Системы заземления TN-S, TN-C, TNC-S, TT, IT
При проектировании, монтаже и эксплуатации электроустановок, промышленного и бытового электрооборудования, а также электрических сетей освещения, одним из основополагающих факторов обеспечения их функциональности и электробезопасности является точно спроектированное и правильно выполненное заземление. Основные требования к системам заземления содержатся в пункте 1.7 Правил устройства электроустановок (ПУЭ). В зависимости от того, каким образом, и с каким заземляющими конструкциями, устройствами или предметами соединены соответствующие провода, приборы, корпуса устройств, оборудование или определенные точки сети, различают естественное и искусственное заземление.
Естественными заземлителями являются любые металлические предметы, постоянно находящиеся в земле: сваи, трубы, арматура и другие токопроводящие изделия. Однако, ввиду того, что электрическое сопротивление растеканию в земле электротока и электрических зарядов от таких предметов плохо поддается контролю и прогнозированию, использовать естественное заземление при эксплуатации электрооборудования запрещается. В нормативной документации предусмотрено использование только искусственного заземления, при котором все подключения производятся к специально созданным для этого заземляющим устройствам.
Основным нормируемым показателем, характеризующим, насколько качественно выполнено заземление, является его сопротивление. Здесь контролируется противодействие растеканию тока, поступающего в землю через данное устройство — заземлитель. Величина сопротивления заземления зависит от типа и состояния грунта, а также особенностей конструкции и материалов, из которых изготовлено заземляющее устройство. Определяющим фактором, влияющих на величину сопротивления заземлителя, является площадь непосредственного контакта с землей составляющих его пластин, штырей, труб и других электродов.
Виды систем искусственного заземления
В приведенных ниже названиях систем искусственного заземления по первой букве можно судить о способе заземления источника электрической энергии (генератора или трансформатора), по второй – потребителя. Принято различать TN, TT и IT системы заземления. Первая из которых, в свою очередь, используется в трех различных вариантах: TN-C, TN-S, TN-C-S. Для понимания различий и способов устройства перечисленных систем заземления следует рассмотреть каждую из них более детально.
1. Системы с глухозаземлённой нейтралью (системы заземления TN)
Это обозначение систем, в которых для подключения нулевых функциональных и защитных проводников используется общая глухозаземленная нейтраль генератора или понижающего трансформатора. При этом все корпусные электропроводящие детали и экраны потребителей следует подключить к общему нулевому проводнику, соединенному с данной нейтралью. В соответствии с ГОСТ Р50571.2-94 нулевые проводники различного типа также обозначают латинскими буквами:
Построенная с использованием глухозаземленной нейтрали, система заземления TN характеризуется подключением функционального «ноля» — проводника N (нейтрали) к контуру заземления, оборудованному рядом с трансформаторной подстанцией. Очевидно, что в данной системе заземление нейтрали посредством специального компенсаторного устройства — дугогасящего реактора не используется. На практике применяются три подвида системы TN: TN-C, TN-S, TN-C-S, которые отличаются друг от друга различными способами подключения нулевых проводников «N» и «PE».
Система заземления TN-C
Система заземления TN-C
Как следует из буквенного обозначения, для системы TN-C характерно объединение функционального и защитного нулевых проводников. Классической TN-C системой является традиционная четырехпроводная схема электроснабжения с тремя фазными и одним нулевым проводом. Основная шина заземления в данном случае – глухозаземленная нейтраль, с которой дополнительными нулевыми проводами необходимо соединить все открытые детали, корпуса и металлические части приборов, способные проводить электрический ток..
Если при таком подключении фазный провод коснется корпуса, из-за короткого замыкания сработает автоматический предохранитель, и опасность поражения электрическим током людей или возгорания искрящего оборудования будет устранена быстрым аварийным отключением. Важным ограничением при вынужденном занулении бытовых приборов, о чем следует знать всем проживающим в помещениях, запитанных по системе TN-C, является запрет использования дополнительных контуров уравнивания потенциалов в ванных комнатах.
В настоящее время данная система заземления сохранилась в домах, относящихся к старому жилому фонду, а также применяется в сетях уличного освещения, где степень риска минимальна.
Система TN-S
Система заземления TN-S
Более прогрессивная и безопасная по сравнению с TN-C система с разделенными рабочим и защитным нолями TN-S была разработана и внедрена в 30-е годы прошлого века. При высоком уровне электробезопасности людей и оборудования это решение имеет один, но достаточно очень существенный недостаток — высокую стоимость. Так как разделение рабочего (N) и защитного (PE) ноля реализовано сразу на подстанции, подача трехфазного напряжения производится по пяти проводам, однофазного — по трем. Для подключения обоих нулевых проводников на стороне источника используется глухозаземленная нейтраль генератора или трансформатора.
В ГОСТ Р50571 и обновленной редакции ПУЭ содержится предписание об устройстве на всем ответственных объектах, а также строящихся и капитально ремонтируемых зданиях энергоснабжения на основе системы TN-S, обеспечивающей высокий уровень электробезопасности. К сожалению, широкому распространению и внедрению системы TN-S препятствует высокий уровень затрат и ориентированность российской энергетики на четырехпроводные схемы трехфазного электроснабжения.
Система TN-C-S
Система заземления TN-C-S
Данная система имеет существенный недостаток — в случае повреждения или отгорания провода PEN на участке подстанция — здание, на проводнике PE, а, следовательно, и всех связанных с ним корпусных деталях электроприборов, появится опасное напряжение. Поэтому при использовании системы TN-C-S, которая достаточно распространена, нормативные документы требуют обеспечения специальных мер защиты проводника PEN от повреждения.
Система заземления TT
Система заземления TT
При подаче электроэнергии по традиционной для сельской и загородной местности воздушной линии, в случае использования здесь небезопасной системы TN-C-S трудно обеспечить надлежащую защиту проводника комбинированной земли PEN. Здесь все чаще используется система TT, которая предполагает «глухое» заземление нейтрали источника, и передачу трехфазного напряжения по четырем проводам. Четвертый является функциональным нолем «N». На стороне потребителя выполняется местный, как правило, модульно-штыревой заземлитель, к которому подключаются все проводники защитной земли PE, связанные с корпусными деталями.
Совсем недавно разрешенная к использованию на территории РФ, данная система быстро распространилась в российской глубинке для энергоснабжения частных домовладений. В городской местности TT часто используется при электрификации точек временной торговли и оказания услуг. При таком способе устройства заземления обязательным условием является наличие приборов защитного отключения, а также осуществление технических мер грозозащиты.
2. Системы с изолированной нейтралью
Во всех описанных выше системах нейтраль связана с землей, что делает их достаточно надежными, но не лишенными ряда существенных недостатков. Намного более совершенными и безопасными являются системы, в которых используется абсолютно не связанная с землей изолированная нейтраль, либо заземленная при помощи специальных приборов и устройств с большим сопротивлением. Например, как в системе IT. Такие способы подключения часто используются в медицинских учреждениях для электропитания оборудования жизнеобеспечения, на предприятиях нефтепереработки и энергетики, научных лабораториях с особо чувствительными приборами, и других ответственных объектах.
Система IT
Система заземления IT
Классическая система, основным признаком которой является изолированная нейтраль источника – «I», а также наличие на стороне потребителя контура защитного заземления – «Т». Напряжение от источника к потребителю передается по минимально возможному количеству проводов, а все токопроводящие детали корпусов оборудования потребителя должны быть надежно подключены к заземлителю. Нулевой функциональный проводник N на участке источник – потребитель в архитектуре системы IT отсутствует.
Надежное заземление — гарантия безопасности
Все существующие системы устройства заземления предназначены для обеспечения надежного и безопасного функционирования электрических приборов и оборудования, подключенных на стороне потребителя, а также исключения случаев поражения электрическим током людей, использующих это оборудование. При проектировании и устройстве систем энергоснабжения, необъемлемыми элементами которых является как функциональное, так и защитное заземление, должна быть уменьшена до минимума возможность появления на токопроводящих корпусах бытовых приборов и промышленного оборудования напряжения, опасного для жизни и здоровья людей.
Повторное заземление в системе TN-C-S. Разбираемся в противоречиях
TN-C-S — это самая распространенная система заземления, входящая в группу TN. TN — это система, в которой нейтраль источника питания глухо заземлена, а открытые проводящие части электроустановки присоединены к глухозаземленной нейтрали. C-S означает, что система вобрала в себя на определенных участках особенности организации как системы TN-C, так и TN-S. То есть когда в TN-C-S функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников совмещены в одном проводнике в какой-то ее части, начиная от источника питания, то здесь можно говорить о TN-C. При подключении же электроустановок происходит разделение PEN на PE (нулевой защитный проводник) и N (нулевой рабочий проводник) — эта часть уже не что иное как TN-S.
На данном этапе особых проблем в понимании работы системы TN-C-S нет. Неразбериха получается, когда переходят к вопросу повторного заземления PEN проводника, которое, между прочим, можно не делать в «населенной местности с одно- и двухэтажной застройкой» (то есть на вводе в частный дом). Сразу отметим, что повторное заземление, выполненное при разделении PEN проводника в системе TN-C-S частного дома — это нужное мероприятие. Но вопрос не в этом. К сожалению многие попросту не понимают в чем смысл повторного заземления, к чему оно относится и для чего нужно.
Повторное заземление PEN на вводе в частный дом
Во многих обзорах постоянно муссируются какие-то требования ПУЭ, идут споры 10 или 30 Ом, неверно трактуются и берутся выборочные пункты ПУЭ. Поэтому для начала постараемся правильно прочитать и сопоставить пункты ПУЭ, относящиеся к повторному заземлению в системе TN. А далее все ситуации просчитаем и смоделируем в среде программы Electronics Workbench.
Система TN-C-S:
Начнем с казалось бы противоречивого пункта ПУЭ 7 — 1.7.61:
При применении системы TN рекомендуется выполнять повторное заземление РЕ и PEN проводников на вводе в электроустановки зданий, а также в других доступных местах. Для повторного заземления в первую очередь следует использовать естественные заземлители. Сопротивление заземлителя повторного заземления не нормируется.
Внутри больших и многоэтажных зданий аналогичную функцию выполняет уравнивание потенциалов посредством присоединения нулевого защитного проводника к главной заземляющей шине.
Повторное заземление электроустановок напряжением до 1 кВ, получающих питание по воздушным линиям, должно выполняться в соответствии с 1.7.102-1.7.103.
Что здесь не так? Может показаться, что первый абзац относится к системе TN-C-S, а «рекомендуется» и «не нормируется» относится к повторному заземлению при разделении PEN (совмещенный рабочий и защитный нулевой проводник) на PE (защитный проводник) и N (рабочий нулевой проводник). На самом деле речь идет о повторном заземлении проводников РЕ и PEN, которые могут быть как в системе TN-C (PEN), так и в TN-S (PE) и TN-C-S (PE). Третий же абзац уже непосредственно относится к повторному заземлению на вводах ВЛ (воздушных линий) к электроустановкам. И на этом этапе все переходят к пунктам 1.7.102 — 1.7.103 и с уверенностью утверждают, что повторное заземление на вводах ВЛ к электроустановкам частного дома (система TN-C-S) должно быть обязательным, а сопротивление растеканию заземлителя должно быть не более 30 Ом. Но здесь есть одно но, о котором почему-то все молчат. Поэтому читаем внимательно следующие пункты ПУЭ, а к этим «противоречивым» рекомендациям вернемся в завершении анализа.
ПУЭ 1.7.102:
На концах ВЛ или ответвлений от них длиной более 200 м, а также на вводах ВЛ к электроустановкам, в которых в качестве защитной меры при косвенном прикосновении применено автоматическое отключение питания, должны быть выполнены повторные заземления PEN проводника. При этом в первую очередь следует использовать естественные заземлители, например, подземные части опор, а также заземляющие устройства, предназначенные для грозовых перенапряжений (смотреть главу 2.4).
Указанные повторные заземления выполняются, если более частые заземления по условиям защиты от грозовых перенапряжений не требуются.
Повторные заземления PEN проводника в сетях постоянного тока должны быть выполнены при помощи отдельных искусственных заземлителей, которые не должны иметь металлических соединений с подземными трубопроводами.
Заземляющие проводники для повторных заземлений PEN проводника должны иметь размеры не менее приведенных в таблице 1.7.4.
В данном пункте необходимо уделить особое внимание второму абзацу и разобраться с более частыми заземлениями по условиям защиты от грозовых перенапряжений. Давайте рассуждать логически. Менее частые заземления для защиты от грозовых перенапряжений — это не что иное, как повторное заземление, отмеченное в первом абзаце. А для определения условий более частых заземлений, когда повторное заземление на вводах ВЛ к электроустановкам не требуется, необходимо ознакомится с главой 2.4, что также указано в первом абзаце. Помимо этого, стоит отметить, что даже если опустить второй абзац, то организация перечисленных повторных заземлений — это ответственность не владельцев частных домов, а оператора распределительной электрической сети.
Прежде чем переходить к главе 2.4, завершим рассмотрение основных пунктов главы 1.7, относящихся к повторному заземлению.
ПУЭ 1.7.103:
Общее сопротивление растеканию заземлителей (в том числе естественных) всех повторных заземлений PEN проводника каждой ВЛ в любое время года должно быть не более 5, 10 и 20 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока. При этом сопротивление растеканию заземлителя каждого из повторных заземлений должно быть не более 15, 30 и 60 Ом соответственно при тех же напряжениях.
Здесь все предельно просто. Сопротивление заземлителя повторного заземления PEN проводника не должно превышать 30 Ом. А сумма сопротивлений заземлителей повторных заземлений не должно превышать 10 Ом. То есть для выполнения этого условия достаточно минимум трех повторных заземлений (30 Ом каждое), и в сумме по правилу параллельного соединения резисторов они дадут 10 Ом.
Продолжим, и наконец-то определимся с условием, когда повторное заземление PEN- проводника на вводе к электроустановкам частного дом в системе TN делать не обязательно. Нам нужно узнать, когда делаются более частые заземления по условиям защиты от грозовых перенапряжений, и ответ на это есть в пункте ПУЭ 2.4.46:
В населенной местности с одно- и двухэтажной застройкой ВЛ должны иметь заземляющие устройства, предназначенные для защиты от атмосферных перенапряжений. Сопротивления этих заземляющих устройств должны быть не более 30 Ом, а расстояния между ними должны быть не более 200 м для районов с числом грозовых часов в году до 40, 100 м — для районов с числом грозовых часов в году более 40.
Кроме того, заземляющие устройства должны быть выполнены:
То есть по нормам в населенной местности с одно- и двухэтажной застройкой через 200 (100) метров должно быть установлено заземляющее устройство — это и есть более частые заземления по условиям защиты от грозовых перенапряжений. Соответственно в частном секторе, если выполнено вышеуказанное требование (а оно должно быть выполнено обязательно), то на вводе в дом можно не делать повторное заземление PEN проводника!
Дополнительно для полного понимания следует рассмотреть еще два пункта:
То есть не нужно считать одним и тем же повторное заземление и защиту от грозовых перенапряжений. Но если на опоре выполнено второе, то и первое должно быть выполнено. Именно из-за этой взаимосвязи во втором абзаце пункта 1.7.102 ставилось условие наличия частого заземления по условиям защиты от грозовых перенапряжений.
Справедливости ради стоит отметить, что все перечисленные требования относятся как к системе TN-C, так и к TN-C-S. Нигде конкретно не уточнено требование для какой-то конкретной системы. А нас интересует именно TN-C-S. Поэтому единственный логичный пункт с учетом выполненных частых защит от грозовых перенапряжений, который можно использовать — это 1.7.61. Его мы рассматривали первым, и он гласит, что в системе TN на вводе в частный дом рекомендуется делать повторное заземление PE проводника с ненормируемым сопротивлением. А повторное заземление PEN проводника с нормой до 30 Ом к частному дому никакого отношения не имеет и входит в ответственность оператора распределительной электрической сети.
Отсутствие нормируемого повторного заземление PEN ВЛ свидетельствует о несоответствии системы TN требованиям для населенной местности с одно- и двухэтажной застройкой. В этом случае необходимо выполнить заземление электроустановок частного дома по системе TT.
TN-C-S и для чего нужно повторное заземление PEN проводника
Если речь идет о населенной местности с одно- и двухэтажной застройкой, то повторное заземление PEN проводника на вводе в частный дом согласно ПУЭ не требуется. И никакие 4, 10 или 30 Ом вас не касаются. В штатном режиме повторное заземление PEN проводника, которое вы сделаете самостоятельно на вводе в свой дом, по сути к вам не будет иметь непосредственного отношения. Сопротивление его заземляющего устройства в совокупности со всеми повторными заземлениями будет относится к заземлению нейтрали трансформатора, а это ответственность снабжающей организации.
Давайте представим, что вы сделали повторное заземление с сопротивлением заземляющего устройства 30 Ом, и рассмотрим вариант с ЗУ 300 Ом. Какая здесь разница? Для вас, как владельца частного дома, никакой:
Важно! Остается единственный опасный случай, когда происходит отгорание вашего PEN проводника в месте до разделения на PE и N и вынос потенциала на зануленные корпуса. Здесь ситуация такая-же, как и с занулением в двухпроводке. В этом случае даже при наличии повторного заземления никакое УЗО не сработает. Единственная надежда остается на систему уравнивания потенциалов (СУП) и расцепитель напряжения для автоматических выключателей (или реле контроля напряжения). И если представить, что ни расцепителя, ни СУП у вас нет при такой аварийной ситуации, то лучше иметь повторное заземление PE проводника с наименьшим возможным сопротивлением заземляющего устройства для снижения напряжения прикосновения.
Моделирование ситуаций с повторным заземлением
Перейдем от слов к делу и смоделируем конкретные ситуации. Начнем с трансформатора с глухозаземленной нейтралью. Нам известно, что общее сопротивление вместе со всеми повторными не должно превышать 4 Ом, а сумма всех повторных не должно превышать 10 Ом.
Так как сопротивление заземляющего устройства повторного заземления не должно превышать 30 Ом, то по правилу параллельного соединения сумма трех повторных заземлений по 30 Ом даст 10 Ом.
1/10 = x/30; x = 3.
Это минимальное количество повторных заземлений. Максимальное количество рассчитывается исходя из длины линии и числа грозовых часов в году.
Для примера возьмем минимальное количество повторных устройств заземления с общим сопротивлением 10 Ом. Зная это определим допустимое сопротивление устройства заземления нейтрали трансформатора также по правилу параллельного соединения.
1/4 = 1/x + 1/10; 5/20 = 1/x + 2/20; 1/x = 3/20; x = 20/3 = 6,66 Ом.
Исходные данные известны. Перейдем к отрисовки системы в программе Electronics Workbench. Сопротивление проводов воздушной линии длинной 600 метров примем равным 0,6 Ом.
На первой схеме отрисована система TN-C-S c четырьмя повторными заземлениями PEN проводника с сопротивлением ЗУ 30 Ом каждого. Четвертое повторное заземление это ваше заземление для примера. Резисторы на схеме — это условные потребители (частные дома).
На второй схеме смоделировано отгорание общего нуля. Как видно, с учетом неравномерной нагрузки произошел перекос фаз. При этом начало работать и корректировать перекос повторное заземление. Естественно, чем меньше сумма сопротивлений повторных заземлений, тем лучше. Но если учесть, что норма для всех повторных заземлений, которые должен организовать оператор распределительной электрической сети, не более 10 Ом, то сделайте вы хоть дополнительно повторное заземление 1000 Ом — сумма всех повторных все равно будет меньше 10 Ом. Здесь даже считать не обязательно, так как одно из правил параллельного соединения гласит, что общее сопротивление всегда меньше сопротивления любого параллельно включенного резистора.
На третей схеме мы изменили сопротивление нашего заземляющего устройства с 30 Ом на 300 Ом. В результате общее сопротивление возросло на несколько Ом и осталось в пределах нормируемых 10 Ом. Такое изменение привело к незначительному (на несколько вольт) ухудшению показаний по перекосу. Здесь также следует отметить, что при отгорании общего нуля дополнительно происходит вынос потенциала на зануленные корпуса. И чем ниже общее сопротивление заземлителей всех повторных заземлений, тем меньше опасное влияние при данной аварийной ситуации. Поэтому, если у вас нет желания брать на себя работу снабжающей организации по снижению общего сопротивления заземлителей повторного заземления, то делать этого никто не обязывает.
На четвертой и пятой схеме вынос потенциала на зануленные корпуса в вашем доме. В обоих случаях, как при сопротивлении заземлителя 300 Ом, так и 1000 Ом произойдет мгновенной срабатывание автоматических выключателей из-за больших токов короткого замыкания. Здесь ваше повторное заземление никакой существенной работы не выполняет.
На шестой схеме смоделировано отгорание вашего PEN проводника. При этом через какую-нибудь включенную нагрузку может произойти вынос потенциала через место разделения PEN на PE и N на все зануленные корпуса. Ваша система заземления фактически превращается в комбинацию из TT и опасного зануления. При этом никакое УЗО не сработает, так как дифференциальных токов не будет.
Здесь должен отработать расцепитель минимального напряжения (или реле контроля напряжения), так как при обрыве вашего PEN и включенной нагрузке за счет заземления произойдет падение напряжения. Без заземления данные устройства также обесточат сеть при обрыве нуля.
Теперь рассмотрим самую саму худшую ситуацию. Частный дом, человек во дворе босиком касается заземленного корпуса. Расцепителя минимального напряжения нет, а СУП не работает. В этом случае нужно понимать, что на улице нужно использовать оборудование соответствующего класса электробезопасности. В противном случае единственной надеждой будет только заземление, значительно снижающее напряжение прикосновения. И здесь никакие нормы по повторному заземлению PEN проводника не применимы. Самое надежное заземляющее устройство в такой аварийной ситуации то, которое будет иметь наименьшее сопротивление.
Допустим, что до момента отгорания PEN в доме была включена нагрузка с током потребления 2 А. Соответственно сопротивление потребителя 110 Ом. Рассмотрим два варианта с повторным заземлением – 30 Ом и 4 Ом сопротивление заземлителя.
Как видно, при минимальном сопротивлении заземлителя (условно 4 Ом) значительно снижается напряжение прикосновения. Это важно, так как защитное отключение здесь не работает.
Подведем итог. Повторное заземление PEN проводника в населенной местности с одно- и двухэтажной застройкой — это обязанность оператора распределительной электрической сети. Делая на вводе в свой дом повторное заземление по нормам 30 Ом, вы просто выполняете чужую работу, которая может не защитить в действительно опасной ситуации. Для защиты нужно использовать в первую очередь расцепитель напряжения (или реле напряжения) и систему уравнивания потенциалов. Абсолютную же безопасность при отсутствии вышеперечисленных мер вы получите, если сопротивление вашего заземлителя будет минимальным (намного меньше 30 Ом). В этом случае вы также безвозмездно улучшаете систему TN, но это уже имеет какой-то смысл.