Введение

В электрических сетях часть цепи, подключенная к земле, использует термины "заземление" или "земля", но не в контексте проводки электросети. В электротехнике, заземление и нейтраль являются проводниками цепи, используемыми в системах переменного тока (AC). Нейтральный проводник возвращает ток к источнику питания. Для ограничения влияния тока утечки из систем более высокого напряжения, нейтральный проводник часто соединяется с землей в точке подключения. Заземляющий проводник не предназначен для проведения тока при нормальной работе цепи, а вместо этого соединяет открытые металлические компоненты (такие как корпуса оборудования или каналы, содержащие проводку) с землей. Заземляющий проводник проводит значительный ток только при возникновении неисправности в цепи, которая в противном случае могла бы обесточить открытые проводящие части и создать опасность поражения электрическим током. Устройства защиты цепи могут обнаруживать короткое замыкание на заземленный металлический корпус и автоматически отключать цепь, или предупреждать о неисправности заземления. В определенных условиях проводник, используемый для подключения к нейтрали системы, также может использоваться для заземления оборудования и конструкций. Ток, протекающий по заземляющему проводнику, может привести к появлению нежелательного или опасного напряжения на корпусах оборудования, поэтому установка заземляющих и нейтральных проводников строго регламентируется в электротехнических нормах. Если нейтральный проводник также используется для соединения корпусов оборудования с землей, необходимо обеспечить, чтобы напряжение на нейтральном проводнике никогда не превышало допустимые значения относительно местного заземления.

Определения

Заземление или земля в электрической системе переменного тока является проводником, обеспечивающим путь низкого сопротивления к земле для предотвращения появления опасного напряжения на оборудовании (импульсов высокого напряжения). Термины "ground" и "earth" используются как синонимы в данном разделе; "ground" чаще используется в североамериканском английском, а "earth" – в британском английском. В нормальных условиях заземляющий проводник не проводит ток. Заземление также является важной частью домашней электропроводки, поскольку оно способствует более быстрому срабатыванию автоматических выключателей (например, УЗО), что повышает безопасность. Для добавления новых заземлений требуется квалифицированный электрик, обладающий знаниями, специфичными для региона электроснабжения. Нейтраль – это токопроводящий проводник, который обычно замыкает цепь обратно к источнику. NEC (Национальный электротехнический кодекс) устанавливает, что нейтральный и заземляющий провода должны быть соединены в нейтральной точке трансформатора или генератора, или в другой "системной нейтральной точке", но нигде более. Это относится к простым установкам с одной панелью; для установок с несколькими панелями ситуация более сложная. В многофазной (обычно трехфазной) системе переменного тока нейтральный проводник должен иметь напряжение, близкое к напряжению других токопроводящих проводников, но может нести очень небольшой ток, если фазы сбалансированы. Все нейтральные провода одной и той же заземленной электрической системы должны иметь одинаковый электрический потенциал, поскольку они все соединены через систему заземления. Нейтральные проводники обычно изолируются на напряжение, аналогичное напряжению фазных проводников, с некоторыми исключениями.

Схема

Нейтральные провода обычно соединяются на нейтральной шине внутри распределительных щитов или коммутационных аппаратов и "заземляются" в точке подключения к электросети или на трансформаторах в системе. В электрических установках с раздельной фазой (трехпроводной однофазной) нейтральная точка системы находится на средней точке вторичной обмотки вводного трансформатора. В более крупных электрических установках, например, с многофазным питанием, нейтральная точка обычно располагается на общей точке соединения вторичных обмоток трансформаторов, соединенных по схеме "звезда-треугольник". Другие схемы соединения многофазных трансформаторов могут не предусматривать нейтральную точку и, соответственно, нейтральные проводники.

Сочетание нейтрального с заземленным

Блуждающие напряжения, возникающие в заземляющих проводниках из-за токов, протекающих в нейтральных проводниках электросети, могут создавать проблемы. Например, могут потребоваться специальные меры в коровниках, используемых для доения молочного скота. Очень небольшие напряжения, обычно не ощутимые человеком, могут приводить к снижению надоев молока или даже к маститу (воспалению вымени). В электрической распределительной сети доильного зала могут потребоваться так называемые "фильтры напряжения прикосновения". Подключение нейтрали к корпусу оборудования обеспечивает некоторую защиту от коротких замыканий, но может привести к появлению опасного напряжения на корпусе при обрыве нейтрали. Комбинированные нейтральные и защитные проводники обычно используются в электросетях энергоснабжающих компаний, а также иногда в стационарной проводке зданий и для некоторых специализированных применений, где альтернативы немного, например, на железных дорогах и трамваях. Поскольку нормальные токи в нейтральном проводнике могут вызывать нежелательные или опасные разности потенциалов между местным заземлением и нейтралью, а также для защиты от обрыва нейтрали, необходимо принимать специальные меры предосторожности, такие как частое присоединение к земле дополнительных заземлителей (множественные соединения с заземляющими стержнями), использование кабелей, в которых комбинированный нейтральный и защитный проводник полностью окружает фазные проводники, и усиленное, по сравнению с обычным, уравнивание потенциалов для обеспечения безопасности системы.

Фиксированные приборы на трехпроводной схеме

В Соединенных Штатах корпуса некоторых кухонных плит (плит, духовок), варочных панелей, сушильных машин и других специально перечисленных приборов заземлялись через их нейтральные провода в качестве меры по экономии меди в медных кабелях во время Второй мировой войны. Эта практика была исключена из NEC в редакции 1996 года, однако в существующих установках (так называемых "старых установках") до сих пор может допускаться подключение корпусов таких перечисленных приборов к нейтральному проводнику для заземления. (Канада не применяла эту систему и вместо этого, как в то время, так и в настоящее время, использует отдельные нейтральные и заземляющие провода.) Эта практика возникла из-за использования трехпроводной системы для питания нагрузок на 120 и 240 вольт. Поскольку эти перечисленные приборы часто имеют компоненты, работающие от 120 вольт, или от 120 и 240 вольт, на нейтральном проводе часто присутствует некоторый ток. Это отличается от защитного заземляющего провода, который проводит ток только при возникновении неисправности. Использование нейтрального проводника для заземления корпуса оборудования считалось безопасным, поскольку приборы были подключены к источнику питания стационарно, и поэтому обрыв нейтрального провода маловероятен без одновременного обрыва обоих фазных проводников. Кроме того, несбалансированный ток, создаваемый лампами и небольшими двигателями в приборах, был незначителен по сравнению с номинальным током проводников и, следовательно, вряд ли вызывал существенное падение напряжения на нейтральном проводнике.

Переносные приборы

В североамериканской и европейской практике небольшому портативному оборудованию, подключаемому с помощью кабеля, при определенных условиях разрешается иметь только два проводника в вилке. Поляризованная вилка может использоваться для сохранения идентификации нейтрального проводника в приборе, но нейтраль никогда не используется в качестве заземления корпуса. Небольшие шнуры для ламп и т.п. часто имеют один или несколько рельефных гребней или встроенные нити для идентификации нейтрального проводника, либо могут быть идентифицированы по цвету. Портативные приборы никогда не используют нейтральный проводник для заземления корпуса и часто имеют конструкцию с "двойной изоляцией". В тех случаях, когда конструкция вилки и розетки не гарантирует подключения нейтрального проводника сети к определенным контактам устройства ("неполяризованные" вилки), портативные приборы должны быть спроектированы исходя из предположения, что любой полюс каждой цепи может оказаться под полным сетевым напряжением относительно земли.

Техническое оборудование

В североамериканской практике оборудование, подключенное с помощью кабеля, должно иметь три провода, если оно питается исключительно от 240 вольт, или четыре провода (включая нейтральный и заземляющий), если оно питается от 120/240 вольт. В NEC предусмотрены специальные требования для так называемого технического оборудования, в основном профессионального аудио- и видеооборудования, запитываемого так называемыми "сбалансированными" цепями на 120 вольт. Средняя точка трансформатора соединена с землей, а оборудование питается двумя фазными проводами, каждый из которых имеет напряжение 60 вольт относительно земли (и 120 вольт между фазными проводами). Средняя точка не подается на оборудование, и нейтральный проводник не используется. В таких случаях обычно используется заземляющий проводник, отделенный от защитного заземляющего проводника специально для снижения шума и "гула". Ранее в больничных палатах применялась другая специализированная система электроснабжения. Использовалась изолированная система питания, обеспечиваемая специальным изоляционным трансформатором, с целью минимизации любого тока утечки, который мог проходить через оборудование, непосредственно подключенное к пациенту (например, электрокардиограф для мониторинга сердечной деятельности). Нейтраль цепи не была соединена с землей. Ток утечки возникал из-за распределенной емкости проводки и емкости силового трансформатора. Такие системы электроснабжения контролировались постоянно установленными приборами, которые подавали сигнал тревоги при обнаружении высокого тока утечки.

Нейтральный

Общий нейтральный — это соединение, в котором несколько цепей используют одну и ту же нейтраль. Это также известно как совмещённая нейтраль, а цепи и нейтраль вместе иногда называют системой Эдисона.

Трехфазные схемы

В трехфазной цепи нейтраль используется совместно для всех трех фаз. Как правило, нейтраль системы подключается к звездообразной точке на питающем трансформаторе. Именно поэтому вторичная сторона большинства трехфазных распределительных трансформаторов выполнена соединением «звезда». Трехфазные трансформаторы и связанные с ними нейтрали обычно встречаются в промышленных распределительных системах. Система может быть выполнена полностью без заземления. В этом случае короткое замыкание между одной фазой и землей не вызовет значительного тока. Обычно нейтраль заземляется (заземляется) посредством соединения между нейтральной шиной и шиной заземления. В крупных системах принято контролировать ток, протекающий по соединению нейтрали с землей, и использовать эти данные в качестве основы для защиты от замыканий на нейтраль. Соединение между нейтралью и землей позволяет любому замыканию на землю в фазе создать достаточный ток для срабатывания устройства защиты от перегрузки по току. В некоторых юрисдикциях требуются расчеты для обеспечения того, чтобы импеданс петли замыкания на землю был достаточно низким, чтобы ток замыкания сработал на защиту (в Австралии это указано в AS3000:2007 – Расчет импеданса петли замыкания). Это может ограничить длину ответвления. В случае, когда две фазы используют одну нейтраль, а третья фаза отключена, наихудший сценарий потребления тока – когда на одной стороне нулевая нагрузка, а на другой – полная, или когда на обеих сторонах полная нагрузка. В последнем случае получается , или где – величина тока. Иными словами, величина тока в нейтрали равна величине тока в двух других фазных проводниках. В трехфазной линейной цепи с тремя идентичными резистивными или реактивными нагрузками нейтраль не несет тока. Нейтраль несет ток, если нагрузки на каждой фазе не идентичны. В некоторых юрисдикциях допускается уменьшение сечения нейтрального проводника, если не ожидается несбалансированный ток. Если нейтральный проводник меньше фазных проводников, он может быть перегружен при возникновении большой несбалансированной нагрузки. Ток, потребляемый нелинейными нагрузками, такими как люминесцентное и HID-освещение, а также электронное оборудование с импульсными источниками питания, часто содержит гармоники. Тройные гармонические токи (нечетные кратные третьей гармонике) суммируются, что приводит к большему току в общем нейтральном проводнике, чем в любом из фазных проводников. В самом худшем случае ток в общем нейтральном проводнике может быть в три раза больше, чем в каждом фазном проводнике. В некоторых юрисдикциях запрещено использование общих нейтральных проводников при питании однофазных нагрузок от трехфазного источника; другие требуют, чтобы нейтральный проводник был значительно больше фазных проводников. Хорошей практикой является использование четырехполюсных автоматических выключателей (в отличие от стандартных трехполюсных), где четвертый полюс – это нейтраль, и, следовательно, он защищен от перегрузки по току на нейтральном проводнике.

Раздельная фаза

В системе раздельных фаз, например, в дуплексной розетке на кухне в Северной Америке, устройства могут быть подключены кабелем с тремя проводниками, помимо заземления. Эти три проводника обычно имеют красный, черный и белый цвет. Белый проводник служит общим нейтральным, а красный и черный по отдельности подают питание на верхнюю и нижнюю контакты розетки. Обычно такие розетки питаются от двух автоматических выключателей, ручки которых соединены для одновременного отключения. Если одновременно используются два мощных прибора, ток проходит через оба, а нейтральный проводник несет только разницу токов. Преимущество заключается в том, что для питания этих нагрузок требуется всего три провода вместо четырех. Если один кухонный прибор перегружает цепь, другая сторона дуплексной розетки также будет отключена. Это называется многопроводной групповой цепью. Одновременное отключение обязательно, когда подключенная нагрузка использует более одной фазы одновременно. Одновременное отключение предотвращает перегрузку общего нейтрального проводника, если одно из устройств потребляет ток, превышающий номинальный.

Проблемы с заземлением

При отсутствии или недостаточной пропускной способности заземления, оно может не обеспечивать предусмотренные защитные функции при возникновении неисправности в подключенном оборудовании. Дополнительные соединения между заземлением и нейтралью могут привести к циркулирующему току в контуре заземления, появлению блуждающих токов в земле или в конструкции, а также к блуждающему напряжению. Дополнительные заземления на нейтральном проводнике могут исключить защиту, обеспечиваемую устройством защитного отключения (УЗО). Сигнальные цепи, требующие заземления, не будут функционировать или будут работать нестабильно при отсутствии заземления.