Работает ли УЗО без заземления?

Бытует мнение, что для работы УЗО обязательно требуется заземление. Думаю природа этого мнения в том, что защищает это устройство от «утечек тока на землю». Даже в английском языке эта аварийная ситуация называется «Earth fault» (буквально — «ошибка с землей»). И некоторые считают, что в данном случае в качестве термина “земля” подразумевается именно проводник PE. Других гипотез у меня нет, т.к. клеммы для проводника PE на самом УЗО тоже нет 🙂

Думаю, имеет смысл напечатать много букв и разложить все по полочкам.

Что ж, давайте разберемся, в чем здесь дело. Для начала вижу смысл напомнить вот что:

1. Электрический ток течет только в замкнутой цепи. Например, в нормальных (неаварийных условиях) эта цепь выглядит так: «трансформатор — фазный проводник — электропотребитель — проводник нейтрали — трансформатор» (рис.1).
2. Если в электрической цепи появляется ветвление (например, два проводника вместо одного), ток распределится по ветвям обратно пропорционально их сопротивлению.

Как известно УЗО размыкает цепь, если токи в цепях его полюсов вдруг начинают отличаться по номиналу на определенную величину, например 20-30мА и более. Это происходит, когда между одним из проводников (фазным или нулевым) под УЗО и внешней средой появляется проводимость из-за повреждения изоляции. В этом случае в цепи «трансформатор — потребитель — трансформатор» появляется ветвление и часть тока потечет от трансформатора к потребителю или обратно через внешнюю среду (новую ветвь цепи). Это и есть утечка. Т.е. утечка «на землю» не означает, что ток стекает в землю, как в колодец, и там где-то растворяется. По земле эта утечка обязательно «дотечет» до ближайшего повторного заземлителя PEN-проводника и по нему до нейтрали трансформатора (рис.2).

Рассмотрим для наглядности частный случай. Например, в результате повреждения изоляции проводника появилось электропроводимость между фазным проводником и корпусом электрокотла, напрямую или через подтекающий теплоноситель. В этот момент на корпусе котла появится электрический потенциал, отличный от 0 (потенциала земли).

Теперь посмотрим, что произойдет при разных вариантах стечения обстоятельств. Рассмотрим три опции:

1. Используется система заземления TN-C-S. Корпус котла надежно заземлен через PE-проводник.

В этом случае, часть тока с фазы потечет по маршруту «фаза — теплоноситель — корпус — PE — PEN — трансформатор». Отвечая на вопрос в заголовке, да в этом случае исправный PE-проводник участвует в цепи утечки. При этом в зависимости от величины этой утечки произойдет следующее:

а) если величина утечки недостаточна для срабатывания УЗО — ничего заметного не произойдет и с вашей фазы по указанному маршруту будет утекать несколько миллиампер постоянно вплоть до нарастания утечки, достаточной для срабатывания УЗО. В этом случае вы, прикасаясь к токопроводящим частям корпуса будете ощущать от легких до ощутимых покалываний.

б) если величина утечки достаточна для срабатывания УЗО — УЗО разомкнет цепь, а вы поймете, что где-то на линии проблема, а именно утечка тока.  Прикосновение к токопроводящим частям корпуса будет безопасным, т.к. УЗО разомкнуло цепь.

в) если будет непосредственный контакт фазного проводника с корпусом, то произойдет фактически короткое замыкание в цепи, т.к. потенциал PE не сильно отличается от потенциала N. И если вы посмотрите еще раз на маршрут тока утечки, то поймете, что он прямиком устремится на ноль трансформатора по металлическим проводникам. Как и в предыдущем случае, цепь будет разомкнута, только в данном случае автоматическим выключателем на линии котла. И да, прикосновение человека к токопроводящим частям корпуса в этом случае также будет безопасным. Цепь будет разомкнутой.

Итак, мы видим, что в системе TN-C-S исправное заземление участвует в цепи утечки. Оно создает наиболее легкий путь для тока утечки по проводникам к нейтрали трансформатора. В зависимости от величины тока утечки цепь будет разомкнута либо УЗО, либо автоматическим выключателем.

2. Используется система заземления TT. Корпус котла надежно заземлен через PE-проводник.

На всякий случай напомню, что в системе ТТ PE-проводник в сети вашего дома не имеет прямого контакта с PEN-проводником, но подключен заземляющим проводником к заземлителю вашего строения. В рассматриваемой нами аварийной ситуации ток утечки с фазы потечет по маршруту «фаза — теплоноситель — корпус — PE — заземлитель — земля — повторныйЗаземлительPEN — PEN — трансформатор» (рис.3). Возвращаtvc к вопросу заголовка. Мы видим, что в этом случае исправный PE-проводник участвует в цепи утечки, но в системе TT направляет ток утечки к PEN не по проводникам, а через заземлитель-землю и ближайший повторный заземлитель PEN (вот для чего нужны повторные заземлители PEN). При этом в зависимости от величины этой утечки произойдет вот что:

а) если величина утечки недостаточна для срабатывания УЗО — ничего заметного не произойдет и с вашей фазы по указанному маршруту будет утекать какое-то количество энергии постоянно вплоть до нарастания утечки, достаточной для срабатывания УЗО. В этом случае вы, прикасаясь к токопроводящим частям корпуса будете ощущать от легких до ощутимых покалываний.

б) если величина утечки достаточна для срабатывания УЗО — оно разомкнет цепь, а вы поймете, что где-то на линии проблема, а именно утечка тока, а прикосновение к токопроводящим частям корпуса станет безопасным.

в) если будет непосредственный контакт фазного проводника с корпусом, то произойдет замыкание между фазой и нолем трансформатора по маршруту «фаза — теплоноситель — корпус — PE — заземлитель — земля — повторныйЗаземлительPEN — PEN — нейтральТрансформатора». На этом маршруте есть участок цепи «-земля-» с довольно высоким сопротивлением, которое не обеспечит величину тока, достаточную для срабатывания автоматического выключателя. И в этом случае и выручит УЗО, разомкнув цепь. И человеку не предоставится случай прикоснуться к токопроводящим частям корпуса с потенциалом.

Итак, мы видим, что в системе TT УЗО играет решающую роль в обеспечении безопасности при утечке тока, т.к. сопротивление земли не позволит получить величину тока утечки, достаточную для срабатывания автоматического выключателя (как в системе TN-C-S). И в случае прямого контакта фазы с корпусом прикосновение к его токопроводящим частям может стать фатальным, если УЗО отсутствует или неисправно.

3. Используются системы заземления TN-C-S или TT. Корпус котла не заземлен, например, из-за обрыва PE-проводника.

В этом случаем маршрут утечки тоже неизбежно ведет к нейтрали трансформатора, но путь будет уже таким: «фаза — теплоноситель — корпус — стена — фундамент — земля — повторныйЗаземлительPEN — PEN — трансформатор».

Если сопротивление участка цепи «-стена-фундамент-» будет небольшим, то ток утечки заставит сработать УЗО. И это будет благоприятный исход. Однако в большинстве случаев сопротивление участка «-стена-фундамент-» будет довольно значительным и величина тока утечки будет мизерной даже для самого чувствительного УЗО.

В этом случае непосредственный контакт фазного проводника с корпусом котла создаст на нем высокий потенциал и прикосновение человека к токопроводящим частям корпуса может стать угрозой для здоровья и жизни человека. Ток в этом случае от корпуса до фундамента потечет через человека, тапки и пол, и величина тока может быть опасной для здоровья человека (рис. 4 и 5). Это как раз тот случай, когда УЗО спасает человека не заблаговременно, как в описанных выше ситуациях, а именно в момент поражения электрическим током.Человек в этом случае получит свою порцию заряда бодрости, но при исправном УЗО она будет недостаточна, чтобы нанести вред здоровью.

И, отвечая на вопрос в заголовке, PE-проводник на линии потребителя в цепи утечки не участвует, т.к.на нем обрыв или он вовсе отсутствует. Однако, заземление в виде повторного заземлителя PEN в цепи есть. Повторный заземлитель PEN может быть не так близко, например на ближайшем (или не на ближайшем) столбе. Но ток до него при обрыве PE-проводника течет через землю. И если даже ни на одном из столбов не будет повторного заземлителя PEN, то маршрут тока утечки будет пролегать по земле вплоть до глухозаземленной нейтрали трансформатора.

Таким образом, ответ на вопрос заголовка и несколько выводов:

1. Ответ на вопрос заголовка — ДА, УЗО справляется со своими задачами как с заземлением, так и без него. Для УЗО все равно, куда и каким образом утекло, через заземление или мимо. Чтобы УЗО сработало, необходимо лишь одно условие — токи в его цепях должны отличаться по номиналу.
2. Если заземление (PE-проводник на линиях потребителей) имеет место и исправно, то оно не будет лишним и будет участком в ветке электрической цепи, по которой происходит утечка и защитит человека, заблаговременно разомкнув цепь. Если заземление неисправно или вовсе отсутствует, то утечка пойдет к трансформатору через человека, конструкции и землю. И здесь потребуется вторая «линия обороны» в виде УЗО.
3. В защите от поражения человека электрическим током
   1. при использовании системы TN-C-S главную роль играет заземление, а УЗО — лишь страхует на случай неисправного заземления (обрыва PE)
   2. при использовании системы TT, либо отсутствии заземления вовсе  УЗО — единственный способ защиты человека от поражения электрическим током.