І знову про заземлення

11

Мало є загальнотехнічних поширених питань, які викликають настільки багато суперечливих рекомендацій, як питання про «правильному» заземленні.
Причому всі ці рекомендації вірні в якомусь сенсі і для деяких випадків.
На жаль, для успішного запуску великої системи неможливо дати 100%-але надійні рекомендації. На щастя, основні ідеї досить прості, і для їх розуміння досить закону Ома і самого першого закону Кірхгофа.
Примітка: для тих, хто забув, чого вчить Кірхгоф, нагадую – це один з окремих випадків великого закону збереження всього (у формулюванні Ломоносова – «якщо десь чогось поменшає, то куди щось додасться»). В даному випадку закон говорить, що всі струми, втекающие в будь-яку точку електричної ланцюга, повинні звідти кудись витекти. Сумарний струм зобов’язаний бути рівним нулю.
Отже, чому мова взагалі йде про заземлення. Земля – це провідник, досить поганий (по питомій опору навіть мокра земля сильно відстає від будь-якого металу), але дуже великий, так що він є в тому чи іншому вигляді скрізь. Розміри також компенсують погану провідність. Нерідко опір землі між двома вбитими ломиками може виявитися менше, ніж опір хорошого мідного дроту невеликого перерізу, простягнутого між ними ж.
Той факт, що земля велика і є скрізь, не дозволяє її ігнорувати. Арматура в стінах будівлі, водопровідні труби, рейки, металеві конструкції, як правило, мають безпосередній контакт з землею, тобто «заземлені». Більш того, бетонна підлога (особливо якщо бетон ще сирий, перші місяці після будівництва), по суті, також є частиною Землі (Земля з великої літери – планета Земля), хоча бетон, звичайно, не земля (земля з маленької літери – грунт).
Таким чином, виявляється, що поблизу вашої системи є величезний провідник (Земля – я надалі буду писати саме з великої літери, щоб підкреслити зв’язок заземлення з усією планетою), який місцями розташований дуже близько до провідникам вашої системи, і, крім того, цей же величезний провідник розташований близько до інших електричних систем, серед яких трамваї, фрезерні верстати, атомні електростанції і т. д. (тобто сторонні системи, у яких струми і напруги на багато порядків перевищують струми і напруги у вашій системі).
У порядку ілюстрації: трамвай (або електричка) має один провід над рейками. Другий (зворотний) дріт – це рейки, що лежать на землі. Тобто зворотний струм (закон Кірхгофа – струм зобов’язаний пройти назад у електростанцію) тече фактично по Землі. Напруга – кіловольти, струми – килоамперы. Лінія електропередачі зазвичай містить 3 дроти для 3 фаз. Якщо споживання енергії по трьом фазам неоднаково, куди різницевий струм тече? Правильно, по Землі назад до електростанції. Це сотні кіловольт і сотень кілоампер. Так, приймаються всілякі заходи для вирівнювання навантаження на різні фази, насправді зазвичай є зворотний провід «нуль» (або рейки), але реально цей провід обов’язково заземлюється скрізь, де тільки можна (вторинне заземлення), так що струм тече частково за нього, а частково (закон Ома – струм потече назад пропорційно опору, тобто більше або менше, але частина струму обов’язково потече по Землі). А заодно і по проводах вашої системи, якщо вона з’єднана з землею в деяких місцях.
Що ж робити нещасному монтажникові системи охоронної сигналізації, в якій один міліампер вже суттєвий струм, а один вольт відділяє стан НОРМА від стану ПОЖЕЖА. Перша рекомендація – як можна краще ізолюватися від цієї жахливої непередбачуваною всюдисущої і грубо використаної енергетиками Землі. Для не дуже великий системи цієї рекомендації достатньо. Зверніть увагу, рекомендація ізолювати сигнальні ланцюга вашої системи від Землі ніяк не суперечить вимозі ПУЕ заземлювати всі металеві частини обладнання, до яких може доторкнутися людина.
Врахуйте, таке заземлення нерідко потрібна не тільки для захисту від випадкового пробою», але і просто з-за схемотехніки блоку живлення. Багато сучасні блоки живлення містять спеціальні ланцюги, зменшують перешкоди, що виробляються самим блоком живлення. Ці ланцюги відводять створювані перешкоди «на землю», точніше – на корпус приладу. В результаті на цьому корпусі, якщо його не заземлити, утворюється неабияка імпульсна напруга, що створює додаткові перешкоди для вашого обладнання. Старші Люди досі згадують такий виріб – ДВК2, яке без заземлення було просто небезпечно для життя (спрощена схема захисту з невиправдано великими конденсаторами створювала на корпусі досить потужне напруга 110 В – половину харчування).
Отже, металеві корпуси заземлили, всю іншу схему ізолювали від корпусів і від землі. Досить? В ідеальній всесвіту (для сферичного коня у вакуумі) цієї рекомендації достатньо. На практиці, особливо у великих системах, все дещо гірше.
По-перше, електрика утворюється буквально з повітря. Статичний заряд може виникнути на будь-якому предметі від тертя об потік повітря. На добре ізольованому від Землі предметі (наприклад, на вашому приймально-контрольному приладі) поступово накопичується заряд до тих пір, поки напруга між ланцюгами приладу і Землею не перевищить граничне напруга пробою ізоляції. Добре, якщо проб’є по повітрю проміжок на корпус. Гірше, якщо проб’є ізоляцію в трансформаторі блоку живлення (і в результаті після порушення ізоляції ваша система опиниться під напругою мережі живлення). Втім, навіть у кращому випадку весь накопичений заряд з усієї системи швидко (наносекунди) протече по ланцюгах вашої системи в точку пробою і втече в Землю. При цьому він пробіжить через транзистори дуже чутливі-резистори та інші мікросхеми. Всі пам’ятають, як деколи боляче клацає електрику при дотику до заземленого предмету після ходьби в синтетичному одязі? Так ваша ємність приблизно 100 пікофарад (розмір приблизно 100 см). Розмір вашої системи може скласти кілометри, і ємність також на три порядки більше.
Так, будь-яка сучасна електроніка, звичайно, захищена від пошкодження при можливих розряди статичної електрики при дотику людини. Однак не факт, що при розряді самої системи струм потече саме там, де припускав розробник. Крім того, звичайні випробування передбачають саме розряд еквівалента людського тіла – а, як вже зазначено, ємність великої системи може бути на кілька порядків більше, ніж ємність людини.
Отже, наступна широко відома рекомендація – з’єднати загальний провід вашої системи з землею в одній точці. Бажано поблизу основного центрального контролера. Інколи це просто неминуче, якщо центральний контролер підключений до комп’ютера. Більшість комп’ютерів має залізний корпус, з’єднаний із загальним проводом схеми. Залізний корпус обов’язково заземлювати (як мінімум він заземлений через третій контакт сучасних «евровилок» і «евророзеток»). RS232 і більшість адаптерів RS485 не мають гальванічної розв’язки, тому ваша система буде жорстко заземленою в цьому місці. Раз вже це все одно сталося, краще свідомо самостійно заземлити загальний провід у точці підключення до комп’ютера, ніж залежати від ненадійного контакту через кабель RS232 і кабель живлення комп’ютера в розетку. Бажано зробити це до підключення до комп’ютера, причому якісно з’єднати із Землею також і корпус комп’ютера, щоб випадково присутні на системі або на корпусі комп’ютера напруги не призвели до вигорання і того й іншого.
Добре, від зворотних струмів трамваїв ізолювалися, статична електрика перемогли, тепер все? Звичайно, немає. Все ще тільки починається.
Тепер на передній план виходять витоку.
Розглянемо проникнення через блок живлення в сигнальні ланцюги живлення частоти 50 Гц, а також всіх перешкод, все сміття, який є в живильної ланцюга. Наприклад, кидків при пуску двигуна ліфта, при роботі електрозварювання. Або частіше, але менше за величиною – кидки струму, пов’язані з тим, що вся сучасна апаратура має на вході випрямляч, пропускає струм тільки на вершинах синусоїди напруги живлення. В результаті загальний провід системи з одним блоком живлення, якщо його повністю відключити від землі, виявляється приблизно під напругою 110 вольт. Звичайно, зв’язок вторинних ланцюгів живлення з первинними дуже слабка, в основному це паразитні ємності трансформаторів в блоці живлення. Так що якщо з’єднати загальний провід системи з Землею, струм потече невеликий (не більше міліампера), однак і такий струм, якщо протече по вимірювальних ланцюгах шлейфів або сповіщувачів, може неабияк спотворити результати вимірювань. Найкраще його замкнути на Землю якомога ближче до джерела живлення.
На жаль, це можливо, тільки якщо в системі один блок живлення. Якщо ж у розподіленій системі безліч контролерів живляться від своїх блоків живлення, перемогти ці витоку майже неможливо. Заземлення загального проводу великої системи в одній точці призведе лише до погіршення ситуації – всі перешкоди, які проникли в систему через блоки живлення, потечуть щодо загального проводу в точку заземлення, по дорозі створюючи перепади напруги і впливаючи на роботу всі схем. Так що, якщо можливо, слід живити всі контролери від одного блоку живлення (або кількох компактно розташованих), з тим щоб схема системи виглядала як зірка, заземлена в центральній точці.
Втім, і це рішення може призводити не до поліпшення, а до погіршення захищеності від перешкод, якщо струм споживання кожного контролера дуже нерівномірний, в результаті цей струм живлення контролера, що протікає загального проводу, буде джерелом перешкод. Падіння напруги на загальному проводі, викликане таким струмом, буде додаватися до напруги корисного сигналу. Втім, це несуттєво, якщо між контролерами диференціальна лінія зв’язку типу RS485, головне, щоб таке напруга перешкоди (пульсації струму споживання віддаленого контролера помножити на опір провода) не перевищувала декількох вольт. Якщо ж неминуче розносити блоки живлення територіально, то бажано використовувати гальванічну розв’язку між сегментами, питаемыми від різних блоків харчування, або дуже обережно проводити підключення системи (див. нижче).
Отже, в невеликій системі з центральним розташуванням блока живлення переважно заземлити загальний провід системи в одній точці, поблизу блоку живлення. Але й це твердження не абсолютно вірне. Якщо система досить розгалужена, територіально велика (навіть якщо це всього лише один ППК, до якого підключено 20 неадресних шлейфів, кожен з яких довжиною кілометр), ми маємо проблему витоків на Землю.
Наприклад, пошкоджена ізоляція кабелю на металевій рамі дверей – і вуаля! – кабель з’єднаний з землею. Або кабель потрапив під шуруп кріплення, або ізоляція перебита металевим хомутом. Результат один і той же – сторонні струми, поточні по Землі, потрапили у вашу систему. Якщо тільки в одній точці вийшла, що система ненавмисно з’єднана з землею, це не страшно. Струм не може втекти тут в систему, якщо він не зможе витекти в іншому місці. Але якщо в одній точці ви з’єднали її з Землею своїми руками, а в іншій ненавмисно «воно саме» з’єдналося, результат не забариться з’явитися, наслідки можуть бути катастрофічними. Найбільш ймовірно, що витік на землю утворюється при монтажі. Звичайно, найефективніший спосіб захисту від проблем – спочатку запроектувати гальванічну ізоляцію окремих частин системи. Якщо частини системи не з’єднані загальним проводом, між ними не може текти струм, і навіть якщо обидві ці частини мають суттєві витоку на землю, нічого страшного не станеться.
На жаль, це не завжди можливо. Найбільш поширеними ланцюгами зв’язку між пристроями в охоронно-пожежних системах є RS485, адресні та неадресні шлейфи, коаксіальний НЧ-відеосигнал і іноді, особливо останнім часом, Ethernet. Останній варіант – Ethernet – ізольований за визначенням. З рештою складніше. Відеосигнал можна ізолювати спеціальними трансформаторами (на жаль, якісні трансформатори коштують дорожче відеокамер). RS485 іноді можна ізолювати за допомогою спеціальних блоків розв’язки, але, оскільки стандарт RS485 не передбачав таку можливість, далеко не у всіх системах це можливо. Причому ізолятор, успішно застосовуваний в одній системі, може бути застосовний в іншій, і навпаки. Все залежить від використовуваних в системах протоколів більш високого рівня.
Ще гірше справа йде з адресними і неадресными шлейфами. Оскільки за ним нерідко передається не тільки сигнал, але заразом і харчування для сповіщувачів, ні про яку ізоляції говорити не доводиться. Теоретично це можливо, але на практиці – на жаль.
Однак навіть у випадках, коли технічно можливо здійснити ізоляцію (RS485), це може бути неприйнятним економічно. Що ж робити? Головне – обережно і акуратно проводити перший пуск. А саме для кожного з’єднання між контролерами з незалежними блоками живлення (підкреслю – з незалежними блоками живлення, інакше загального проводу буде текти струм живлення контролерів, і це нормально, цю ситуацію ми розглядали вище) послідовно проводимо наступну процедуру:

  • якщо можливо, ще до підключення пристроїв проводимо вимірювання опору проводів всіх кабельних ліній, а також опору ізоляції всіх проводів відносно один одного і відносно Землі;
  • підключаємо харчування першого контролера і потім підключаємо загальний провід першого контролера до землі через резистор приблизно 10 кОм. Якщо на ньому не утворюється ніякого істотного падіння напруги (обережно, при наявності помилок монтажу там може бути 220 В), можна його зупинити – це і буде точка центрального заземлення;
  • підключаємо до наступного контролеру харчування (лінію RS485 між ними і по можливості лінії до периферійним пристроям відключаємо);
  • потім з’єднуємо контролери загальним проводом через резистор приблизно 10 кОм. Обережно! Поки вони не з’єднані, перепад напруги у разі наявності витоків може скласти небезпечну не тільки для електроніки, але і для життя величину!
  • вимірюємо напруга на цьому резисторі (і змінний, постійний). Якщо воно не перевищує декілька мілівольт, все добре, паразитні струми витоку не представляють небезпеки. Інакше починаємо шукати, де витік, поступово відключаючи все, що до них підключено;
  • якщо необхідно спочатку запрограмувати контролер, з’єднуємо інформаційні лінії RS485, програмуємо його, потім знову відключаємо RS485;
  • починаємо поступово підключати всю периферію до контролерів, продовжуючи контролювати напругу на резисторі в ланцюзі загального проводу. В такому випадку мінімальна ймовірність того, що в якийсь момент відразу великий струм витоку потрапить на чутливу електроніку;
  • після завершення підключення всій периферії, якщо все нормально, остаточно з’єднуємо лінії RS485 і прибираємо резистор, з’єднуючи загальний провід двох контролерів накоротко.

Таким чином, поступово підключаємо весь сегмент, що складається з контролерів, сполучених між собою без гальванічних розв’язок. Лінії зв’язку з гальванічною розв’язкою можна підключати відразу, переконавшись попередньо, що опір ізоляції «ізолятора» дійсно велике.
До речі, така процедура дозволяє виявити не тільки наявність непотрібного контакту (на землю), але й інші несправності. Наприклад, обрив проводів живлення одного з пристроїв нерідко призводить до того, що його струм живлення починає текти через якісь захисні діоди, через провід, що з’єднує контролер з іншим контролером, і там через інший блок живлення і через землю. В ідеалі по третьому дроту лінії RS485 не повинен текти ніякої струм. Вона призначена саме для мікрострумів витоку, які завжди присутні навіть на новому непошкодженому кабелі, новому незабруднені пристрої. Якщо раптом з цього проводу починає текти помітний струм, це тривожна ознака. У нормальній ситуації третій (загальний) провід RS485 має малий опір і здатний вирівняти потенціали двох пристроїв, однак, якщо струм буде досить великий, RS485 буде працювати нестійко. У такому випадку при підозрі на проблеми кабельної мережі слід повторити процедуру з підключенням в третій провід резистора, на якому відразу буде видно будь-струм, що перевищує неминучі і безпечні одиниці мікроампер.
Отже, ви здійснили пуск системи, переконалися, що витоків не залишилося, їх все ліквідували. На жаль, немає ніякої гарантії, що завтра прибиральниця не розіллє відро води на кабель з незначно пошкодженою ізоляцією, раніше зовсім не мешавший роботі системи. Є два підходи до вирішення проблеми. Перший: якщо заземлення загального проводу системи зроблено в одній точці і надійно, то проникнення в цей загальний провід перешкод біля віддаленого контролера може порушити роботу цього самого контролера. Інші будуть працювати. Та й цей, швидше за все, буде працювати. Іноді нестабільно, ненадійно, але буде. Другий підхід: залишити підключення до землі не безпосередньо, а через 10 кОм. Бажаючі можуть самі придумати аргументи, чому краще 100 Ом, або 1 МОм. На мій погляд, майже все одно. Для потоку статичних зарядів достатньо і 1 МОм. Я рекомендую 10 кОм, якщо вже ви зважилися на такий варіант заземлення. Така система при появі витоку в віддаленій точці системи не відведе всі струми завад на землю в центральній точці – якщо витік виникла далеко на периферії, це означає, що струм перешкоди потече щодо загального проводу до центральної точки заземлення. Тобто загальний провід опиниться під деяким напруженням перешкоди щодо Землі, цей струм перешкоди буде витікати скрізь, де зможе, через ємнісні зв’язки загального проводу із Землею, помаленьку, по всій системі. Якщо струм перешкоди невеликий, та ще й рассредоточится по всій системі, швидше за все, він не призведе ні до яких негативних результатів. Виявити несправність можна буде тільки при регламентних роботах на системі з відключеним харчуванням, відключивши резистор заземлення та перевіривши опір ізоляції на Землю. Досить імовірно, що до моменту проведення регламентних робіт розлита прибиральницею вода висохне і нічого не буде помічено. Однак, якщо в наступний раз випадково виникла витік буде досить велика, вона позначиться на роботі всієї системи. Дуже ймовірно, що всі контролери у всій системі почнуть давати збої. Приймати рішення вам, всі системи різні, вам видніше, що для вас більш прийнятно. Головне ви запам’ятали: при виникненні проблем можна спробувати відключити заземлення або заземлити через резистор або, навпаки, закоротити резистор. Залежно від місця виникнення витоку і її характеристик можливо, що ситуація зміниться і ви зможете знайти проблему.
До речі, є ще один аргумент для того, щоб залишити резистор в ланцюзі заземлення. Якщо необережний монтажник (або навіть в процесі експлуатації) упустить на загальний провід кабель 220 В (або переплутає полярність блоку живлення), то при надійне заземлення, швидше за все, вигорить провід в системі (не розрахований на десятки ампер), а то й доріжки на платах приладів. Якщо ж заземлення «умовне» (через резистор), то вигорить максимум цей резистор.
Отже, заземлення через резистор забезпечує меншу чутливість системи до невеликих перешкод (за рахунок витоку в блоці живлення або на Землю), а також більшу стійкість до помилок при подачі живлення. Проте при великих перешкодах такий варіант може привести до більш широкого поширення проблем. Хороший (але майже не підтримуваний вітчизняними виробниками) варіант – використання блоку живлення з контролем витоків на Землю. Такий блок живлення містить спеціальну ланцюг заземлення, досить низькоомну, щоб не створювали перешкоди на неї істотного падіння напруги. Однак ця ланцюг містить також автоматичний запобіжник, що відключає заземлення при протіканні великого струму (помилка монтажу або пошкодження блоку живлення). Крім того, схема контролю автоматично розпізнає наявність у понадпроектний струму в ланцюзі заземлення, до Речі, ви теж можете замість резистора підключити самовідновлюється запобіжник.
Як підключати адресні або неадресні шлейфи з сповіщувачами. Ця ситуація трохи легше, ніж з RS485, оскільки шлейфи зазвичай мають всього два дроти. Досить до підключення їх до контролера виміряти опір ізоляції шлейфу від Землі і від загального проводу (мінус харчування) контролера. Але саме до підключення. Після підключення до контролера він починає подавати на обидва дроту шлейфу якісь сигнали (особливо якщо шлейф адресний), і щось вимірювати вже безглуздо. Залишається сподіватися на самодіагностику контролера – навіть на неадресних шлейфах контролер зазвичай здатний виявити замикання на землю або поява стороннього потенціалу. Ну ось, все підключили, небезпечних струмів немає, все пустили. Досить? На жаль, нарешті на передній план виходять перешкоди, наведення і ємнісна/індуктивний зв’язок.
Два довгих кабелів, прокладених поруч, мають чималу місткість і взаємну індуктивність. Імпульсні струми і напруги в одному проникають в інший і накладаються на корисні сигнали в ньому. Найпоширеніший джерело проблем в останні роки – лінії живлення люмінесцентних світильників з високочастотним підпал (бездроссельные). Такі світильники нерідко створюють дуже потужні перешкоди. Яке відношення має земля?
Проникнення перешкод в одній точці не дуже небезпечно. Згідно закону Кірхгофа струм перешкод повинен не тільки увійти в систему, але і де-то з неї вийти. Швидше за все, це означає, що він повинен піти в Землю (і по Землі нарешті повернутися назад до свого джерела). І ось це вже в нашій владі – вказати, де струм перешкоди піде в землю. Одне з засобів захисту від наведених перешкод – екранування. Якщо на двопровідній лінії зовні є екран, то наводка здійсниться саме на екран, і якщо ми його заземлим, то і проблеми немає – весь струм перешкоди по екрану піде в Землю і не позначиться на наших сигнальних ланцюгах. Тільки не забувайте, що, якщо ви ненароком з’єднайте екран з Землею в двох точках, за нього побіжить частина зворотного струму трамваїв і електростанцій, тим самим він сам (навіть якщо не випарується від таких струмів) стане джерелом наведень і перешкод на дроти всередині. Екран для захисту від зовнішніх перешкод повинен бути заземлений.
Але не все так просто. Далі наука закінчується, починається мистецтво. Якщо кілька контролерів з’єднані RS485, то екрани окремих ділянок, з одного боку, бажано заземлювати індивідуально. Таким чином, ми уникаємо великих наведених завадових струмів, що протікають далеко за екранів, струми завад як можна ближче йдуть у Землю. З іншого боку, якщо джерелом перешкод не сторонні ланцюга, а саме блукають по Землі струми, то таке підключення створює додаткові проблеми – екран, має хорошу ємнісну зв’язок з проводами всередині екрану, забезпечує проникнення блукаючих струмів безпосередньо в сигнальні лінії. Так що екранована лінія цілком може не усунути, а збільшити перешкоди. Це вірно навіть при заземлення екранів в одній точці, адже ємнісна зв’язок різних ланцюгів системи з Землею напевно буде (крім екранів), а стало бути, підключення екранів до Землі лише збільшить загальний струм перешкод, поліпшивши зв’язок з Землею в екранованих лініях.
Висновок: якщо джерелом перешкод є сама Земля, то екран краще зовсім не заземлювати. Від нього тоді майже не буде користі (ну, трошки вирівняє наведення на обидва дроту симетричної пари), зате не буде і шкоди. Визначити, що є шляхом проникнення перешкод, можна лише експериментально.
Якщо ви застосовуєте кабель «вита пара на екрані» для RS485, то за фактом ви неминуче використовуєте екран в якості третього (вирівнюючого) провідника. В такому випадку, звичайно, його не можна заземлювати, а він підключається до «сигнальному загального проводу» з обох сторін лінії зв’язку. Корпуси контролерів заземлені, але ізольовані від сигнальних ланцюгів.
Мені залишається висловити сподівання, що своїми міркуваннями я не заплутав читачів, а хоч скільки-прояснив принципи, що лежать в основі способів боротьби з перешкодами. Я не можу дати однозначних рекомендацій ні заземлення, ні навіть по екрануванню. Боротьба з перешкодами у складній великий системі – це мистецтво, хоча в основі його лежать виснажливі процедури ретельної перевірки кожної кабельної лінії.