Системы заземления электрических сетей

Электрические сети делят по типам применяемых в них систем заземления. Под типом системы заземления понимается показатель, характеризующий отношение к земле нейтрали трансформатора на подстанции или генератора на электростанции (автономное электроснабжение), открытых проводящих нетоковедущих частей электроприемников (ЭП) у потребителя и нейтрального проводника в электроустановке напряжением до 1000 В.

Режим заземления нейтрали и отрытых проводящих частей обозначается двумя буквами: первая указывает режим заземления нейтрали источника питания (силового трансформатора 6–10/0,4 кВ), вторая – открытых проводящих частей. В обозначениях используются начальные буквы французских слов:

• Т (terre – земля) – заземлено;
• N (neutre – нейтраль) – присоединено к нейтрали источника;
• I (isole) – изолировано.

Международная электротехническая комиссия (стандарт IЕС 60364 "Electrical installation of buildings") и ПУЭ (глава 1.7) предусматривают три режима заземления нейтрали и отрытых проводящих частей:

• ТN – нейтраль источника глухо заземлена, корпуса электрооборудования присоединены к нейтральному проводу;
• ТТ – нейтраль источника и корпуса электрооборудования глухо заземлены (заземления могут быть и раздельными);
• IТ – нейтраль источника изолирована или заземлена через приборы или устройства, имеющие большое сопротивление; корпуса электрооборудования глухо заземлены.

Режим ТN может быть трех видов:

• ТN–С – нулевые рабочий и защитный проводники объединены (С – от английского слова combined – объединенный) на всем протяжении. Объединенный нулевой проводник называется РЕN по первым буквам английских слов protective earth, neutral – защитная земля, нейтраль.
• ТN–S – нулевой рабочий проводник N и нулевой защитный проводник РЕ разделены (S – от английского слова separated – раздельный).
• ТN–С–S – нулевые рабочий и защитный проводники объединены на головных участках сети в проводник РЕN, а далее разделены на проводники N и РЕ.

Название типа системы заземления электрической сети часто присваивают самой сети. Так, например, электрическую сеть с системой заземления типа ТN–С называют сетью типа ТN–С, или просто сеть ТN–С.

Вид связи нейтралей с землей в значительной степени определяет:

• условия безопасности работы в электрических сетях (защита от поражения электрическим током);
• значения перенапряжений и способы их ограничения;
• электромагнитную совместимость в нормальном режиме работы и при коротких замыканиях;
• пожаробезопасность (вероятность возникновения пожаров при коротких замыканиях);
• токи при однофазных замыканиях на землю, повреждаемость и выбор оборудования;
• бесперебойность электроснабжения потребителей;
• проектирование и эксплуатацию сети.

Взяв перечисленное за критерии сравнения, отметим преимущества и существенные недостатки возможных режимов заземления нейтрали и открытых проводящих частей в сетях 0,4 кВ. (На схемах сетей цвета проводов соотвествуют ГОСТ Р 50462-2009)

Сеть TN–С

Сети 0,4 кВ с таким режимом заземления нейтрали и открытых проводящих частей (занулением), широко распространены в России.

Электробезопасность в сети TN–С при косвенном прикосновении обеспечивается отключением возникших однофазных замыканий на корпус с помощью предохранителей или автоматических выключателей. При относительно низких значениях токов однофазного КЗ (удаленность нагрузки от источника, малое сечение проводника) время отключения существенно возрастает. Электропоражение человека, прикоснувшегося к металлическому корпусу, весьма вероятно. Например, для обеспечения электробезопасности отключение КЗ на корпус в сети 220 В должно выполняться за время не более 0,2 с. Такое время отключения предохранители и автоматические выключатели обеспечивают при кратностях токов КЗ по отношению к номинальному току на уровне 6–10.

Таким образом, в сети TN–С существует проблема обеспечения безопасности при косвенном прикосновении из-за невозможности обеспечения быстрого отключения. Кроме этого, в сети TN–С при однофазном КЗ на корпус ЭП возникает вынос потенциала по нулевому проводу на корпуса неповрежденного оборудования, в том числе отключенного и выведенного в ремонт. Это увеличивает вероятность поражения людей, контактирующих с электрооборудованием сети. Вынос потенциала на все зануленные корпуса возникает и при однофазном КЗ на питающей линии (например, обрыв фазного провода воздушной линии 0,4 кВ с падением на землю) через малое сопротивление (по сравнению с сопротивлением контура заземления подстанции 6–10/0,4 кВ). При этом на время действия защиты на нулевом проводе и присоединенных к нему корпусах возникает напряжение, близкое к фазному. Особую опасность в сети TN–С представляет обрыв (отгорание) нулевого провода. В этом случае все присоединенные за точкой обрыва металлические зануленные корпуса ЭП окажутся под фазным напряжением.

Самым большим недостатком сетей TN–С является неработоспособность в них устройств защитного отключения (УЗО) или residual current devices (RCD) по западной классификации.

Пожаробезопасность сетей TN–С низка. При однофазных КЗ в этих сетях возникают значительные токи (килоамперы), которые могут вызвать возгорание. Ситуация осложняется возможностью возникновения однофазных замыканий через значительное переходное сопротивление, когда ток замыкания относительно невелик и защиты не срабатывают либо срабатывают со значительной выдержкой времени.

Бесперебойность электроснабжения в сети TN–С при однофазных замыканиях не обеспечивается, так как замыкания сопровождаются значительным током и требуется отключение присоединения.

В процессе однофазного КЗ в сетях TN–С возникает повышение напряжения (перенапряжения) на неповрежденных фазах примерно на 40%.

Сети TN–С характеризуются наличием электромагнитных возмущений. Это связано с тем, что даже при нормальных условиях работы на нулевом проводнике при протекании рабочего тока возникает падение напряжения. Соответственно между разными точками нулевого провода имеется разность потенциалов. Это вызывает протекание токов в проводящих частях здания, в оболочках и экранах кабелей и соответственно электромагнитные помехи. Электромагнитные возмущения усиливаются при грозовых разрядах и однофазных КЗ со значительным током, протекающим в нулевом проводе.

Значительный ток однофазных КЗ в сетях TN–С может вызвать существенные разрушения электрооборудования.

На стадии проектирования и настройки защит в сети TN–С необходимо знать сопротивления всех элементов сети, в том числе и сопротивления нулевой последовательности для точного расчета токов однофазного КЗ. То есть необходимы расчеты или измерения сопротивления петли фаза–нуль для всех присоединений. Любое изменение в сети (например, увеличение длины присоединения) требует проверки условий защиты.

Сеть TN-S

Сети 0,4 кВ с таким режимом заземления нейтрали и открытых проводящих частей называются пятипроводными. В них нулевой рабочий и нулевой защитный проводники разделены.

Использование сети TN–S не обеспечивает электробезопасность при косвенном прикосновении, так как при пробое изоляции на корпусе, как и в сети TN–С, возникает опасный потенциал. Однако в сетях TN–S возможно использование УЗО. При наличии этих устройств уровень электробезопасности в сети TN–S существенно выше, чем в сети TN–С. При пробое изоляции в сети TN–S также возникает вынос потенциала на корпуса других электроприемников, связанных проводником РЕ. Однако быстрое действие УЗО в этом случае обеспечивает безопасность. В отличие от сетей TN–С обрыв нулевого рабочего проводника в сети TN–S не влечет за собой появления фазного напряжения на корпусах всех связанных данной линией питания ЭП за точкой разрыва.

Пожаробезопасность сети TN–S при применении УЗО в сравнении с сетями TN–С существенно выше. Устройства защитного отключения чувствительны к развивающимся дефектам изоляции и предотвращают возникновение значительных токов однофазных КЗ.

В отношении бесперебойности электроснабжения и возникновения перенапряжений сети TN–S не отличаются от сетей TN–С.

Электромагнитная обстановка в сетях TN–S в нормальном режиме лучше, чем в сетях TN–С. Это обусловлено тем, что нулевой рабочий проводник изолирован и отсутствует ответвление токов в сторонние проводящие пути. При однофазных КЗ создаются такие же электромагнитные возмущения, как и в сетях TN–С.

Наличие в сетях TN–S устройств защитного отключения существенно снижает объем повреждений при возникновении однофазных КЗ по сравнению с сетями TN–С, т.к. УЗО ликвидирует повреждение в его начальной стадии.

В отношении проектирования, настройки защит и обслуживания сети TN–S не имеют каких-либо преимуществ по сравнению с сетями TN–С. Они более дорогие из-за наличия пятого провода и УЗО.

Сеть ТТ

Особенностью сетей данного типа является то, что открытые проводящие части ЭП присоединены к заземлению, которое обычно независимо от заземления питающей подстанции 6–10/0,4 кВ.

Электробезопасность в этих сетях обеспечивается использованием УЗО в обязательном порядке, т.к. сам режим ТТ не обеспечивает безопасности при косвенном прикосновении. Если сопротивление местного заземлителя, к которому присоединены открытые проводящие части, равно сопротивлению заземления питающей подстанции 6– 10/0,4 кВ и возникает замыкание на корпус, то напряжение прикосновения составит половину фазного (110 В для 220 В). Такое напряжение опасно, и необходимо немедленное отключение поврежденного присоединения. Автоматические выключатели и предохранители за безопасное для прикоснувшегося человека время отключение не обеспечивают из-за малой величины тока однофазного КЗ. Например, если принять, что сопротивления заземления питающей подстанции 6–10/0,4 кВ и местного заземления равны по 0,5 Ом, и пренебречь сопротивлениями силового трансформатора, кабеля и других элементов, то при фазном напряжении 220 В ток однофазного КЗ на корпус в сети ТТ составит 220 А. С учетом всех сопротивлений в цепи замыкания ток будет еще меньше.

Пожаробезопасность сетей ТТ существенно выше, чем сетей TN–С. Это связано с малой величиной тока однофазного КЗ и с применением УЗО, без которых эти сети эксплуатироваться не могут.

Бесперебойность электроснабжения в сетях ТТ при однофазных замыканиях не обеспечивается, так как требуется отключение присоединения по условиям безопасности.

При возникновении в сети ТТ однофазного замыкания на землю напряжение на неповрежденных фазах относительно земли повышается. Это обусловлено появлением напряжения на нейтрали питающего трансформатора. Если принять указанные выше сопротивления, то напряжение на нейтрали составит половину фазного. Такое повышение не опасно для изоляции, т.к. КЗ быстро ликвидируется действием УЗО, причем в большинстве случаев до своего полного развития и достижения током максимума.

В системе ТТ обычно несколько корпусов ЭП объединены одним защитным проводником РЕ и присоединены к общему заземлителю, отдельному от заземлителя питающей подстанции. Выполнять отдельный заземлитель для каждого ЭП нецелесообразно по экономическим соображениям. В нормальном режиме по защитному проводнику в системе ТТ ток не протекает и между корпусами отдельных электроприемников нет разности потенциалов, то есть электромагнитные возмущения отсутствуют. При возникновении однофазного КЗ ток невелик, при его протекании падение напряжения на защитном проводнике незначительно, длительность протекания тока мала, то есть возникающие при этом возмущения невелики.

Таким образом, с позиций электромагнитных возмущений сеть ТТ имеет преимущество по сравнению с сетями ТN–С в нормальном режиме работы и с сетями ТN–С, TN–S, TN–С–S в режиме однофазного КЗ.

Объем повреждений оборудования в сетях ТТ при возникновении однофазного КЗ незначителен. Это связано с малой величиной тока посравнению с сетями ТN–С, TN–S, TN–С–S и с использованием УЗО, которые обеспечивают отключение до полного развития повреждения.

С точки зрения проектирования сети ТТ имеют существенное преимущество по сравнению с сетями ТN. Использование в сетях ТТ устройств защитного отключения устраняет проблемы, связанные с ограничением длины линий, необходимостью знать полное сопротивление петли короткого замыкания. Сеть может быть расширена или изменена без повторного расчета токов КЗ или замера сопротивления петли тока короткого замыкания. Учитывая, что ток однофазного КЗ в сетях ТТ меньше, чем в сетях TN–S, TN–С–S, сечение защитного проводника РЕ в сети ТТ может быть меньше.

Сеть IT

Нейтральная точка питающего трансформатора 6–10/0,4 кВ такой сети изолирована от земли или заземлена через значительное сопротивление (сотни Ом – несколько кОм). Защитный проводник отделен от нейтрального.

Электробезопасность при однофазном замыкании на корпус в этих сетях наиболее высокая из всех рассмотренных. Это связано с малой величиной тока однофазного замыкания (единицы ампер). При таком токе замыкания напряжение прикосновения крайне невелико и отсутствует необходимость немедленного отключения возникшего повреждения. В сети IT безопасность может быть улучшена за счет применения УЗО.

Пожаробезопасность сетей IT самая высокая по сравнению с сетями ТN–С, TN–S, TN–С–S и ТТ. Это обусловлено наименьшей величиной тока однофазного замыкания (единицы ампер) и малой вероятностью возгорания.

Сети IT отличаются высокой бесперебойностью электроснабжения потребителей. Однофазное замыкание не требует немедленного отключения.

При возникновении в сети IT однофазного замыкания на землю напряжение на неповрежденных фазах увеличивается в 1,73 раза. В сетях без резистивного заземления возможно возникновение дуговых перенапряжений высокой кратности.

Электромагнитные возмущения в сетях IT невелики, т.к. ток однофазного КЗ мал и не создает значительных падений напряжения на защитном проводнике.

Повреждения оборудования при возникновении в сетях IT однофазного замыкания незначительны.

Для эксплуатации сети IT необходим квалифицированный персонал, способный быстро находить и устранять возникшее замыкание. Для определения поврежденного присоединения необходимо специальное устройство, например, можно использовать включенный в нейтраль генератор тока с частотой, отличной от промышленной. Сети IT имеют ограничение на расширение сети, т.к. новые присоединения увеличивают ток однофазного замыкания.

Краткие рекомендации по выбору сетей

Ни один из способов заземления нейтрали и открытых проводящих частей не является универсальным. В каждом конкретном случае необходимо проводить технико-экономическое сравнение и исходить из критериев: электробезопасности, пожаробезопасности, уровня бесперебойности электроснабжения, технологии производства, электромагнитной совместимости (включая последствия грозовых разрядов молнии), наличия квалифицированного персонала, возможности последующего расширения и изменения сети.

В качестве общих рекомендаций для выбора той или иной сети можно указать следующие:

1. Сети TN–С и TN–С–S характеризуются низким уровнем электро- и пожаробезопасности, а также возможностью значительных электромагнитных возмущений.
2. Сети TN–S рекомендуются для статичных (не подверженных изменениям) установок, когда сеть проектируется "раз и навсегда".
3. Сети ТТ следует использовать для временных, расширяемых и изменяемых электроустановок.
4. Сети IT следует использовать в тех случаях, когда бесперебойность электроснабжения является крайне необходимой.

Возможны варианты, когда в одной и той же сети следует использовать два или три режима. Например, когда вся сеть получает питание по сети TN–S, а часть ее через разделительный трансформатор по сети IT.