понедельник, 4 мая 2020 г.

Системы заземления

Отредактировано 25.09.2022


Заземление — преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством.

Заземление бывает
  • естественное
    К естественному заземлению принято относить те конструкции, строение которых предусматривает постоянное нахождение в земле. Однако, поскольку их сопротивление ничем не регулируется и к значению их сопротивления не предъявляется никаких требований, конструкции естественного заземления нельзя использовать в качестве заземления электроустановки. К естественным заземлителям относят, например, железобетонный фундамент здания.
    Также рекомендую ознакомиться с опубликованной здесь статьёй Что можно и что нельзя использовать в качестве естественного заземлителя.
  • искусственное
    Искусственное заземление — это преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки электрической сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством.
    Заземляющее устройство (ЗУ) состоит из заземлителя (проводящей части или совокупности соединённых между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землёй непосредственно или через промежуточную проводящую среду) и заземляющего проводника, соединяющего заземляемую часть (точку) с заземлителем. Заземлитель может быть простым металлическим стержнем (чаще всего стальным, реже медным) или сложным комплексом элементов специальной формы.
    Качество заземления определяется значением сопротивления заземления / сопротивления растеканию тока (чем ниже, тем лучше), которое можно снизить, увеличивая площадь заземляющих электродов и уменьшая удельное электрическое сопротивление грунта: увеличивая количество заземляющих электродов и / или их глубину; повышая концентрацию солей в грунте, нагревая его и т. д.
    Электрическое сопротивление заземляющего устройства различно для разных условий и определяется / нормируется требованиями ПУЭ и соответствующих стандартов.
    Обычно используются систему искусственного заземления TN-C, TN-S, TN-C-S, TT, IT. Но есть и другие, например, сети с резонансно-заземленной (компенсированной) нейтралью.


Обозначения в системах заземления

Для электроустановок напряжением до 1 кВ приняты следующие обозначения:
  • система TN — система, в которой нейтраль источника питания глухо заземлена, а открытые проводящие части электроустановки присоединены к глухозаземленной нейтрали источника посредством нулевых защитных проводников;
  • система TN-С — система TN, в которой нулевой защитный и нулевой рабочий проводники совмещены в одном проводнике на всем ее протяжении;
  • система TN-S — система TN, в которой нулевой защитный и нулевой рабочий проводники разделены на всем ее протяжении;
  • система TN-C-S — система TN, в которой функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников совмещены в одном проводнике в какой-то ее части, начиная от источника питания;
  • система IT — система, в которой нейтраль источника питания изолирована от земли или заземлена через приборы или устройства, имеющие большое сопротивление, а открытые проводящие части электроустановки заземлены;
  • система ТТ — система, в которой нейтраль источника питания глухо заземлена, а открытые проводящие части электроустановки заземлены при помощи заземляющего устройства, электрически независимого от глухозаземленной нейтрали источника


Первая буква — состояние нейтрали источника питания относительно земли:
  • Т — заземленная нейтраль
  • I — изолированная нейтраль


Вторая буква — состояние открытых проводящих частей относительно земли:
  • Т — открытые проводящие части заземлены, независимо от отношения к земле нейтрали источника питания или какой-либо точки питающей сети
  • N — открытые проводящие части присоединены к глухозаземленной нейтрали источника питания


Последующие (после N) буквы — совмещение в одном проводнике или разделение функций нулевого рабочего и нулевого защитного проводников:
  • S — нулевой рабочий (N) и нулевой защитный (РЕ) проводники разделены
  • С — функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников совмещены в одном проводнике (PEN-проводник)
  • N — нулевой рабочий (нейтральный) проводник
    Цвет проводов нулевых и защитных
  • РЕ — защитный проводник (заземляющий проводник, нулевой защитный проводник, защитный проводник системы уравнивания потенциалов)
  • PEN — совмещенный нулевой защитный и нулевой рабочий проводники. Провод PEN должен иметь сечение не менее 10 мм2 по меди или 16 мм2 по алюминию (ПУЭ, п.1.7.131).


Глухозаземленная нейтраль — нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная непосредственно к заземляющему устройству. Глухозаземленным может быть также вывод источника однофазного переменного тока или полюс источника постоянного тока в двухпроводных сетях, а также средняя точка в трёхпроводных сетях постоянного тока.
К глухозаземлённой нейтрали относятся система заземления TN-C, TN-C-S, TN-S, TT.

Изолированная нейтраль — нейтраль трансформатора или генератора, неприсоединенная к заземляющему устройству или присоединенная к нему через большое сопротивление приборов сигнализации, измерения, защиты и других аналогичных им устройств.
К изолированной нейтрали относится система заземления IT.


Главная заземляющая шина (ГЗШ) — шина, являющаяся частью заземляющего устройства электроустановки до 1 кВ и предназначенная для присоединения нескольких проводников с целью заземления и уравнивания потенциалов.
ГЗШ может быть установлена как в отдельном шкафу, так и быть частью ГРЩ (Главного Распределительного Щита).
ГЗЩ в доме
Главная заземляющая шина
В обычных частных домах функции ГЗШ (согласно ПУЭ, п.1.7.119) выполняет обычная шина PE, установленная в ВУ или ВРУ. Ставить там полноценную ГЗШ нет необходимости.
ГЗШ не предназначена для деления PEN. Деление PEN происходит либо на шинах PEN, PE и N, либо только на PE и N.


Шина PEN предназначена для подключения PEN-проводника, его заземления и разделения на PE и N. Рядом с шиной PEN ставятся шины PE и N, которые соединяются с PEN каждая своим проводником.
В большинстве случаев шина PEN не является обязательной, а её функции выполняет шина PE (или даже шина N согласно ГОСТ Р 50571.5.54-2013). Тогда эта шина становятся также и шиной PEN, и должна удовлетворять требованиям к PEN-проводникам.
Согласно инструкции И1.03-08 по устройству защитного заземления и уравнивания потенциалов в электроустановках, взаимное расположение подключаемых проводников (PEN, заземляющего и перемычек) следует выполнять именно в такой последовательности: сначала PEN, затем заземлитель, затем перемычка на шину N и перемычка на шину PE.
Вариант исполнения шины PEN
Вариант исполнения шины PEN

Вариант исполнения шины PEN
Вариант исполнения шины PEN

Шина для PEN-проводника
Шина PEN

Вот так выглядит вариант схемы разделения PEN проводника для однофазной сети
Схема разделения PEN
Схема разделения PEN проводника для однофазной сети


Шины PE и N предназначены для подключения к ним соответствующих проводников отходящих линий. Помимо этого, либо одна, либо другая шина, как уже говорилось выше, может выполнять функции PEN-шины.
Шины PE и N обычно делается каждая своего цвета. Но может быть изготовлена и как приведенная выше шина PEN, что может быть менее удобным в последующей эксплуатации.
Шины для PE и N проводников


Система заземления TN-C

Система TN-C (фр. Terre-Neutre-Combiné) предложена немецким концерном AEG в 1913 году. Нулевой защитный и нулевой рабочий проводники (англ. Protection Earth) в этой системе совмещены в один провод на всём его протяжении. Т.е. используется четырёхжильный кабель: три жилы на фазы, одна жила на рабочий ноль и PE-проводник.

TN-C

TN-C


Самым большой недостаток - возможность появления линейного напряжения на корпусах электроустановок при аварийном обрыве нуля. Это решается многократным (и хочется надеяться что тщательным) заземлением ноля: начиная с подстанции и заканчивая ближайшим к розеткам щитком. Т.е. если где-то ноль "отвалится" от заземления, на нём сразу же появится напряжение, равное произведению силы тока на сопротивление жилы до ближайшего соединения с землёй. Оно может достигать 100 Вольт и больше, что нередко можно встретить в старых домах, где "ноль" бьётся током почти так же сильно, как и "фаза". Последствия могут быть весьма неприятными.

Ещё большим недостатком сетей TN-C является неработоспособность в них УДТ (УЗО) и АВДТ (дифавтомат).

Несмотря на это, данная система всё ещё встречается в постройках стран бывшего СССР (она применялась из-за простоты и дешевизны). Из современных электроустановок, такая система встречается только в уличном освещении из соображений экономии и пониженного риска.


Система заземления TN-S

Система TN-S (фр. Terre-Neutre-Séparé) была разработана на замену условно опасной системы TN-C в 1930-х годах.

В TN-S рабочий и защитный ноль разделяются прямо на подстанции, а заземлитель представляет собой довольно сложную конструкцию металлической арматуры. Таким образом, при обрыве рабочего нуля в середине линии, корпуса электроустановок не получали линейного напряжения.
TN-S

TN-S

Само по себе использование сети TN-S не обеспечивает электробезопасность при косвенном прикосновении, т.к. при пробое изоляции на корпусе, как и в сети TN-C, 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 PE. 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 появление фазного напряжения на корпусах всех связанных данной линией питания электроприемников за точкой разрыва.

Система TN-S не получила широкого распространения из-за своей высокой стоимости, которая вызвана необходимостью выполнения подключения электроустановок пятью проводами при трехфазном подключении либо тремя проводами при однофазном подключении.


Система заземления TN-C-S

TN-C-S является компромиссным решением между системой заземления TN-C и системой TN-S.

В системе TN-C-S трансформаторная подстанция имеет непосредственную связь токопроводящих частей с землёй и наглухо заземлённую нейтраль. Для обеспечения связи на участке трансформаторная подстанция ⇾ ввод в здание применяется совмещённый в одном проводнике нулевой рабочий (N) и защитный проводник (PE), принимающий обозначение PEN. При вводе в здание он (PEN) разделяется на отдельный нулевой (N) и защитный проводник (PE).

Также можно наблюдать систему TN-C-S, где разделение нулей происходит в середине линии, однако, в случае обрыва нулевого провода до точки разделения, корпуса окажутся под напряжением, что будет представлять угрозу для жизни при касании.

TN-C-S

Т.е. это развитие системы TN-C. Как и системе TN-C, в ней от питающей подстанции к потребителю выдается четыре линии, из которых три отведены для фазных проводов, а четвертый под совмещенный PEN проводник. Но, на определенном участке цепи выполняется разрыв PEN жилы, а из неё отдельно выделяется нулевой провод и заземление. Для последнего устанавливается отдельный заземляющий контур в месте раздела, обеспечивающий необходимую величину электрического сопротивления току растекания.

Главное, что нужно понять об этой системе - в вашем доме и квартире должна быть трёхжильная проводка (фаза/ноль/земля), с качественно заземлённой третьей жилой - не на корпус щитка, не на ведро под окном, а на главную заземляющую шину (ГЗШ) - прямо там, где вводной кабель переходит в проводку здания.



Плюсы: более простое устройство молниезащиты (невозможно появление пика напряжения между PE и N), возможность защиты от КЗ фазы на корпус прибора с помощью обыкновенных автоматов.

Недостатки: крайне слабая защищённость от "отгорания нуля", т.е. разрушения PEN по пути от трансформаторной подстанции к точке разделения. В этом случае на шине PE со стороны потребителя появляется фазное напряжение, которое не может быть отключено никакой автоматикой (PE не подлежит отключению). Если внутри здания защитой от этого служит система уравнивания потенциалов (СУП) (под напряжением оказывается всё металлическое, и нет риска поражения током при прикосновении к 2 разным предметам), то на открытом воздухе никакой защиты от этого не существует вовсе.


В соответствии с ПУЭ является основной и рекомендуемой системой, но при этом ПУЭ требуют соблюдения ряда мер по недопущению разрушения PEN — механическую защиту PEN, а также повторных заземлений PEN воздушной линии по столбам через определенное расстояние (не более 200 метров для районов с числом грозовых часов в году до 40, 100 метров для районов с числом грозовых часов в году более 40).

В случае, когда эти меры соблюсти невозможно, ПУЭ рекомендуют использовать систему TT. Также ТТ рекомендуется для всех установок под открытым небом (сараи, веранды и т.п.).


В городских зданиях шиной PEN обычно является толстая металлическая рама, вертикально идущая через всё здание. Её практически невозможно разрушить, потому в городских зданиях применяется TN-C-S.
В сельской же местности в России на практике существует огромное количество воздушных линий без механической защиты PEN и повторных заземлений. Потому в сельской местности более популярна система TT.

В позднесоветской городской застройке как правило применялась TN-C-S с точкой деления на основе электрощита (PEN) рядом со счетчиком, при этом PE проводилась только для электроплиты.
В современной российской застройке применяется и "пятипроводка" с точкой деления в подвале, в стояках проходят уже независимые N и PE.


Создание системы заземления TN-C-S из TN-C

Если к вашему дому подходит система заземления TN-C, то её довольно просто можно переделать в TN-C-S.
В первую очередь следует удостовериться в надежности линии электропитания, подводящей электричество к вашему дому. Ведь состояние загородных линий электропередачи (а они, в большинстве случаев, воздушные) оставляет желать лучшего. Никто не даст гарантии, что в один прекрасный день, в результате аварии на линии (если под своей тяжестью накренится хлипкая опора и т.п.), оголенный нулевой провод не соединится с проводом фазным. В итоге ноль отгорит от трансформатора, а мы получим смертельно опасное напряжение, "гуляющее" по корпусу домашних электроприборов. Использование кабеля СИП в составе подводящей линии дает некоторые гарантии безопасности, но при неудовлетворительном состоянии наземных опор все эти гарантии можно поставить под сомнение. 
Далее следует произвести разделение PEN.

Разделение проводника PEN

Разделение проводника на защитный провод PE (имеющий желто-зеленый цвет) и на нулевой (имеет голубой цвет) производится во вводном щите.
В соответствии с ПУЭ разделение проводника PEN должно быть выполнено до вводного коммутационного защитного аппарата и до электросчетчика. Категорически запрещается включать защитные и коммутационные аппараты в цепь проводников PEN и PE. Разрывать можно только цепь проводника N (ПУЭ 1.7.145).

Разделение проводника PEN производится по следующей схеме:
Разделение PEN

Для разделения следует использовать две шины: главную заземляющую (ГЗШ) и нулевую (N). Главная заземляющая шина подключается к дополнительному заземляющему контуру, к ней же подключается вводной кабель PEN и подсоединяются заземляющие клеммы розеток, установленных в доме. К шине N подключаются: электросчетчик, защитные автоматы и силовые клеммы домашних точек энергопотребления. Но лучше всего если физически после шины ГЗШ есть две шины – PE и N. К шине PE также подключается ДСУП - дополнительная система уравнивания потенциалов.

Нулевая разделяющая шина N в обязательном порядке должна устанавливаться на изолятор, т.е. она должна быть изолирована от корпуса щитка, к которому дополнительно подключается шина PE (ведь после разделения эти две шины не должны нигде соприкасаться).

Если вы желаете максимально защитить себя и свою семью от поражения токами утечки, в электрической схеме следует установить УДТ (УЗО) или АВДТ (дифавтомат).


Система заземления TT

В системе TT трансформаторная подстанция имеет непосредственную связь токоведущих частей с землёй. Все открытые проводящие части электроустановки здания имеют непосредственную связь с землёй через заземлитель, электрически независимый от заземлителя нейтрали трансформаторной подстанции. Т.е. фазы и ноль приходят с подстанции, а заземление делается для каждого здания отдельно (индивидуально).

Система TT

Достоинства: высокая устойчивость к разрушению нейтрали по пути от трансформаторной подстанции к потребителю. Это разрушение никак не влияет на PE.

Недостатки: требования более сложной молниезащиты (возможность появления пика между N и PE), а также невозможность для обычного автоматического выключателя отследить КЗ фазы на корпус прибора (и далее на PE). Это происходит из-за довольно заметного (30-40 Ом) сопротивления местного заземления.


В силу вышеперечисленного ПУЭ рекомендуют ТТ только как "дополнительную" систему (при условии, что подводящая линия не удовлетворяет требования TN-C-S по повторному заземлению и механической защите PEN), а также в установках на открытом воздухе, где есть риск одновременного соприкосновения с установкой и с физической землей (или же физически заземлёнными металлическими элементами).

Тем не менее, ввиду низкого качества большинства воздушных линий в сельской местности России, система TT там крайне популярна.

От того, что сопротивление местного заземления достаточно большое, ток утечки может порождать высокое напряжение прикосновения на корпусах приборов. Поэтому система заземления ТТ требует обязательного применения УЗО. Обычно устанавливают вводное УЗО с уставкой 100-300 мА, которое отслеживает короткое замыкание между фазой и PE, а за ним — персональные УЗО для конкретных цепей на 10-30 мА для защиты людей от поражения током.

Молниезащитные устройства, такие, как ABB OVR, различаются по конструкции для систем TN-C-S и TT, в последних установлен газовый разрядник между N и PE и варисторы между N и фазами.

В системе ТТ сечение заземляющего проводника должно быть не менее 25 мм2 по меди или 35 мм2 для алюминия.


Система заземления IT

В системе IT нейтраль источника питания изолирована от земли или заземлена через приборы или устройства, имеющие большое сопротивление, а открытые проводящие части заземлены. Ток утечки на корпус или на землю в такой системе будет низким и не повлияет на условия работы присоединённого оборудования.

При всей своей сложности и архаичности, IT система обладает высокой безопасность, отказоустойчивостью (из-за отсутствия токов короткого замыкания) и помехозащищенностью.
Система IT

Особенностью системы IT является то, что в ней нет ноля (нейтрали)... Совсем нет. 
Поэтому чтобы в таких системах заземления получить 230 В (если приходит 400 В) есть несколько способов:
  • использовать трансформатор, который преобразует приходящие 3 фазы 400 В в отходящие 3 фазы 110 В. Далее взять любые две фазы, в результате чего получится 220 В.
  • использовать трансформатор, который преобразует приходящие 3 фазы 400 В в отходящие 3 (или две) фазы 230 В. Далее на трансформаторе обеспечивается искусственную нейтраль на вторичной обмотке: один из выводов вторичной обмотки заземляют (подключают к контуру заземления), и получают систему TN-S (или, скорее TN-C-S). 
  • использовать трансформатор, который преобразует приходящие 3 фазы 400 В в отходящие 3 фазы 400 В с нейтралью (т.е. сделать соединение "треугольник" на "звезду с нулём"). Кому интересно - это трансформатор с коэффициентом трансформации 1 к 1. При этом вариант есть вероятность не получить стабильных напряжений при сильно не симметричной нагрузке.


Система IT применяется, как правило, в электроустановках зданий и сооружений специального назначения, к которым предъявляются повышенные требования надёжности и безопасности (например, электроустановки подземных разработок и угольных шахт). При этом для создания безопасных условий эксплуатации для обслуживающего персонала (при появлении потенциала на электроустановке относительно земли) и исключения взрывов пыли и газов в обязательном порядке устанавливаются так называемые рудничные устройства защиты от токов утечки.
Система IT может также применяться в больницах для аварийного электроснабжения и освещения.
Изолированную нейтраль имеют портативные бензиновые и дизельные генераторы, что позволяет достаточно безопасно использовать подключенные к ним электроприборы без заземления, которое в "полевых" условиях сделать проблематично.
Ну и на судах и добывающих платформах используется такая же система, ведь там негде взять "землю".

Ранее система с изолированной нейтралью была широко распространена и в системах энергоснабжения жилых домов, особенно деревянных неблагоустроенных, питающие линии к которым также подводились по деревянным опорам.
В СССР бытовые электросети сети напряжения 127/220 В были только с изолированной нейтралью, хотя промышленные сети напряжения 220/380 В в те же годы уже имели заземленную нейтраль. Связано это было с тем, что организовать надежное заземление электрического щита и электроприборов в деревянном доме было проблематично, кроме того при наличии заземления возрастал риск возникновения пожара при замыкании фазового провода или возникновении утечки тока на заземлитель. Изолированная нейтраль в сочетании с отсутствием в деревянном неблагоустроенном доме естественно заземленных токопроводящих элементов (арматуры, водопровода, канализации) и сравнительно низком напряжении (127 В) дополнительно практически до минимума снижала риск поражения электрическим током при однофазном прикосновении. Эта особенность ранних бытовых сетей приводила к тому, что многими людьми электрический ток не воспринимался как источник повышенной опасности и работы по замене лампочек, ремонту розеток и выключателей часто проводились без отключения сети. Использование приборов класса защиты от поражения электрическим током 0 было также достаточно безопасно. В сети с изолированной нейтралью, при однофазном подключении, оба проводника равноправны и не подразделяются на фазовый и нейтральный. По этой причине в старых домах предохранители на вводе в квартиру ставились на обоих проводниках (в системах с заземленной нейтралью предохранитель на нейтральном проводе устанавливать недопустимо).

Сети с изолированной нейтралью сохранились и с началом распространения железобетонных благоустроенных домов, имеющих токопроводящие стены и заземленные трубопроводы. Этот фактор резко повысил риск поражения электрическим током в быту, так как в железобетонном доме неизбежно возникали неконтролируемые утечки тока на землю, из-за чего один из фазовых проводов мог оказаться непреднамеренно связанным с токопроводящими конструкциями здания и землей. Но так как нейтраль изолирована — ток короткого замыкания при этом не возникал, факт утечки тока на здание и землю не обнаруживался и сеть могла работать в аварийном режиме продолжительное время. В такой ситуации случайное прикосновение к другому фазовому проводнику человеком (или к прибору с нарушенной изоляцией), находящимся на бетонном полу, в ванной или у раковины становилось чрезвычайно опасным, так как человек оказывался под линейным напряжением. Поэтому с началом массового строительства железобетонных домов ("Хрущевок") бытовые сети стали строиться уже по системе с заземленной нейтралью: в 1960-х - 1980-х годах по системе TN-C, а с 1990-х по системе TN-C-S.




Вот несколько полезных видео

Комментариев нет:

Отправить комментарий