И снова о заземлении

Алексей Омельянчук, эксперт

Мало есть общетехнических распространенных вопросов, которые вызывают столь много противоречивых рекомендаций, как вопрос о «правильном» заземлении.
Причем все эти рекомендации верны в каком-то смысле и для некоторых случаев.
К сожалению, для успешного запуска большой системы невозможно дать 100%-но надежные рекомендации. К счастью, основные идеи довольно просты, для их понимания достаточно закона Ома и самого первого закона Кирхгофа.
Примечание: для тех, кто забыл, чему учит Кирхгоф, напоминаю – это один из частных случаев великого закона сохранения всего (в формулировке Ломоносова – «если откуда-то чего-то убавится, то куда-то чего-то прибавится»). В данном случае закон гласит, что все токи, втекающие в любую точку электрической цепи, должны оттуда куда-то вытечь. Суммарный ток обязан быть равным нулю.
Итак, почему речь вообще идет о заземлении. Земля – это проводник, довольно плохой (по удельному сопротивлению даже мокрая земля сильно отстает от любого металла), но очень большой, так что он есть в том или ином виде везде. Размеры также компенсируют плохую проводимость. Нередко сопротивление земли между двумя вбитыми ломиками может оказаться меньше, нежели сопротивление хорошего медного провода небольшого сечения, протянутого между ними же.
Тот факт, что земля большая и есть везде, не позволяет ее игнорировать. Арматура в стенах здания, водопроводные трубы, рельсы, металлические конструкции, как правило, имеют непосредственный контакт с землей, т. е. «заземлены». Более того, бетонный пол (особенно если бетон еще сырой, первые месяцы после строительства), по сути, также является частью Земли (Земля с большой буквы – планета Земля), хотя бетон, конечно, не земля (земля с маленькой буквы – почва).
Таким образом, оказывается, что вблизи вашей системы присутствует огромный проводник (Земля – я в дальнейшем буду писать именно с большой буквы, чтобы подчеркнуть связь заземления со всей планетой), который местами расположен очень близко к проводникам вашей системы, и, кроме того, этот же огромный проводник расположен близко к другим электрическим системам, среди которых трамваи, фрезерные станки, атомные электростанции и т. д. (т. е. сторонние системы, в которых токи и напряжения на много порядков превосходят токи и напряжения в вашей системе). 

В порядке иллюстрации: трамвай (или электричка) имеет один провод над рельсами. Второй (обратный) провод – это рельсы, лежащие на земле. То есть обратный ток (закон Кирхгофа – ток обязан утечь обратно в электростанцию) течет фактически по Земле. Напряжение – киловольты, токи – килоамперы. Линия электропередачи обычно содержит 3 провода для 3 фаз. Если потребление энергии по трем фазам неодинаково, куда разностный ток течет? Правильно, по Земле обратно к электростанции. Это сотни киловольт и сотни килоампер. Да, принимаются всяческие меры для выравнивания нагрузки на разные фазы, на самом деле обычно есть обратный провод «ноль» (или рельсы), но реально этот провод обязательно заземляется везде, где только можно (вторичное заземление), так что ток течет частично по нему, а частично (закон Ома – ток потечет обратно пропорционально сопротивлению, т. е. больше или меньше, но часть тока обязательно потечет по Земле). А заодно и по проводам вашей системы, если она соединена с землей в некоторых местах.
Что же делать несчастному монтажнику системы охранной сигнализации, в которой один миллиампер уже существенный ток, а один вольт отделяет состояние НОРМА от состояния ПОЖАР. Первая рекомендация – как можно лучше изолироваться от этой ужасной непредсказуемой вездесущей и грубо использованной энергетиками Земли. Для не очень большой системы этой рекомендации достаточно. Обратите внимание, рекомендация изолировать сигнальные цепи вашей системы от Земли никак не противоречит требованию ПУЭ заземлять все металлические части оборудования, до которых может дотронуться человек.
Учтите, такое заземление нередко требуется не только для защиты от «случайного пробоя», но и просто из-за схемотехники блока питания. Многие современные блоки питания содержат специальные цепи, уменьшающие помехи, производимые самим блоком питания. Эти цепи отводят создаваемые помехи «на землю», точнее – на корпус прибора. В результате на этом корпусе, если его не заземлить, образуется изрядное импульсное напряжение, создающее дополнительные помехи для вашего оборудования. Люди постарше до сих пор вспоминают такое изделие – ДВК2, которое без заземления было просто опасно для жизни (упрощенная схема защиты с неоправданно большими конденсаторами создавала на корпусе весьма мощное напряжение 110 В – половину питания). 

Итак, металлические корпуса заземлили, всю остальную схему изолировали от корпусов и от земли. Достаточно? В идеальной вселенной (для сферического коня в вакууме) этой рекомендации достаточно. На практике, особенно в больших системах, все несколько хуже.
Во-первых, электричество образуется буквально из воздуха. Статический заряд может возникнуть на любом предмете от трения о поток воздуха. На хорошо изолированном от Земли предмете (например, на вашем приемно-контрольном приборе) постепенно накапливается заряд до тех пор, пока напряжение между цепями прибора и Землей не превысит пороговое напряжение пробоя изоляции. Хорошо, если пробьет по воздуху промежуток на корпус. Хуже, если пробьет изоляцию в трансформаторе блока питания (и в результате после нарушения изоляции ваша система окажется под напряжением питающей сети). Впрочем, даже в лучшем случае весь накопленный заряд со всей системы быстро (наносекунды) протечет по цепям вашей системы в точку пробоя и убежит в Землю. При этом он пробежит через весьма чувствительные транзисторы-резисторы и прочие микросхемы. Все помнят, как порой больно щелкает электричество при касании заземленного предмета после ходьбы в синтетической одежде? Так ваша емкость примерно 100 пикофарад (размер примерно 100 см). Размер вашей системы может составить километры, и емкость также на три порядка больше.
Да, любая современная электроника, конечно, защищена от повреждения при возможных разрядах статического электричества при прикосновении человека. Однако не факт, что при разряде самой системы ток потечет именно там, где предполагал разработчик. Кроме того, обычные испытания предполагают именно разряд эквивалента человеческого тела – а, как уже указано, емкость большой системы может быть на несколько порядков больше, чем емкость человека.
Итак, следующая широко известная рекомендация – соединить общий провод вашей системы с землей в одной точке. Желательно вблизи основного центрального контроллера. Порой это просто неизбежно, если центральный контроллер подключен к компьютеру. Большинство компьютеров имеет железный корпус, соединенный с общим проводом схемы. Железный корпус обязательно заземлять (как минимум он заземлен через третий контакт современных «евровилок» и «евророзеток»). RS232 и большинство адаптеров RS485 не имеют гальванической развязки, поэтому ваша система окажется жестко заземленной в этом месте. Раз уж это все равно произошло, лучше сознательно самостоятельно заземлить общий провод в точке подключения к компьютеру, нежели зависеть от ненадежного контакта через кабель RS232 и кабель питания компьютера в розетку. Желательно сделать это до подключения к компьютеру, причем качественно соединить с Землей также и корпус компьютера, чтобы случайно присутствующие на системе или на корпусе компьютера напряжения не привели к выгоранию и того и другого.
Хорошо, от обратных токов трамваев изолировались, статическое электричество победили, теперь все? Конечно, нет. Все еще только начинается.
Теперь на передний план выходят утечки.
Рассмотрим проникновение через блок питания в сигнальные цепи питающей частоты 50 Гц, а также всех помех, всего мусора, который есть в питающей цепи. Например, бросков при пуске мотора лифта, при работе электросварки. Или чаще, но меньше по величине – броски тока, связанные с тем, что вся современная аппаратура имеет на входе выпрямитель, пропускающий ток только на вершинах синусоиды напряжения питания. В результате общий провод системы с одним блоком питания, если его полностью отключить от земли, оказывается примерно под напряжением 110 вольт. Конечно, связь вторичных цепей питания с первичными очень слабая, в основном это паразитные емкости трансформаторов в блоке питания. Так что если соединить общий провод системы с Землей, ток потечет небольшой (не более миллиампера), однако и такой ток, если протечет по измерительным цепям шлейфов или извещателей, может изрядно исказить результаты измерений. Лучше всего его замкнуть на Землю как можно ближе к источнику питания. 

Увы, это возможно, только если в системе один блок питания. Если же в распределенной системе множество контроллеров питаются от своих блоков питания, победить эти утечки почти невозможно. Заземление общего провода большой системы в одной точке приведет лишь к ухудшению ситуации – все помехи, проникшие в систему через блоки питания, потекут по общему проводу в точку заземления, по дороге создавая перепады напряжения и влияя на работу все схем. Так что, если возможно, следует питать все контроллеры от одного блока питания (или нескольких компактно расположенных), с тем чтобы схема системы выглядела как звезда, заземленная в центральной точке. 

Впрочем, и это решение может приводить не к улучшению, а к ухудшению защищенности от помех, если ток потребления каждого контроллера очень неравномерный, в результате этот ток питания контроллера, протекающий по общему проводу, сам будет источником помех. Падение напряжения на общем проводе, вызванное таким током, будет добавляться к напряжению полезного сигнала. Впрочем, это несущественно, если между контроллерами дифференциальная линия связи типа RS485, главное, чтобы такое напряжение помехи (пульсации тока потребления удаленного контроллера умножить на сопротивление провода) не превышало нескольких вольт. Если же неизбежно разносить блоки питания территориально, то желательно использовать гальваническую развязку между сегментами, питаемыми от разных блоков питания, или очень осторожно проводить подключение системы (см. ниже).
Итак, в небольшой системе с центральным расположением блока питания предпочтительно заземлить общий провод системы в одной точке, вблизи блока питания. Но и это утверждение не абсолютно верное. Если система весьма разветвленная, территориально большая (даже если это всего лишь один ППК, к которому подключено 20 неадресных шлейфов, каждый из которых длиной километр), мы имеем проблему утечек на Землю.
Например, поврежденная изоляция кабеля на металлической раме двери – и вуаля! – кабель соединен с землей. Или кабель попал под шуруп крепления, или изоляция перебита металлическим хомутом. Результат один и тот же – посторонние токи, текущие по Земле, попали в вашу систему. Если только в одной точке получилась, что система нечаянно соединена с землей, это не страшно. Ток не может втечь здесь в систему, если он не сможет вытечь в другом месте. Но если в одной точке вы соединили ее с Землей своими руками, а в другой нечаянно «оно само» соединилось, результат не замедлит объявиться, последствия могут быть катастрофическими. Наиболее вероятно, что утечка на землю образуется при монтаже. Конечно, самый эффективный способ защиты от проблем – изначально запроектировать гальваническую изоляцию отдельных частей системы. Если части системы не соединены общим проводом, между ними не может течь ток, и даже если обе эти части имеют существенные утечки на землю, ничего страшного не произойдет. 

Увы, это не всегда возможно. Наиболее распространенными цепями связи между устройствами в охранно-пожарных системах являются RS485, адресные и неадресные шлейфы, коаксиальный НЧ-видеосигнал и иногда, особенно в последнее время, Ethernet. Последний вариант – Ethernet – изолирован по определению. С остальными сложнее. Видеосигнал можно изолировать специальными трансформаторами (увы, качественные трансформаторы стоят дороже видеокамер). RS485 иногда можно изолировать при помощи специальных блоков развязки, но, поскольку стандарт RS485 не предусматривал такую возможность, далеко не во всех системах это возможно. Причем изолятор, успешно применяемый в одной системе, может быть неприменим в другой, и наоборот. Все зависит от используемых в системах протоколов более высокого уровня.
Еще хуже дело обстоит с адресными и неадресными шлейфами. Поскольку по ним нередко передается не только сигнал, но заодно и питание для извещателей, ни о какой изоляции говорить не приходится. Теоретически это возможно, но на практике – увы.
Однако даже в случаях, когда технически возможно осуществить изоляцию (RS485), это может быть неприемлемо экономически. Что же делать? Главное – осторожно и аккуратно проводить первый пуск. А именно для каждого соединения между контроллерами с независимыми блоками питания (подчеркну – с независимыми блоками питания, иначе по общему проводу будет течь ток питания контроллеров, и это нормально, эту ситуацию мы рассматривали выше) последовательно проводим следующую процедуру:

• если возможно, еще до подключения устройств проводим измерения сопротивления проводов всех кабельных линий, а также сопротивления изоляции всех проводов относительно друг друга и относительно Земли; 
• подключаем питание первого контроллера и затем подключаем общий провод первого контроллера к земле через резистор примерно 10 кОм. Если на нем не образуется никакого существенного падения напряжения (осторожно, при наличии ошибок монтажа там может быть 220 В), можно его закоротить – это и будет точка центрального заземления; 
• подключаем к следующему контроллеру питание (линию RS485 между ними и по возможности линии к периферийным устройствам отключаем); 
• затем соединяем контроллеры общим проводом через резистор примерно 10 кОм. Осторожно! Пока они не соединены, перепад напряжения в случае наличия утечек может составить опасную не только для электроники, но и для жизни величину! 
• измеряем напряжение на этом резисторе (и переменное, и постоянное). Если оно не превышает несколько милливольт, все хорошо, паразитные токи утечки не представляют опасности. Иначе начинаем искать, где утечка, постепенно отключая все, что к ним подключено; 
• если необходимо сначала запрограммировать контроллер, соединяем информационные линии RS485, программируем его, затем снова отключаем RS485; 
• начинаем постепенно подключать всю периферию к контроллерам, продолжая контролировать напряжение на резисторе в цепи общего провода. В таком случае минимальна вероятность того, что в какой-то момент сразу большой ток утечки попадет на чувствительную электронику; 
• после завершения подключения всей периферии, если все нормально, окончательно соединяем линии RS485 и убираем резистор, соединяя общий провод двух контроллеров накоротко. 

Таким образом, постепенно подключаем весь сегмент, состоящий из контроллеров, соединенных между собой без гальванических развязок. Линии связи с гальванической развязкой можно подключать сразу, убедившись предварительно, что сопротивление изоляции «изолятора» действительно велико. 

Кстати, такая процедура позволяет обнаружить не только наличие ненужного контакта (на землю), но и другие неисправности. Например, обрыв проводов питания одного из устройств нередко приводит к тому, что его ток питания начинает течь через какие-то защитные диоды, через провод, соединяющий контроллер с другим контроллером, и там через другой блок питания и через землю. В идеале по третьему проводу линии RS485 не должен течь никакой ток. Она предназначена именно для микротоков утечки, которые всегда присутствуют даже на новом неповрежденном кабеле, новом незагрязненном устройстве. Если вдруг по этому проводу начинает течь заметный ток, это тревожный признак. В нормальной ситуации третий (общий) провод RS485 имеет малое сопротивление и способен выровнять потенциалы двух устройств, однако, если ток будет достаточно велик, RS485 будет работать неустойчиво. В таком случае при подозрении на проблемы кабельной сети следует повторить процедуру с подключением в третий провод резистора, на котором сразу будет виден любой ток, превышающий неизбежные и безопасные единицы микроампер.
Итак, вы осуществили пуск системы, убедились, что утечек не осталось, их все ликвидировали. Увы, нет никакой гарантии, что завтра уборщица не разольет ведро воды на кабель с незначительно поврежденной изоляцией, ранее вовсе не мешавший работе системы. Есть два подхода к решению проблемы. Первый: если заземление общего провода системы сделано в одной точке и надежно, то проникновение в этот общий провод помех возле удаленного контроллера может нарушить работу только этого самого контроллера. Остальные будут работать. Да и этот, скорее всего, будет работать. Иногда нестабильно, ненадежно, но будет. Второй подход: оставить подключение к земле не напрямую, а через 10 кОм. Желающие могут сами придумать аргументы, почему лучше 100 Ом, или 1 МОм. На мой взгляд, почти все равно. Для утекания статических зарядов достаточно и 1 МОм. Я рекомендую 10 кОм, если уж вы решились на такой вариант заземления. Такая система при появлении утечки в удаленной точке системы не уведет все токи помех на землю в центральной точке – если утечка возникла далеко на периферии, это означает, что ток помехи потечет по общему проводу до самой центральной точки заземления. То есть общий провод окажется под некоторым напряжением помехи относительно Земли, этот ток помехи будет утекать везде, где сможет, через емкостные связи общего провода с Землей, помаленьку, по всей системе. Если ток помехи небольшой, да еще и рассредоточится по всей системе, скорее всего, он не приведет ни к каким отрицательным результатам. Обнаружить неисправность можно будет только при регламентных работах на системе с отключенным питанием, отключив резистор заземления и проверив сопротивление изоляции на Землю. Весьма вероятно, что к моменту проведения регламентных работ разлитая уборщицей вода высохнет и ничего не будет замечено. Однако, если в следующий раз случайно возникшая утечка будет достаточно велика, она скажется на работе всей системы. Весьма вероятно, что все контроллеры во всей системе начнут сбоить. Принимать решение вам, все системы разные, вам виднее, что для вас более приемлемо. Главное вы запомнили: при возникновении проблем можно попробовать отключить заземление или заземлить через резистор или, наоборот, закоротить резистор. В зависимости от места возникновения утечки и ее характеристик возможно, что ситуация изменится и вы сможете найти проблему.
Кстати, есть еще один аргумент для того, чтобы оставить резистор в цепи заземления. Если неосторожный монтажник (или даже в процессе эксплуатации) уронит на общий провод кабель 220 В (или перепутает полярность блока питания), то при надежном заземлении, скорее всего, выгорит провод в системе (не рассчитанный на десятки ампер), а то и дорожки на платах приборов. Если же заземление «условное» (через резистор), то выгорит максимум этот резистор.
Итак, заземление через резистор обеспечивает меньшую чувствительность системы к небольшим помехам (за счет утечки в блоке питания или на Землю), а также большую устойчивость к ошибкам при подаче питания. Однако при больших помехах такой вариант может привести к более широкому распространению проблем. Хороший (но почти не поддерживаемый отечественными производителями) вариант – использование блока питания с контролем утечек на Землю. Такой блок питания содержит специальную цепь заземления, достаточно низкоомную, чтобы помехи не создавали на ней существенного падения напряжения. Однако эта цепь содержит также автоматический предохранитель, отключающий заземление при протекании большого тока (ошибка монтажа или повреждение блока питания). Кроме того, схема контроля автоматически индицирует наличие сверхпроектного тока в цепи заземления, Кстати, вы тоже можете вместо резистора подключить самовосстанавливающийся предохранитель.
Как подключать адресные или неадресные шлейфы с извещателями. Эта ситуация чуть легче, чем с RS485, поскольку шлейфы обычно имеют всего два провода. Достаточно до подключения их к контроллеру измерить сопротивление изоляции шлейфа от Земли и от общего провода (минус питания) контроллера. Но именно до подключения. После подключения к контроллеру он начинает подавать на оба провода шлейфа некие сигналы (особенно если шлейф адресный), и что-то измерять уже бессмысленно. Остается надеяться на самодиагностику контроллера – даже на неадресных шлейфах контроллер обычно способен обнаружить замыкание на землю или появление стороннего потенциала. Ну вот, все подключили, опасных токов нет, все пустили. Достаточно? Увы, наконец на передний план выходят помехи, наводки и емкостная/индуктивная связь. 

Два длинных кабеля, проложенных рядом, имеют немалую емкость и взаимную индуктивность. Импульсные токи и напряжения в одном проникают в другой и накладываются на полезные сигналы в нем. Самый распространенный источник проблем в последние годы – линии питания люминесцентных светильников с высокочастотным поджигом (бездроссельные). Такие светильники нередко создают очень мощные помехи. Какое отношение имеет земля?
Проникновение помех в одной точке не слишком опасно. Согласно закону Кирхгофа ток помех должен не только войти в систему, но и где-то из нее выйти. Скорее всего, это означает, что он где-то должен уйти в Землю (и по Земле наконец вернуться обратно к своему источнику). И вот это уже в нашей власти – указать, где ток помехи уйдет в землю. Одно из средств защиты от наведенных помех – экранирование. Если на двухпроводной линии снаружи есть экран, то наводка осуществится именно на экран, и если мы его заземлим, то и проблемы нет – весь ток помехи по экрану уйдет в Землю и не скажется на наших сигнальных цепях. Только не забывайте, что, если вы нечаянно соедините экран с Землей в двух точках, по нему побежит часть обратного тока трамваев и электростанций, тем самым он сам (даже если не испарится от таких токов) станет источником наводок и помех на провода внутри. Экран для защиты от внешних помех должен быть именно заземлен. 

Но не все так просто. Дальше наука заканчивается, начинается искусство. Если несколько контроллеров соединены RS485, то экраны отдельных участков, с одной стороны, желательно заземлять индивидуально. Таким образом, мы избегаем больших наведенных помеховых токов, протекающих далеко по экранам, токи помех как можно ближе уходят в Землю. С другой стороны, если источником помех являются не сторонние цепи, а именно блуждающие по Земле токи, то такое подключение создает дополнительные проблемы – экран, имеющий хорошую емкостную связь с проводами внутри экрана, обеспечивает проникновение блуждающих токов непосредственно в сигнальные линии. Так что экранированная линия вполне может не устранить, а увеличить помехи. Это верно даже при заземлении экранов в одной точке, ведь емкостная связь разных цепей системы с Землей наверняка будет (помимо экранов), а стало быть, подключение экранов к Земле лишь увеличит общий ток помех, улучшив связь с Землей в экранированных линиях. 

Вывод: если источником помех является сама Земля, то экран лучше совсем не заземлять. От него тогда почти не будет пользы (ну, немножко выровняет наводки на оба провода симметричной пары), зато не будет и вреда. Определить, что является путем проникновения помех, можно только экспериментально.
Если вы применяете кабель «витая пара в экране» для RS485, то по факту вы неизбежно используете экран в качестве третьего (выравнивающего) проводника. В таком случае, конечно, его нельзя заземлять, а подключается он к «сигнальному общему проводу» с обеих сторон линии связи. Корпуса контроллеров заземлены, но изолированы от сигнальных цепей. 

Мне остается выразить надежду, что своими рассуждениями я не запутал читателей, а хоть сколько-то прояснил принципы, лежащие в основе способов борьбы с помехами. Я не могу дать однозначных рекомендаций ни по заземлению, ни даже по экранированию. Борьба с помехами в сложной большой системе – это искусство, хотя в основе его лежат утомительные процедуры тщательной проверки каждой кабельной линии.