"Zemlja" jedan pojam, mnogo značenja

 

    

    Problem sa terminom zemlja je sam termin; jednostavno je previše dvosmislen! Često može biti potrebna jedna veza da služi višestrukim svrhama sa različitim (i često suprotstavljenim) pravilima za svaku svrhu (karikatura). Štaviše, zemlja može da obezbedi „skrivene staze“ za smetnje i buku: struji nije briga kojom će putanjom krenuti, čak i nenamerno, sve dok se vraća svom izvoru.

    Jedna od definicija pojma "zemlja":

    Provodna veza, bilo namerna ili slučajna, pomoću koje se električno kolo ili oprema povezuje sa zemljom, ili sa nekim provodnim telom relativno velike mere koje služi umesto zemlje.

Napomena: Uzemljenja se koriste za uspostavljanje i održavanje potencijala zemlje (ili provodnog tela), ili približno tog potencijala, na provodnicima povezanim sa njim i za vođenje uzemljenih struja do i od zemlje (ili provodnog tela).

Termin „zemlja“ je osnovni deo ove definicije i povezan je prvenstveno sa minimiziranjem ozbiljnosti električnih kvarova kada se izvode sa razumevanjem šta se dešava tokom električnog kvara kako bi se osigurala bezbednost opreme i osoblja. Međutim, treba obratiti pažnju na činjenicu da uzemljenje ne uključuje nužno električnu vezu sa stvarnom zemljom. Na primer, sistemi instalirani na avionima funkcionišu prilično dobro kada je avion u vazduhu, čak i kada ga udari grom i njegov potencijal je podignut na milione volti! U tom slučaju, konstrukcija aviona čini provodno telo relativno velikog obima koje služi umesto zemlje.

Termin je proširen tako da podrazumeva zajedničku vezu za napajanje ili vezu sa metalnim kućištem u kome se nalaze komponente i kola sistema, služeći kao zajednička referenca za ta kola; uzemljenje je jednostavno slučajno i rezultat je loše upotrebe terminologije.

„Zemlja“ u sistemu je relativno! Izaberite bilo koju tačku u kolu ili sistemu koja će služiti kao uzemljenje i referencirajte sve druge napone na tu tačku. Na primer, ako ste imali napajanje od 48 V DC (linija za povratne terminale) i odlučili da svoj terminal „–“ postavite na 0 V ili uzemljenje, tada bi napon na drugom terminalu izlaza napajanja bio na + 48 V DC u odnosu na zemlju ili masu (slika); međutim, ako odlučite da „+“ terminal bude V ili uzemljenje sistema, tada bi napon na drugom terminalu napajanja bio na −48 V (obično se koristi u telekomunikacionim kolima) u odnosu na masu (slika).

Da bi se sprečila zabuna, sledeći termini koji se koriste u ovom članku i daljnjim pisanjima na ovu temu su definisani na sledeći način:

• Zemlja: generički termin koji treba izbegavati, osim ako se ne koristi u sprezi sa drugim terminom, kao što je „zaštitno uzemljenje“.

• Referenca: Sistem provodnih puteva među međusobno povezanom opremom koji smanjuje napone izazvane bukom na nivoe koji minimiziraju nepravilan rad.

• Povrat signala: Putanja struje između opterećenja i izvora signala. To je niska strana zatvorenog kruga za prenos energije između para izvor-opterećenje.

• Zemlja: Provodljiva masa zemlje, čiji se električni potencijal u bilo kojoj tački konvencionalno smatra jednakim nuli.

Uzemeljenje—istorijska perspektiva i evolucija pojma

    Tokom prvih 140 godina električne energije koju je proizveo čovek, naučnici i inženjeri su koristili zemlju, površinu zemaljske sfere na kojoj živimo, kao provodnik za povratak neprekidnog protoka električne struje nazad u izvor. Edison je shvatio da korišćenje zemlje kao električnog provodnika predstavlja opasnost po bezbednost ljudi i životinja. U kratkom periodu od četvrt veka nije korišćen kao provodnik za kontinuirani protok električne energije koju je napravio čovek.

    Eksperimenti o kretanju struje koje je napravio čovek u zemlji i/ili vodi izvedeni su naučnim metodama u julu 1746. Vinkler iz Lajpciga je napunio i ispraznio bateriju koja se sastojala od tri Lejdenske tegle koristeći reku Plejse kao povratnu putanju za ljudskim rukama stvorenu struju.

    Istorijski gledano, prva funkcionalna primena uzemljenja evoluirala je u telegrafiji. Jedan od najranijih primera elektrohemijskog telegrafa je prvi put predstavljen 1753. godine, a razvio ga je 1804. Francisco Salva Campillo koji se sastoji od 35 žica. Semjuel Tomas fon Somering je 1809. poboljšao višežični telegrafski sistem. U Sjedinjenim Državama 1836. godine, dr Dejvid Alter iz Eldertona, Pensilvanija, 60 milja severozapadno od Pitsburga, osmislio je i demonstrirao jednožični telegrafski sistem koji je koristio zemlju za povratnu struju koju je napravio čovek. Nemački naučnik Karl Avgust Štajnhajl je 1838. godine predložio da se zemlja koristi kao povratna putanja za završetak kola, čineći povratnu žicu nepotrebnom i koristeći samo jedan provodnik za telegrafske sisteme (slika).

    Bilo je problema sa ovim sistemom, što je primer transkontinentalne telegrafske linije koju je 1861. godine izgradila kompanija Vestern Union između Sent Džozefa, Misuri, i Sakramenta u Kaliforniji. Tokom suvog vremena, priključak za uzemljenje je često razvijao visok otpor, što je zahtevalo da se voda izlije na uzemljujuću elektrodu kako bi se omogućilo telegrafu da radi ili da telefoni zvone.

    Nakon svog uspešnog pronalaska lampe sa žarnom niti, Tomas A. Edison je nastavio da instalira Edisonov sistem osvetljenja u Njujorku, a zatim Edisonovu instalaciju u Londonu, Engleska, koja je počela sa radom januara 1882. Prva centralna proizvodna stanica u Sjedinjenim Državama je bila centralna elektrana na 255–257 Pearl Street na Menhetnu, u Njujorku, 1882. godine, sa jednim dinamom od 110 V pokretan parnom mašinom.

    Pretpostavlja se da je Edison bio svestan testiranja koje je urađeno u Evropi koje je pokazalo da su zemlja i reke odlični provodnici električne energije i radova na telegrafskom sistemu, koje je koristilo jedan provodnik sa povratnim uzemljenjem. Edisonova električna proizvodnja je bila jednosmerni dinamo koji se sastojao od dve žice, od kojih je jedna bila pozitivni provodnik, a druga negativni provodnik.

    Edison je iskoristio postojeće gasne cevi za osvetljenje da svoj izolovani pozitivni provodnik vodi do postojeće gasne lampe, koju je zamenio svojom električnom lampom sa žarnom niti, a zatim spojio neutralnu povratnu struju na postojeću gasnu cev, koja je ušla u zemlju. U ovom trenutku, ova električna veza gasne cevi sa zemljom može se smatrati prvom elektrodom za uzemljenje. Edison je koristio zemlju da vrati negativnu struju nazad u centralnu generatorsku stanicu Perl Street.

    Na početku, Edison je implementirao plutajući pristup za svoje DC sisteme nakon što je nekoliko događaja pokazalo štetne efekte zalutalih jednosmernih struja koje teku kroz zgrade i susedstva: konj je bio šokiran kada je hodao po „elektrificiranom tlu“ u blizini njegove proizvodne stanice u Pearl Streetu i radnici koji su radili na njegovom podzemnom distributivnom sistemu verovali su da je „đavo u žici“.

    Zbog problema sa električnim šokom, Edison je shvatio da može spasiti provodnik korišćenjem dva dinamo-a u seriji sa središnjom tačkom između njih koja je zajednički provodnik (slika). Edison je prepoznao opasnosti pri korišćenju zemlje kao povratne putanje struje i njegov trožični sistem se sastoji od trožične uzemljene srednje tačke samo na jednoj lokaciji, koja snabdeva fazni napon od 220 i 110 V za osvetljenje. Ovo je osnova elektrodistribucije u domovima danas, osim što u današnjem elektrodistributivnom sistemu nije ispoštovano uzemljenje u jednoj tački.

Kada se razmatra distribucija naizmenične struje, Vestinghaus/Tulsa sistem proizvodnje naizmenične struje u početku se smatrao nebezbednim od Elihua Tomsona (1853–1937).

Jedan od razloga zašto je Tomson odložio prijavu za ovaj patent o distribuciji naizmenične struje bio je njegov strah da će sistem biti opasan kada se svede na praksu; izolacija transformatora bi se mogla pokvariti i u sekundarnom kolu bi se pojavio visoki napon primara. Tek kada je 1885. otkrio način da se izbegne opasnost, uglavnom uzemljenjem sekundara u transformatoru, bio je voljan da se distributivni sistem stavi u upotrebu.

U ranim godinama dvadesetog veka, povećana primena električnih mašina i uređaja izazivala je požare i žrtve. Praksa za obezbeđivanje sprečavanja opasnosti od strujnog udara u vezi sa korišćenjem električne energije nije bila u potpunosti shvaćena.

Posle Drugog svetskog rata, sa povećanom pojavom izvora elektromagnetnih smetnji (EMI), kako prirodnih tako i veštačkih, uzemljenje je postepeno počelo da se povezuje sa dodatnom ulogom kontrole EMI. Uzemljenje je postalo povezano sa mnogim od mera kontrole EMI gde je kvalitet uzemljenja povezivan sa zaštitom, performansama filtera i obezbeđivanjem sporednih puteva za smetnje kao zaštite osetljivih kola.