetyczne, gdzie żaden z punktów transformatora nie jest połączony z ziemią, przez co sieć poniekąd „wisi w powietrzu”.

A po co uziemiać?!

Poprzednią część artykułu zakończyliśmy stwierdzeniem: przepisy bezpieczeństwa przede wszystkim dotyczą przepływu prądu przez ciało człowieka do ziemi.

A jeśli tak, to aż prosi się zlikwidować problem jednym genialnym pociągnięciem: jeżeli przyczyną większości porażeń jest przepływ prądu przez ciało z sieci do ziemi, to nie należy sieci energetycznej uziemiać! Jeżeli sieć energetyczna nie będzie uziemiona, to zniknie nie tylko problem przepływu prądu do ziemi, ale też problem obecności w sieci przewodu uziemiającego i problem uziemiania obudów!

Taki genialny w swojej prostocie pomysł ma pewien sens!

Tak, ale też pomija pewne bardzo ważne kwestie.

Owszem, istnieją sieci energetyczne 230V, gdzie żaden z punktów zasilającego transformatora energetycznego nie jest połączony z ziemią. Jednak w sieciach tych występuje oddzielny przewód uziemiający, połączony z bolcami w gniazdkach. Dlaczego?

Zacznijmy od tego, że w nieuziemionych sieciach, które jak potocznie mówimy „wiszą w powietrzu”, napięcie między przewodem neutralnym N i każdym przewodem fazowym wynosiłoby 230V, ale między ziemią i przewodami sieci mogłyby występować niekontrolowane, przypadkowe napięcia, przede wszystkim stałe, rzędu nawet tysięcy woltów. Odizolowana od ziemi duża i rozległa sieć miałaby dużą pojemność względem ziemi, jak ilustruje to rysunek 5 (pomijający pojemności doziemne wszystkich dołączonych odbiorników).

Mogłyby w niej zachodzić zjawiska, jakie obserwujemy przy elektryzowaniu się ubrań, tylko na wielokrotnie większą skalę, śmiertelnie groźną. Otóż napięcia takie mogłyby wynikać z elektryzowania, czyli ładowania pojemności ładunkami statycznymi. A gdyby w taką nieuziemioną sieć uderzył piorun, to niewątpliwe w pierwszej kolejności naładowałby pokazane na rysunku 5 pojemności doziemne do ogromnego napięcia, rzędu wielu kilowoltów, co przebiłoby izolację na drodze sieć–ziemia, zwłaszcza w dołączonych urządzeniach – odbiornikach. Jeśli nawet nie spowodowałoby to przebicia i uszkodzenia izolacji, utrzymujące się tam wysokie napięcie byłoby śmiertelnie groźne dla użytkowników sieci, ponieważ w naszym otoczeniu, także w mieszkaniach, jest wiele przedmiotów połączonych z ziemią, np. instalacje gazowe czy (metalowe) wodociągowe. W każdym razie między ziemią i przewodami nieuziemionej sieci mogłyby występować ogromne, śmiertelnie groźne napięcia stałe. I to jest wystarczający powód, by nie pozostawiać dużych sieci energetycznych „wiszących w powietrzu”, tylko je uziemiać.

Sprawa pojemności między siecią energetyczną a ziemią ma też inny, mniej groźny aspekt: nie wchodząc w szczegóły dotyczące symetrii i rozpływu prądów, możemy stwierdzić, że przez takie pojemności w pewnych warunkach mogłyby płynąć prądy zmienne 50Hz. Wprawdzie pojemności są niezbyt duże, a częstotliwość 50Hz jest niska, niemniej trzeba pamiętać i o takiej możliwości.

W domowych sieciach energetycznych w transformatorze niskiego napięcia uziemiony jest punkt środkowy N według rysunku 4a, więc napięcie 230V 50Hz występuje między każdym z przewodów fazowych a ziemią. Nie tylko ziemią – gruntem na zewnątrz pomieszczeń, ale też przewodzącymi prąd elementami dołączonymi elektrycznie do ziemi, takimi jak instalacja gazowa, metalowa instalacja wodna, mokra podłoga betonowa w piwnicy, metalowe zbrojenie w stropach i ścianach, i tym podobne.

W każdym razie między przewodami fazowymi sieci energetycznej a różnymi lepiej lub gorzej uziemionymi elementami naszych domów występuje pełne napięcie sieci 230V. Problemu nie ma, jeśli nie ma tam drogi przepływu prądu, a nie powinno takowej być. Skuteczna izolacja linii fazowych likwiduje problem. Tak, ale wieloletnia praktyka pokazała, że zdarzają się uszkodzenia izolacji, w szczególności awarie polegające na zwarciu między liniami fazowymi a metalową obudową. Gdy wskutek jakiegoś błędu lub zaniedbania nastąpi takie zwarcie, to na metalowej obudowie urządzenia pojawi się napięcie fazowe 230V.

Sieci niskiego napięcia (230V) są trójfazowe, ale omawiane zwarcia z reguły dotyczą jednej z faz, więc dla uproszczenia rozważań i rysunków, w dalszej analizie możemy też wykorzystywać uproszczony przykład jednej fazy, gdzie mamy pokazane tylko jedno z uzwojeń transformatora (NN), którego dwie końcówki uzwojenia wtórnego oznaczone są L (live), N (neutral) i gdzie punkt N jest uziemiony, czyli elektrycznie dołączony do ziemi, gruntu.

Dotknięcie takiej obudowy będącej pod napięciem sieci nie oznacza jeszcze tragedii, bowiem nie spowoduje porażenia, jeżeli dotykający człowiek nie będzie miał połączenia elektrycznego z ziemią, co jest zilustrowane na rysunku 6a. Tak, nie tylko elektrycy wiedzą, że można bezkarnie dotknąć przewodu fazowego będącego pod napięciem, byleby tylko nie zamknąć obwodu, w którym mógłby popłynąć prąd.

Jednak omawiana sytuacja z rysunku 6a, czyli pojawienie się na metalowej obudowie napięcia sieci, często słusznie nazywana jest pułapką czyhającego skorpiona.

Porażenie nastąpi wtedy, gdy użytkownik dotykający obudowy pod napięciem będzie miał połączenie z ziemią, co w uproszczony sposób jest pokazane na rysunku 6b. Prąd popłynie od przewodu fazowego L przez zwarcie do obudowy, przez ciało człowieka do ziemi i ziemią wróci do punku N transformatora.

Najprościej biorąc, przepisy bezpieczeństwa przeciwporażeniowego dotyczą głównie właśnie takiego uszkodzenia/błędu, jak pokazuje rysunek 6b. Przepisy wymagają, żeby metalowe obudowy urządzeń (I klasy ochronności) były uziemione.

Gdyby metalowa obudowa była uziemiona, to nie dojdzie do żadnej z sytuacji pokazanych na rysunku 6. Nie pojawi się czyhający skorpion.  Ideę pokazuje uproszczony rysunek 7.

Już w chwili zwarcia obwodu fazowego do obudowy popłynie duży prąd do ziemi i prąd ten spowoduje „spalenie bezpiecznika”, a ściślej biorąc, reakcję zabezpieczenia przeciążeniowego (nadprądowego) i rozłączenie obwodu fazowego. To najprostszy argument, że metalowe obudowy dla bezpieczeństwa trzeba uziemiać.

Tylko jak? Możliwości jest sporo. Najprostszy wydaje się sposób pokazany na rysunku 8.

Podstawowa idea nie jest tu błędna, ale to schemat czysto teoretyczny, ponieważ w praktyce po drodze mamy wtyczkę i gniazdko, w tym przypadku z dwoma tylko stykami. Jak pokazuje rysunek 9, dwubolcową wtyczkę można włożyć w gniazdko na dwa sposoby i… w przypadku z rysunku 9b bez dodatkowego zwarcia do obudowy sami sobie zafundowalibyśmy czyhającego skorpiona!

Teoretycznie taki sposób można byłoby wykorzystać, gdyby zastosować gniazdka i wtyczki, gdzie zawsze umieszczenie przewodów fazowego i neutralnego byłoby jednoznacznie określone, żeby nie można było włożyć wtyczki w sposób pokazany na rysunku 9b. W praktyce tak jednak nie jest i w przypadku obudów metalowych trzeba raz na zawsze odrzucić takie rozwiązanie z dwoma przewodami prowadzącymi od urządzenia do wtyczki. Problem rozwiązuje trzyżyłowy przewód połączeniowy i wtyczka „z bolcem uziemiającym” według rysunku 10.

We wtyczce i w gniazdku musimy mieć trzy styki i trzy przewody, ale do gniazdka dochodzą z sieci tylko dwa przewody. W gniazdku bolec uziemiający jest połączony z neutralnym przewodem sieci, który jest gdzieś uziemiony. W wielu naszych domach mamy takie właśnie rozwiązanie – przykład na fotografii 11, gdzie czerwone strzałki pokazują zworkę między przewodem neutralnym i bolcem uziemiającym.

Nie jest to jedyny sposób uziemienia bolców uziemiających w gniazdkach. I oto doszliśmy do rodzajów sieci energetycznych, określanych skrótowo za pomocą kodu literowego, gdzie pierwsza litera to T lub I, a druga to N lub T. Sieci IT, TT oraz odmiany sieci TN zaczynamy omawiać w następnym odcinku SR505.

Piotr Górecki