Czy klatkę Faradaya trzeba uziemić? Ekran elektromagnetyczny a uziemienie

Zamknięty ekran elektromagnetyczny, potocznie nazywany klatką Faradaya, działa niezależnie od tego, czy jest uziemiony. Uziemienie jest potrzebne z innych powodów: dla bezpieczeństwa elektrycznego, a dla skuteczności ekranowania (SE) tylko w kilku szczególnych sytuacjach.

Na rynku powtarza się hasło, że „nieuziemiona klatka Faradaya nie działa”. Bierze się ono z pomieszania dwóch porządków: przepisów o instalacjach elektrycznych i fizyki ekranowania. Ten tekst rozdziela je, opierając się na klasycznym podręczniku kompatybilności elektromagnetycznej Henry’ego W. Otta.

Trzy różne pojęcia pod jednym słowem

Słowo „uziemienie” zakrywa trzy różne rzeczy o różnych celach.

Warto też pamiętać, że angielskie equipotential bonding nie jest synonimem grounding. Pierwsze oznacza wyrównanie potencjałów części między sobą, drugie połączenie z ziemią. W polskich instalacjach połączenia wyrównawcze prowadzą zwykle do głównej szyny uziemiającej, dlatego w praktyce oba pojęcia się zlewają.

Klatka Faradaya: potencjał nie ma znaczenia

Ott pisze wprost, że ekran całkowicie otaczający chroniony obiekt „can be at any potential and still provide effective shielding” (Ott, Electromagnetic Compatibility Engineering, rozdz. 6.18). Taki ekran nie musi być uziemiony ani mieć w jakikolwiek sposób ustalonego potencjału. Chroni wnętrze przed polami z zewnątrz i otoczenie przed polami z wnętrza.

Fizycznie jest to intuicyjne. Pole wewnątrz zamkniętej powłoki przewodzącej nie zależy od tego, jaki potencjał ma sama powłoka. Podniesienie całej klatki o dowolne napięcie względem ziemi niczego wewnątrz nie zmienia.

Legenda o „odprowadzaniu ładunków”. Najczęściej słyszane uzasadnienie brzmi: klatkę trzeba uziemić, żeby odprowadzić gromadzące się na niej ładunki. Fala elektromagnetyczna nie zostawia jednak na ekranie ładunku do odprowadzenia. Indukuje w jego powierzchni prądy, które zmieniają kierunek w takt pola i wypromieniowują falę odbitą. Część energii zamienia się w materiale w ciepło. Nic nie musi przy tym płynąć do ziemi.

Prawdziwy ładunek statyczny, np. z tarcia, może się na ekranie pojawić i o nim właśnie pisze Ott. Jego odprowadzenie ma jednak znaczenie dla komfortu i bezpieczeństwa, a nie dla SE. Stały ładunek na zamkniętej klatce, tak jak każdy jej potencjał, nie zmienia pola w jej wnętrzu.

Ott dodaje jednak zastrzeżenie, które w budynkach ma swoje odpowiedniki. Ekran warto połączyć z masą obwodów znajdujących się w jego wnętrzu, żeby między ekranem a tymi obwodami nie powstawała różnica potencjałów. W pomieszczeniu ekranowanym takim „obwodem wewnątrz” jest instalacja elektryczna i podłączone do niej urządzenia.

Stąd słaby punkt każdej klatki: przewody, które przez nią przechodzą. Kabel zasilający, antenowy czy sieciowy wnosi do środka potencjał i zakłócenia z zewnątrz. Rozwiązaniem jest filtr lub przepust połączony z ekranem w miejscu wejścia, czyli ciągłość elektryczna, a nie uziemienie.

Kiedy połączenie z punktem odniesienia decyduje o SE

Ekran niepełny chroni przed polem elektrycznym niskiej częstotliwości tylko wtedy, gdy jest połączony z punktem odniesienia. W domu tym punktem jest zwykle przewód ochronny PE.

To najczęstszy przypadek w praktyce Bio-EMC. Źródłem pola elektrycznego 50 Hz w sypialni są przewody w ścianach, suficie i podłodze. Farba lub tkanina na jednej czy dwóch ścianach nie tworzy wokół śpiącego klatki Faradaya. Jest przewodzącą płytą wstawioną między źródło a człowieka.

Taka płyta działa, bo przejmuje linie pola i odprowadza prądy przesunięcia do punktu odniesienia. Pozostawiona bez połączenia przyjmuje pośredni potencjał i sama zaczyna promieniować pole w stronę pomieszczenia. Ott opisuje ten mechanizm przy sprzężeniu pojemnościowym (rozdz. 2.1, Capacitive Coupling): ekran przed polem elektrycznym musi być połączony z odniesieniem, żeby skutecznie działał.

Wniosek: ten sam materiał w klatce Faradaya nie wymaga uziemienia, a na pojedynczej ścianie przeciw polom elektrycznym niskiej częstotliwości wymaga połączenia z PE.

Kiedy uziemienie nie pomaga albo szkodzi

• Wysokie częstotliwości. Przy polach od telefonii komórkowej czy Wi-Fi (setki MHz do kilku GHz) przewód uziemiający o długości kilku metrów ma dużą impedancję indukcyjną. Z punktu widzenia pola żadnego połączenia z ziemią wówczas nie ma. O SE decyduje ciągłość ekranu i szczelność jego połączeń, a nie przewód do gniazdka.
• Pola magnetyczne niskiej częstotliwości. Uziemienie nie ma na nie żadnego wpływu. Pole magnetyczne 50 Hz od linii czy rozdzielni osłabia się odległością albo materiałami o wysokiej przenikalności magnetycznej. W dużych instalacjach przemysłowych i budynkowych bywa wręcz odwrotnie: prądy wyrównawcze płynące w PE, nierzadko kilka amperów, same wytwarzają nieskompensowane pole magnetyczne, np. przy mikroskopie elektronowym.
• Nieprawidłowa instalacja. W układzie TN-C przewód PEN jest jednocześnie przewodem neutralnym i płynie nim prąd roboczy. Ekran połączony z PEN, także przez bolec „zerowanego” gniazda w starej instalacji, staje się częścią obwodu, a przy przerwie PEN może znaleźć się pod napięciem. Takiego połączenia wykonywać nie wolno.

Bezpieczeństwo to osobna sprawa

Uziemienie ekranu może być wymagane nawet tam, gdzie skuteczności ekranowania nic nie dodaje. Ott wskazuje dwa takie powody.

• Ochrona przeciwporażeniowa. Duża przewodząca powierzchnia w ścianie może znaleźć się pod napięciem, np. gdy gwóźdź przebije przewód albo uszkodzi się izolacja. Połączenie z PE daje drogę prądowi zwarcia, dzięki czemu zadziała zabezpieczenie i napięcie zostanie wyłączone.
• Ładunki elektrostatyczne. Połączenie z odniesieniem zapobiega gromadzeniu się ładunku na ekranie.

Najpierw sprawdź instalację. Przed połączeniem ekranu z PE trzeba wiedzieć, w jakim układzie sieci pracuje instalacja, i sprawdzić jej poprawność. Uziemiać można tylko w sieciach TN-S, TT i IT. Nie wolno uziemiać w sieciach TN-C ze wspólnym przewodem neutralno-ochronnym PEN.

Dwa proste testy to pomiar napięcia między PE a N w gnieździe, które w poprawnej instalacji jest bliskie zeru, oraz test wyłącznika różnicowoprądowego 30 mA. Oba wykonasz prostym testerem gniazd dostępnym w handlu, jeśli ma funkcję pomiaru napięcia PE–N.

Taki tester ma jednak ograniczenia. Wykrywa typowe błędy podłączenia gniazda i sprawdza zadziałanie wyłącznika, ale nie powie, w jakim układzie pracuje instalacja. Zależnie od producenta czy modelu może też nie mierzyć napięcia PE–N ani wykryć „zerowania” czy słabego połączenia PEN w starej instalacji.

Jeśli nie wiesz, jaką masz instalację, a w starszych budynkach to norma, zamów pomiary u elektryka z uprawnieniami, zanim połączysz ekran z PE. Elektryk ustali układ sieci, sprawdzi ciągłość przewodu ochronnego, impedancję pętli zwarcia, rezystancję izolacji i działanie wyłącznika różnicowoprądowego, a wyniki zapisze w protokole. W budynku wielorodzinnym warto najpierw poprosić zarządcę o ostatni protokół okresowej kontroli instalacji elektrycznej.

O tym, czy i jak połączyć ekran z instalacją ze względów bezpieczeństwa, decydują przepisy elektryczne i elektryk z uprawnieniami. To inna decyzja niż wybór materiału ekranującego i warto ją podejmować świadomie, znając jej prawdziwy cel.

Co to oznacza w praktyce

W naszych opisach produktów używamy słowa „uziemienie” tylko wtedy, gdy chodzi o połączenie z przewodem ochronnym PE. Gdy chodzi o spojenie elementów ekranu, piszemy o „połączeniu elementów ekranu”, „połączeniu pasów materiału” lub „połączeniu z powłoką ekranu”.

Źródło: Henry W. Ott, Electromagnetic Compatibility Engineering, John Wiley & Sons, 2009, rozdz. 2.1 (Capacitive Coupling) i 6.18 (Grounding of Shields).