Системы заземления электроустановок напряжением до 1 кВ
Электрические сети напряжением до 1 кВ переменного тока могут выполняться с глухозаземленной или с изолированной нейтралью. До 1995 г. в России электроустановки напряжением до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью выполнялись четырехпроводными: три фазы и нулевой проводники, нейтраль трансформатора или другого источника питания присоединялась к земле (заземляющему устройству) через малое сопротивление. Нулевой проводник соединялся с нейтралью трансформатора и выполнял функции нулевого рабочего и нулевого защитного проводников. По принятым в настоящее время стандартам такая система заземления относится к системе TN-C с PEN проводником. Система TN-C получила очень широкое распространение в промышленных, городских и сельских сетях благодаря своему основному преимуществу — наличию двух стандартных напряжений: фазному и линейному. Данная система заземления достаточно проста, экономична, но не обеспечивает должный уровень электробезопасности [12].
С середины 90-х годов в качестве государственных стандартов были приняты международные стандарты [МЭК 364 (ГОСТ Р 50571—94)], требования которых были включены в ПУЭ. Новые требования к выполнению систем заземления привели к существенным изменениям при проектировании электроснабжения жилых, общественных, административных и бытовых зданий. Так, было запрещено использовать систему заземления TN-C. Вместо нее были предложены новые системы: TN-C-S и TN-S, в которых нулевой рабочий и нулевой защитный проводники во всей сети или в ее части работают раздельно.
Типы систем заземления. ГОСТ Р 50571.2-94 (МЭК 364-3—93) предусматривает три типа систем заземления электрических сетей: TN, ТТ, IT. Система TN в зависимости от устройства нулевого рабочего и нулевого защитного проводников разделяется натри вида: TN-C, TN-C-S и TN-S.
В обозначении системы заземления первая буква (I или Т) определяет тип заземления нейтрали трансформатора. Буква «I» означает, что нейтраль трансформатора изолирована от земли или связана с землей через сопротивление или разрядник. Буква «Т» указывает на прямую связь по меньшей мере одной точки сети (нейтрали трансформатора) с землей. Вторая буква характеризует связь с землей открытых проводящих частей электроустановки. Буква «Т» означает прямое соединение открытых проводящих частей1 электроустановки с землей без связи их с нейтралью трансформатора. Буква «N» указывает на прямое соединение открытых проводящих частей электроустановки с заземленной нейтралью посредством PEN или РЕ проводников.
Последующие буквы характеризуют устройство нулевого защитного и нулевого рабочего проводников. Буква «С» означает, что функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников объединены в одном проводнике (PEN проводнике), буква «S» — функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников обеспечиваются раздельными проводниками.
В системах заземления используются следующие нулевые проводники:
• N проводник — нулевой рабочий проводник, который служит для питания однофазных электроприемников и для подключения к нему нулевых точек трехфазных электроприемников;
• РЕ проводник — нулевой защитный проводник, соединяющий зануляемые части (корпуса) электроприемников с заземленной нейтралью трансформатора или генератора в сетях переменного трехфазного тока или с заземленной средней точкой источника в сетях постоянного тока;
• PEN проводник выполняет функции РЕ проводника и N проводника. PEN проводник присоединяется к заземленной нейтрали вторичной обмотки трансформатора или генератора, может иметь повторное заземление в других точках сети.
Система TN — система, в которой нейтраль трансформатора или другого источника питания глухо заземлена (соединена с землей в одной или нескольких точках), а все доступные прикосновению открытые проводящие части электроустановки соединяются с заземленной точкой с помощью PEN или РЕ и N проводников. Проводимость PEN проводника, идущего от нейтрали трансформатора или генератора, должна быть не менее 50 % проводимости фаз.
В качестве N проводника следует использовать дополнительную жилу провода или кабеля (четвертая жила в сетях переменного трехфазного тока).
В качестве защитных проводников (PEN и РЕ проводников) должны быть в первую очередь использованы специально предусмотренные для этой цели проводники, в том числе жилы кабелей, изолированные провода в общей оболочке с фазными проводами, стационарно проложенные неизолированные или изолированные проводники. В качестве PEN или РЕ проводников между нейтралью и щитом распределительного устройства следует использовать: при выводе фаз шинами — шину на изоляторах; при выводе фаз кабелем (проводом) — жилу кабеля (провода).
Допускается использовать в качестве PEN и РЕ проводников следующие проводники, конструкции и элементы, если они обеспечивают непрерывность цепи заземления и удовлетворяют нормативным требованиям:
• алюминиевые оболочки кабелей;
• металлические конструкции и опорные конструкции шинопрово-дов;
• стальные трубы электропроводок;
• металлические конструкции зданий или сооружений (фермы, колонны);
• арматуру железобетонных конструкций и фундаментов зданий;
• металлические стационарные открыто проложенные трубопроводы всех назначений, кроме трубопроводов горючих и взрывоопасных веществ и смесей, канализации и центрального отопления.
Система TN-C — система TN, в которой нулевой защитный и нулевой рабочий проводники совмещены в одном проводнике на всем ее протяжении (рис. 1.9.1). В настоящее время система TN-C остается основной в питающих и распределительных сетях низкого напряжения промышленных предприятий.
В четырехпроводных сетях переменного трехфазного тока или трех-проводных сетях постоянного тока заземление нейтрали или средней точки источников тока является обязательным. Открытые проводящие части электроустановки должны быть электрически соединены с заземленной нейтралью трансформатора или генератора в сетях переменного тока, с заземленной средней точкой источника питания — в сетях постоянного тока, т. е. должно быть выполнено зануление. Заземление корпусов электроприемников без их зануления недопустимо. Зануление предназначено для создания цепи короткого замыкания с малым сопротивлением при пробое одной из фаз на корпус электроустановки и для обеспечения безопасности обслуживающего персонала.
Рис. 1.9.1. Системы TN-C переменного (а) и постоянного (б) тока (нулевой защитный и нулевой рабочий проводники совмещены в одном проводнике): / — заземлитель нейтрали (средней точки) источника питания; 2 — открытые проводящие части; 3 — источник питания постоянного тока
В системе TN-C предусматриваются устройства защиты от сверхтоков (коротких замыканий, перегрузок). Устройства защиты, реагирующие на дифференциальный ток (устройства защитного отключения — УЗО), как правило, не предусматриваются из-за неэффективности их применения.
Система TN-C-S является комбинацией систем TN-C и TN-S, в которой PEN проводник используется только в сети общего пользования. В какой-то точке сети PEN проводник разделяется на два проводника: РЕ и N проводники (рис. 1.9.2). После точки разделения РЕ и N проводники объединять запрещается, N проводник изолируется от корпуса, предусматриваются раздельные зажимы или шины для РЕ и N проводников. Разделение PEN проводника в системе TN-C-S обычно осуществляется на вводе в электроустановку (в здание). В точке разделения PEN проводник заземляется на повторный контур заземления.
Стандарты предъявляют следующие требования к PEN проводнику в системе TN-C-S:
• площадь сечения медного проводника должно быть не менее 10 мм2:
Рис. 1.9.2. Системы TN-C-S переменного (а) и постоянного (б) тока: / — заземлитель нейтрали источника переменного тока; 2 — открытые проводящие части; 3 — источник питания; 4 — заземлитель средней точки источника постоянного тока
• площадь сечения алюминиевого проводника должно быть не менее 16 мм2;
• часть электроустановки с PEN проводником не должна быть оснащена устройствами УЗО, реагирующими на дифференциальный ток.
Устройства защитного отключения в системе могут быть установлены только после разделения PEN проводника со стороны электроприемников. Система TN-C-S является наиболее перспективной для практического применения, так как она позволяет обеспечить более высокий уровень электробезопасности по сравнению с системой TN-C и не требует проводить реконструкцию существующей электрической сети.
Система TN-S имеет N и РЕ проводники, которые работают раздельно по всей системе. В системе TN-S устройство защитного отключения может устанавливаться в любой точке сети. В трехфазных сетях переменного тока для реализации системы TN-S требуется применять пятипроводные линии во всей сети от источника питания до электроприемника. Это делает систему TN-S более дорогой и сложной (рис. 1.9.3).
Рис. 1.9.3. Системы TN-S переменного (а) и постоянного (б) тока: / — заземлитель нейтрали источника переменного тока; 2 — открытые проводящие части; 3 — источники питания; 4 — заземлитель средней точки источника постоянного тока
Система IT — система с изолированной нейтралью (в установках постоянного тока с изолированной средней точкой), в которой нейтраль трансформатора или генератора изолирована от земли или заземлена через приборы или устройства, имеющие большое сопротивление. Открытые проводящие части электроустановки заземлены (присоединены к заземлителю, электрически независимому от заземлителя нейтрали трансформатора или генератора. Систему следует применять при недопустимости перерыва электроснабжения электроприемников. Так как наиболее частые аварии в сетях с глухозаземленной нейтралью — однофазные короткие замыкания, то применение сетей с изолированной нейтралью позволяет не нарушать работу электроприемников в случае пробоя или нарушения изоляции в одной фазе. Сети с изолированными нейтралями применяются в шахтах, для передвижных установок, торфяных разработок, в отдельных цехах предприятий цветной металлургии и т. д.
Для сетей с изолированной нейтралью заземление корпусов электроприемников является обязательным. Кроме того, должен предусматриваться непрерывный контроль изоляции сети и обеспечена возможность быстрого отыскания замыканий на землю. В сетях системы IT предусматриваются защиты от сверхтоков, защита от замыканий на землю, могут применяться устройства защиты, реагирующие на дифференциальный ток. Защита от замыканий на землю должна действовать на отключение в тех случаях, когда это необходимо для обеспечения безопасности обслуживающего персонала.
Система ТТ — система, в которой нейтраль трансформатора или генератора глухо заземлена, а открытые проводящие части заземлены с помощью заземляющего устройства, электрически независимого от глухозаземленной нейтрали источника питания. Данная система заземления имеет ограниченную область применения. ГОСТ Р 50669—94 рекомендует использовать систему ТТ при проектировании и монтаже электроустановок зданий из металла (киосков, павильонов).