Что такое "фаза", "ноль" и "земля", и зачем они нужны.

Сегодня решил попробовать разобраться с тем, что такое "фаза", "ноль" и "земля".
Небольшой поиск в Гугле по этому поводу выявил, что в основном люди в интернете отвечают на этот вопрос каждый по-своему, где-то неполно, где-то с ошибками.
Я решил разобраться в этом вопросе досконально, в результате чего появилась эта статья.
Достаточно длинная, но в ней всё объяснено, в том числе, что такое фаза, ноль, земля, как это всё появилось и зачем всё это нужно.

Если очень кратко, то фаза и ноль — для электричества, а земля — только для заземления корпусов электроприборов, во имя спасения жизни человека в случае утечки электрического тока на корпус электроприбора.


Если начать с самого начала: откуда берётся электричество?
Все электростанции построены на одном и том же принципе: если магнит вращать внутри катушки (создавая тем самым периодическое "переменное" магнитное поле), то в катушке возникает "переменный" электрический ток (и, соответственно, "переменное" напряжение).
Этот величайший по своему значению эффект называется в физике "ЭлектроДвижущей Силой индукции", она же "ЭДС индукции", была открыта в середине XIX века.

"Переменное" напряжение - это когда берётся обычное "постоянное" напряжение (как от батарейки), и изгибается по синусу, и оно поэтому то положительное, то отрицательное, то снова положительное, то снова отрицательное.

Напряжение на катушке является "переменным" по своей природе (никто его специально не изгибает) - просто потому что таковы законы физики (электричество из магнитного поля можно получить только тогда, когда магнитное поле "переменное", и поэтому получаемое на катушке напряжение тоже всегда будет "переменным").

Итак, значит, где-то в дебрях электростанции вращается магнит (для примера - обычный, а в реальности - "электромагнит"), называемый "ротором", а вокруг него, на "статоре", закреплены три катушки (равномерно "размазаны" по поверхности статора).

Вращается этот магнит, не человеком, не рабом, и не огромным сказочным големом на цепи, а, например, потоком воды на мощной ГидроЭлектроСтанции (на рисунке магнит стоит на оси турбины в "Генераторе").

Поскольку в таком случае (случае вращения магнита на роторе) магнитный поток, проходящий через катушки (неподвижные на статоре), периодически меняется во времени, то в катушках на статоре создаётся "переменное" напряжение.

Каждая из трёх катушек соединена в свою отдельную электрическую цепь, и в каждой из этих трёх электрических цепей возникает одинаковое "переменное" напряжение, только сдвинутое ("по фазе") на треть окружности (120 градусов из полных 360-ти) друг относительно друга.

Такая схема называется "трёхфазным генератором": потому что есть три электрических цепи, в каждой из которых (одинаковое) напряжение сдвинуто по фазе.
(на рисунке выше "N-S" - это обозначение магнита: "N" - северный полюс магнита, "S" - южный; также на этом рисунке вы видите те самые три катушки, которые для упрощения понимания маленькие и стоят отдельно друг от друга, но в реальности они по ширине занимают треть окружности и плотно прилегают друг к другу на кольце статора, так как в таком случае получается больший КПД генератора электроэнергии)

Можно было бы с одной такой катушки оба конца проводки просто взять и вести к дому, а там от них чайник запитать.
Но можно сэкономить на проводах: зачем тащить в дом два провода, если можно один конец катушки просто тут же заземлить (воткнуть в землю), а от второго конца вести провод в дом (этот провод назовём "фазой").
В доме этот провод подсоединяется, например, к одному штырьку вилки чайника, а другой штырёк вилки чайника - заземляется (грубо говоря, просто втыкается в землю).
Получим то же самое электричество: одна дырка в розетке будет называться "фазой", а вторая дырка в розетке будет называться "землёй".

Теперь, раз уж у нас три катушки, сделаем так: скажем, "левые" концы катушек соединим вместе и прямо тут же заземлим (воткнём в землю).
А оставшиеся три провода (получается, это будут "правые" концы катушек) по отдельности потянем к потребителю.
Получится, мы тянем к потребителю три "фазы".

Вот мы и получили "трёхфазный ток", идущий от генератора "трёхфазного тока".
Это "трёхфазное" напряжение идёт по проводам Линии ЭлектроПередач (ЛЭП) к нам во двор, в дворовую подстанцию (домик такой стоит, рядом с детской площадкой, со знаком "осторожно, высокое напряжение").
И не только "к нам во двор" - по всей огромной России тянули наши предки эти ЛЭПы во времена ударных пятилеток коммунизма (а это огого какая гигантская работа: тянули электричество, прокладывали дороги, осушали болота, заводы строили по всей стране, поднимали целину - это не в офисах под кондиционерами сидеть).

Изобретён этот "трёхфазный ток" был в самом конце XIX века.
Передача электричества в виде именно трёхфазного тока, как некоторые говорят, экономичнее (возможно, меньше потерь в проводах, или что-нибудь типа того), и там ещё, говорят, у него есть разные преимущества над обычным током для промышленного применения.
Например, все вращающиеся штуки на заводах — станки там, двигатели, насосы, и прочее — сделаны именно для трёхфазного тока, поскольку гораздо легче построить вращающуюся штуковину на трёхфазном токе: достаточно просто точно так же подсоединить эти три фазы к трём катушкам на кольце, и в центр вставить металлический стержень с рамкой — и будет он сам крутиться, как только пойдёт ток.
Такой агрегат называется «трёхфазным двигателем».
Поскольку изначально электричеством заморачивались именно на заводах (не было тогда ещё в домах компьютеров, холодильников и люстр), то исторически всё идёт от промышленности в первую очередь.
Поэтому, видимо, ток из электростанции в ЛЭП пускают всегда трёхфазным, с напряжением 35 килоВольтов между фазами (а сила тока в проводах при этом — около 300 Амперов).

Такое высокое напряжение нужно, потому что нужна большая мощность тока: весь город энергию ест, как-никак, да и различные заводы потребляют порою огого сколько мощности: металлургические, например.
Большую мощность тока можно получить либо повышая силу тока, либо повышая напряжение (потому что мощность тока - это сила тока умноженная на напряжение).
При этом чем больше сила тока, тем больше энергии тратится впустую при преодолении сопротивления проводов при передаче электроэнергии на расстояние по проводам (потерянная энергия равняется силе тока в квадрате, умноженной на сопротивление проводов - именно поэтому чем толще провода в ЛЭП, тем экономичнее, потому что чем толще провод, тем меньше его сопротивление).
Поэтому экономически целесообразно повышать мощность передаваемого тока, наращивая не силу тока, а напряжение (напряжению никак не мешает сопротивление проводов - такова его природа).
Потребитель потребляет из розетки именно мощность (силу тока, умноженную на напряжение), а не отдельно ток и не отдельно напряжение, поэтому его не волнует, в каком виде эта мощность к нему в дом придёт по проводам: будет ли там больше тока и меньше напряжения, или, наоборот, больше напряжения и меньше тока - потребителя волнует только мощность в целом.

Поэтому на электростанции, перед передачей электроэнергии в провода ЛЭП, излишнюю силу тока, выработанного электрогенератором, перегоняют в напряжение, а при приёме тока в «подстанции» во дворе вашего дома выполняется обратное преобразование - излишнее напряжение перегоняют обратно в силу тока, поскольку к этому моменту весь путь по ЛЭП уже успешно пройден электроэнергией с минимальными потерями.

Прямо всю силу тока перекачать в напряжение не получится, потому что при гигантских напряжениях в проводах возникают свои сложности (может пробить через изоляцию, например, или зажарить человека, проходящего под ЛЭП, или ещё чего-нибудь).
Вот забавное видео про короткое замыкание ЛЭП в 110 килоВольтов - весёлый феерверк:

Занимательный факт: при длине ЛЭП переменного тока более нескольких тысяч километров возникает ещё один вид потерь — радиоизлучение. Так как такая длина уже сравнима с длиной электромагнитной волны частотой 50 Гц, провод работает как антенна.

Я уже объяснил, что такое "фаза" и что такое "земля", и дальше я объясню, что такое "ноль" ("нулевой провод") и зачем он нужен. Объяснение займёт следующие несколько абзацев, и может показаться непростым, но для понимания того, что такое "ноль", придётся понять это объяснение.

Для упрощения, пока представим, что как будто бы трёхфазный генератор стоит не на ГидроЭлектроСтанции, а прямо у нас в квартире. Условно "левые" концы катушек на статоре мы, как и раньше, соединяем вместе.

Такой способ соединения называется соединением по схеме "звезда". Полученная точка соединения трёх фазных проводов называется "нейтралью".

"Нейтраль" обычно заземляют для большей безопасности: если нейтраль не заземлить, то потом когда одна из фаз случайно замкнётся на землю где-нибудь в доме, то полученная электрическая цепь будет разомкнутой - не будет токопроводящего пути от места касания фазой земли в доме обратно на эту фазу на подстанции. А если бы нейтраль заземлили на подстанции, то обратный путь с земли в доме на фазу на подстанции прошёл бы через землю: землю можно в данном случае представить как огромный проводник, хотя строго говоря это и не так, она же не металлическая, но для наглядности можно представить её как один огромный проводник. Итак, при отсутствии заземления "нейтрали" на подстанции, при коротком замыкании фазы на землю ток из фазы в землю не пойдёт (или, может быть, пойдёт, но будет относительно небольшим), и такая неисправность не будет засечена специально созданными для этого приборами ("автоматами"), и эти приборы ("автоматы") не смогут вовремя предотвратить опасное замыкание фазы на землю, выключив электричество. Подробнее принцип работы "автоматов" описан в конце этой статьи. А если вас заинтересует более подробное объяснение, зачем используется именно заземлённая нейтраль, то можете прочесть его по этой ссылке.

В "нейтральной" точке, как можно посчитать по школьным формулам тригонометрии (или на глаз отмерить по графику с тремя фазами напряжения, который я давал в начале статьи), суммарное напряжение равно нулю. Всегда, в любой момент времени. Вот такая интересная особенность. Поэтому она и называется "нейтралью".

Теперь возьмём и подсоединим к "нейтрали" провод, и этот, получается, уже четвёртый провод тоже будет тянуться рядом с тремя фазными проводами (и ещё рядом будет тянуться пятый провод - это "земля", которой можно будет заземлить корпус подключенного электроприбора).

Получается, от генератора теперь будет идти четыре провода (плюс пятый - "земля"), а не три, как раньше.
Подключим эти провода к какой-нибудь нагрузке (например, к какому-нибудь трёхфазному двигателю, который тоже стоит у нас в квартире).
(на рисунке ниже генератор изображён слева, а трёхфазный двигатель - справа; точка G - это "нейтраль").

На нагрузке (на двигателе) все три фазных провода тоже соединяются в одну точку (только не напрямую, чтобы не было короткого замыкания, а через некоторые большие сопротивления), и получается ещё одна такая "как бы нейтраль" (точка M на рисунке).
Теперь соединим четвёртый провод (идущий он "нейтрали"; точка G на рисунке) с этой второй "как бы нейтралью" (точка M на рисунке), и получим так называемый "нулевой провод" (идущий от точки G к точке M).

Зачем нужен этот "нулевой" провод?
Можно было бы, как и раньше, не заморачиваться, и просто подсоединять одну из фаз на один шпенёк вилки чайника, а другой шпенёк вилки чайника соединять с землёй, как мы делали раньше, и чайник бы нормально работал.
Вообще, как я понял, так и делали в старых советских домах: там от подстанции в дом заходят только два провода - провод фазы и провод земли.

В новых же домах (новостройках) в квартиры входят уже три провода: фаза, земля и этот «ноль». Это более прогрессивный вариант. Это европейский стандарт.
И правильно соединять фазу именно с нулём, а землю вообще оставить в покое, отдав ей только роль защиты от удара током (именно такой смысл должно нести слово «заземление», и никакого отношения к потреблению тока в розетке оно иметь не должно).
Потому что если все на землю ещё и ток будут пускать, то само заземление станет опасным — абсурд получится, будет поставлен с ног на голову весь смысл заземления.

Теперь немного математики, для тех, кто умеет её считать, и для тех, кто ещё не устал: попробуем посчитать напряжение между фазой и "нейтралью" (то же самое, что между фазой и "нулём").
(вот ещё ссылка с расчётами, если кто-то захочет заморочиться этим)
Пусть амплитуда напряжения между каждой фазой и "нейтралью" равна U (само напряжение переменное, и скачет по синусу от минус амплитуды до плюс амплитуды).
Тогда напряжение между двумя фазами равно:
U sin(a) - U sin(a + 120) = 2 U sin((-120)/2) cos((2a + 120)/2) = -√3 U cos(a + 60).
То есть, напряжение между двумя фазами в √3 ("квадратный корень из трёх") раз больше напряжения между фазой и "нейтралью".
Поскольку наш трёхфазный ток на подстанции имеет напряжение 380 Вольт между фазами, то напряжение между фазой и нулём получается равным 220 Вольтам.
Для этого и нужен "ноль" - для того, чтобы всегда, при любых условиях, при любых нагрузках в сети, иметь напряжение в 220 Вольт - ни больше, ни меньше. Оно всегда постоянно, всегда 220 Вольт, и вы можете быть уверены, что пока вся электрика в доме правильно подсоединена, у вас ничего не сгорит.
Если бы не было нулевого провода, то при разной нагрузке на каждую из фаз возник бы так называемый "перекос фаз", и у кого-то что-то могло бы сгореть в квартире (возможно даже в прямом смысле слова, вызвав пожар). Например, банально могла бы загореться изоляция проводки, если она не является пожаробезопасной.

До сих пор мы для простоты рассматривали случай воображаемого трёхфазного генератора, стоящего прямо в квартире.
Поскольку расстояние от квартиры до дворовой подстанции мало, и на проводах можно не экономить, то можно (и нужно, так же удобнее) перенести этот воображаемый трёхфазный генератор из квартиры в подстанцию.
Мысленно перенесли.
Теперь разберёмся с воображаемостью генератора. Понятно, что реальный генератор стоит не на подстанции, а где-нибудь далеко, на ГидроЭлектроСтанции, за городом. Можем ли мы на подстанции, имея три входящих фазных провода от ЛЭП, как-нибудь их соединить так, чтобы получилось всё то же самое, как если бы генератор стоял прямо в этой подстанции? Можем, и вот как.
В дворовой подстанции приходящее с ЛЭП трёхфазное напряжение снижается так называемым "трёхфазным" трансформатором до 380 Вольт на каждой фазе.
Трёхфазный трансформатор - это в простейшем случае просто три самых обычных трансформатора: по одному на каждую фазу

В реальности его конструкцию немного улучшили, но принцип работы остался тем же самым:

Бывают маленькие, и не очень мощные, а бывают большие и мощные:

Таким образом, входящие фазные провода от ЛЭП не прямо подсоединяются и заводятся в дом, а идут на этот огромный трёхфазный трансформатор (каждая фаза - на свою катушку), из которого уже "бесконтактным" способом, через электромагнитную индукцию, передают электроэнергию на три выходные катушки, от которых она идёт по проводам в жилой дом.
Поскольку на выходе из трёхфазного трансформатора имеются те же самые три фазы, которые вышли из трёхфазного генератора на электростанции, то здесь можно точно так же одни концы (условно, "левые") этих трёх выходных катушек трансформатора соединить друг с другом, чтобы получить "нейтраль" у себя на подстанции. А из нейтрали - вывести в жилой дом четвёртый "нулевой провод", вместе с тремя фазными (идущими от условно "правых" концов этих трёх выходных катушек трансформатора). И ещё добавить пятый провод - "землю".

Таким образом, из подстанции в итоге выходят три "фазы", "ноль" и "земля" (всего - пять проводов), и далее распределяются на каждый подъезд (например, можно распределить по одной фазе в каждый подъезд - получается по три провода заходит в каждый подъезд: одна фаза, ноль и земля), на каждую лестничную площадку, в электрораспределительные щитки (где счётчики стоят).

Итак, мы получили все три провода, выходящие из подстанции: "фаза", "ноль" (иногда "ноль" называют ещё "нейтралью") и "земля".
"фаза" - это любая из фаз трёхфазного тока (уже пониженного до 380 Вольт между фазами на подстанции; между фазой и нулём получится ровно 220 Вольт).
"ноль" - это провод от "нейтрали" на подстанции.
"земля" - это просто провод от хорошего правильного грамотного заземления (например, припаян к длинной трубе с очень малым сопротивлением, вбитой глубоко в землю рядом с подстанцией).

Внутри подъезда фазовый провод по схеме параллельного включения расщипляется на все квартиры (то же самое делается с нулевым проводом и проводом земли).
Соответственно, делиться ток по квартирам будет по правилу параллельного тока: напряжение в каждую квартиру будет идти одно и то же, а сила тока - тем больше, чем больше подключенная нагрузка в каждой квартире.
То есть, в каждую квартиру сила тока будет идти "каждому по потребностям" (и проходить через квартирный счётчик, который это всё будет подсчитывать).

Что может произойти, если все включат обогреватели зимним вечером?
Потребляемая мощность резко возрастёт, ток в проводах ЛЭП может превзойти допустимые рассчитанные пределы, и может либо какой-то из проводов перегореть (провод разогревается тем сильнее, чем больше его сопротивление и чем большая сила тока в нём течёт, и борется с этим сопротивлением), либо просто сама подстанция сгорит (не та, которая во дворе дома, а одна из Главных Подстанций города, которая может оставить без электроэнергии сотни домов, часть города может несколько суток сидеть без света и без возможности приготовить себе еду).

Если ещё у кого-то остался вопрос: зачем тянуть в дом все три провода, если можно было бы тянуть только два - фазу и ноль или фазу и землю?

Только фазу и землю тянуть не получится (в общем случае).
Выше мы посчитали, что напряжение между фазой и нулём всегда равно 220 Вольтам.
А вот чему равно напряжение между фазой и землёй - это не факт.
Если бы нагрузка на всех трёх фазах всегда была равной (см. схему "звезды", когда я объяснял её выше), то напряжение между фазой и землёй было бы всегда 220 Вольт (просто вот такое совпадение).
Если же на какой-то из фаз нагрузка будет значительно больше нагрузки на других фазах (скажем, кто-нибудь включит супер-сварочную-установку), то возникнет "перекос фаз", и на малонагруженных фазах напряжение относительно земли может подскочить вплоть до 380 Вольт.
Естественно, техника (без «предохранителей») в таком случае горит, и незащищённые провода тоже могут загореться, что может привести к пожару в квартире.
Точно такой же перекос фаз получится, если провод "нуля" оборвётся, или даже просто отгорит на подстанции, если по нулевому проводу пойдёт слишком большой ток (чем больше "перекос фаз", тем сильнее ток идёт по проводу нуля).
Поэтому в домашней сети обязательно должен использоваться ноль, и нельзя ноль заменить землёй.
Помню, когда мой отец делал разводку в его квартире в новостройке в Москве, и видел знакомый ему с советской молодости провод земли, а потом видел незнакомый ему провод ноля, то он, недолго думая, просто откусывал кусачками провод ноля, приговаривая, что "а он не нужен"...

Тогда зачем нам в доме нужен провод "земли"?

Для того, чтобы "заземлять" корпусы электроприборов (компьютеров, чайников, стиральных и посудомоечных машин), для того, чтобы от них не било током при прикосновении.

Приборы тоже иногда ломаются.

Что будет, если провод фазы, где-нибудь внутри прибора, отвалится и упадёт на корпус прибора?

Если корпус прибора вы заранее заземлили, то возникнет "ток утечки" (произойдёт короткое замыкание фазы на землю, вследствие чего упадёт ток в основном проводе фаза-ноль, потому что почти всё электричество устремится по пути меньшего сопротивления - по создавшемуся короткому замыканию фазы на землю).

Этот ток утечки будет немедленно замечен либо "автоматом" стоящим в щитке, либо "Устройством Защитного Отключения" (УЗО), тоже стоящим в щитке, и оно сразу разомкнёт цепь.

Почему недостаточно обычного "автомата", и зачем ставят именно УЗО? Потому что у "автомата" и у УЗО разный принцип работы (а ещё, "автомат" срабатывает гораздо позже, чем УЗО).

УЗО наблюдает за входящим в квартиру током (фаза) и исходящим из квартиры током (ноль), и размыкает цепь, если эти токи неодинаковы (в то время как "автомат" измеряет только силу тока на фазе, и размыкает цепь, если ток на фазе превосходит допустимый предел).
Принцип работы УЗО очень прост и логичен: если входящий ток не равен исходящему, то, значит, где-то "протекает": где-то фаза имеет какой-то контакт с землёй, чего по правилам быть не должно.
УЗО измеряет разность между силой тока на фазе и силой тока на нуле. Если эта разность превышает несколько десятков миллиАмперов, то УЗО немедленно срабатывает и выключает электричество в квартире, чтобы никто не пострадал, прикоснувшись ко сломанному прибору.
Если бы в щитке не стояло УЗО, и вышеупомянутый провод фазы внутри корпуса, скажем, компьютера, отвалился бы, и замкнулся бы на заземлённый корпус компьютера, и лежал бы так себе незамеченным, а, потом, через пару дней, человек стоял бы рядом, и разговаривал по телефону, оперевшись одной рукой на корпус компьютера, а другой рукой - скажем, на батарею отопления (которая тоже фактически является одной гигантской землёй, т.к. протяжённость отопительной сети огромная), то догадайтесь, что бы стало с этим человеком.
А если бы, например, УЗО стояло, но корпус компьютера не был бы заземлён, то УЗО сработало бы только во время прикосновения человека к корпусу и батарее. Но, по крайней мере, оно бы в любом случае мгновенно сработало, в отличие от "автомата", который бы сработал только через некоторый промежуток времени, пусть и маленький, но не мгновенно, как УЗО, и к тому времени человек мог бы быть уже "зажарен". Казалось бы, тогда, можно и не заземлять корпусы электроприборов - УЗО же в любом случае "мгновенно" сработает и разомкнёт цепь. Но кто-нибудь хочет испытать судьбу на предмет того, успеет ли УЗО достаточно "мгновенно" сработать и отключить ток, пока этот ток не нанесёт серьёзных повреждений организму?
Так что и "земля" нужна, и УЗО нужно ставить.

Поэтому нужны все три провода: "фаза", "ноль" и "земля".

В квартире к каждой розетке подходит тройка проводов "фаза", "ноль", "земля".
Например, из щитка на лестничной площадке выходят три этих провода (вместе с ними ещё телефон, витая пара для интернета - всё это называют "слаботочкой", потому что там протекают маленькие токи, неопасные), и идут в квартиру.
В квартире на стене (в современных квартирах) висит внутренний квартирный щиток.
Там эти три провода расщепляются и на каждую "точку доступа" к электричеству стоит свой отдельный "автомат", подписнанный: "кухня", "зал", "комната", "стиральная машина", и так далее.
(на рисунке ниже: сверху стоит "общий" автомат; после которого стоят подписанные "отдельные" автоматы; зелёный провод - земля, синий - ноль, коричневый - фаза: это стандарт цветового обозначения проводов)

От каждого такого "отдельного" автомата своя, отдельная, тройка проводов уже идёт к "точке доступа": тройка проводов к печке, тройка проводов к посудомойке, одна тройка проводов на все зальные розетки, тройка проводов на освещение, и т.п..

Наиболее популярно сейчас совмещать "главный" автомат и УЗО в одном устройстве (на рисунке ниже оно показано слева). Счётчик электроэнергии ставится между "главным" общим автоматом (который имеет также встроенное УЗО) и остальными, "отдельными", автоматами (синий - ноль, коричневый - фаза, зелёный - земля: это стандарт цветового обозначения проводов):

И вот ещё до кучи схема, по сути, о том же (только здесь главный автомат и УЗО - это разные устройства):

Каждый "автомат" изготовлен на заводе под определённую максимально допустимую силу тока.

Поэтому он "вырубается", если вы даёте слишком большую нагрузку на "точке доступа" (например, включили слишком много всего мощного в розетки в зале).

Также, автомат "вырубится" в случае "короткого замыкания" (замыкания фазы на ноль), чем спасёт вашу квартиру от пожара.

Жизнь человека, при отсутствии правильного заземления электроприборов, автомат без УЗО не спасёт, так как автомат слишком медленно срабатывает (это более грубое устройство, так сказать).

Вроде бы, по этой теме пока всё.