Елементарні уявлення про сутність систем заземлення IT і TN у відповідності з ПУЕ

Нехай вторинні обмотки силового трансформатора з’єднані за схемою “зірка”. Вказані обмотки в процесі нормальної роботи знаходяться під напругою, тому в загальному випадку кожна з них має назву струмоведуча частина – провідник або провідна частина, які знаходяться під напругою в процесі їх нормальної роботи. Частинним випадком струмоведучої частини є провідник.

Зазначимо, що на відміну від терміну “ струмоведуча частина ” термін “ струмопровідна частина ” має дещо інший смисл тому, що визначає об’єкти, які в нормальному (неаварійному) стані не перебувають під напругою і не проводять струм, проте не відносяться до електротехнічних об’єктів, які безпосередньо призначені для передачі електричної енергії. Прикладами можуть бути такі об’єкти, як корпус електродвигуна, стрижневий заземлювач типу електрод, рейки залізниць і під’їзних шляхів, вологий ґрунт тощо.

На рис. 3 показані лінійні провідники L₁, L₂, L₃ трифазної мережі, які реально являють собою провідники, електрично зв’язані з фазними обмотками трансформатора (буква L від англ. Linе – лінія). Точка з’єднання фазних обмоток трансформатора являє собою загальну точку між двома симетричними елементами кола, протилежні кінці яких приєднані до різних лінійних провідників цього ж кола, і має назву “ середня точка ” джерела живлення. Якщо до середньої точки приєднати провідник 1, то він очевидно буде як провідник середньої точки (М - провідник) – провідник в електроустановках напругою до 1 кВ, електрично з’єднаний зі середньою точкою джерела живлення, який використовується для розподілу електричної енергії. Зазначимо, що буква М ( від англ. medium – середній) означає безпосередній зв'язок відкритих провідних частин електроустановки з середньою точкою джерела живлення.

При симетричному навантаженні джерела живлення (силового трансформатора) вказана середня точка є нейтральною точкою, тобто точкою, напруга якої відносно всіх зовнішніх виводів обмотки одинакові за абсолютним значенням. У свою чергу, заземлена нейтральна точка (за допомогою захисного заземлювального провідника 1) має назву нульової точки, зважаючи на те, що на неї подається нульовий потенціал землі.

Провідники L₁, L₂, L₃, N є струмоведучими частинами. Очевидно, лінійний або фазний провідник L_i (i = 1, 2, 3) – провідник, який в нормальному режимі роботи електроустановки знаходиться під напругою і використовується для передачі і розподілу електричної енергії, проте не є провідником середньої точки або нейтральним провідником (рис. 3, а). М-провідник в даній схемі виконує функцію заземлювального провідника – провідника, який з’єднує заземлювальний пристрій R_р з середньою точкою електроустановки (обладнання, системи). Очевидно, що заземлювальний провідник виконує робочу функцію, тобто має призначення забезпечення функціонування електроустановки.

Нейтральний провідник (N -провідник) або старий термін “ нульовий робочий провідник ” – провідник в електроустановках напругою до 1 кВ, електрично з’єднаний з нейтральною точкою джерела живлення. Нейтральний провідник відноситься до струмоведучої частини. Зазначимо, що буква N ( від англ. Neutral – нейтраль) означає безпосередній зв'язок відкритих провідних частин електроустановки з точкою заземлення джерела живлення.

У відповідності з ГОСТ 30331.2 вводяться такі визначення та умовні позначення:

– провідник середньої точки (М - провідник) і нейтральний провідник (N -провідник) – провідники, призначені для розподілу електричної енергії при будь-якому режимі функціонування (роботи) електричної мережі;

– захисний провідник – провідник, призначений для забезпечення електробезпеки, тобто для захисту від ураження електричним струмом (вказаний термін є синонімом відповідного терміну “ нульовий захисний провідник ”, який використовувався у попередніх редакціях ПУЕ і не відповідає стандартам Міжнародної електротехнічної комісії);

– захисний заземлювальний провідник – заземлювальний провідник, призначений для захисного заземлення;

– РЕ-провідник (від англ. earth– земля, protectiveearthing – захисне заземлення) – захисний провідник в електроустановках напругою до 1 кВ, призначений для захисту від ураження електричним струмом;

– РЕN-провідник – провідник в електроустановках напругою до 1 кВ, який об’єднує у собі функції захисного (РЕ-) і нейтрального (N-) провідників (РЕN-провідник не відноситься до струмоведучої частини).

На схемах рис. 3 показаний заземлювач джерела живлення, позначений як R_р (стара назва “робоче заземлення”) і повторне заземлення R_п. Зазначимо, що повторне заземлення за ГОСТ 30331.2 є опором заземлювального пристрою відкритої провідної частини електроустановки.

В новій редакції ПУЕ в розділі 1.7 “Заземлення та захисні заходи від ураження електричним струмом” під терміном “ система ” розуміється зв’язані між собою джерело живлення (генератор електростанції або силовий трансформатор), повітряна або кабельна ЛЕП, приймачі електроенергії (електрообладнання, електродвигуни, електричні джерела світла, електротермічне обладнання тощо), а також елементи заземлення. Декомпозиція раціональних способів заземлення в різних мережах визначає певний тип заземлення системи.

Системи заземлення визначається певним типом. Тип заземлення системи – показник, що характеризує пристрій нейтрального провідника ( N -провідника) або провідника середньої точки (М - провідника) і з’єднання з землею струмоведучих частин джерела живлення (генератора, силового трансформатора) і відкритих провідних частин в електроустановках напругою до 1 кВ. Головною метою застосування систем заземлення є електробезпека.

Відповідно з ГОСТ 30331.2 розглянемо два типи заземлення системи в трифазних електроустановках змінного струму напругою до 1 кВ (див. рис. 4).

1. Система TN (стара назва: “ занулення ”) – система, в якій мережа живлення має глухе заземлення однієї точки струмоведучих частин джерела живлення, а електроприймачі та відкриті провідні частини електроустановки приєднуються до цієї точки за допомогою відповідно N - або М - і захисного РЕ – провідників. Зазначимо, що буква T ( від лат. terra – земля) означає безпосередній зв'язок відкритих провідних частин електроустановки з землею незалежно від характеру заземлення джерела живлення на землю. У трифазній мережі точкою заземлення джерела живлення, яка має схему з’єднання обмоток “зірка”, є нейтраль джерела живлення. Якщо нейтраль недоступна (у трифазній мережі, яка має схему з’єднання обмоток “трикутник”), то заземлюють фазний провідник. В трипровідних мережах однофазного струму і постійного струму точкою заземлення є середня точка, а в двохпровідних мережах – один із виводів джерела однофазного струму або один із полюсів джерела постійного струму.

Зазначимо, що термін “ нейтральний провідник ” в системі TN являється синонімом відповідного терміну “ нульовий робочий провідник ”, який застосовувався в попередніх редакціях ПУЕ, а термін “ захисний провідник ” – синонім терміну “ нульовий захисний провідник ”.

1.1. Система TN-S – різновид системи TN, в якій N - або М - і РЕ – провідники розподілені по всій мережі. Обмотки джерела живлення електрично з’єднані зіркою або трикутником. Зазначимо, що буква S ( від англ. separate – розділяти) означає, що функції N- і РЕ провідників виконують окремі провідники. На рис. 4, а показано схему вказаної системи, де 1 – це заземлювач джерела живлення; 2 – відкриті провідні частини; 4 – захисний заземлювальний провідник.

1.2. Система TN-C – різновид системи TN, в якій N - або М - і РЕ – провідники з’єднані в одному РЕN – провіднику по всій мережі (рис. 4, б, зліва). Обмотки джерела живлення електрично з’єднані зіркою.

Зазначимо, що буква С ( від англ. combine – об’єднувати) означає, що функції N - і РЕ- провідників виконує один РЕN – провідник, який не відноситься до струмоведучої частини.

1.3. Система TN- C- S – різновид системи TN, в якій N - або М - і РЕ – провідники з’єднані в одному провіднику в якійсь частині мережі, починаючи від джерела живлення (рис. 4, б, справа). Іншими словами, починаючи з деякої точки РЕN – провідник розділяється на РЕ і N- провідники, які мають відповідні функції. Обмотки джерела живлення електрично з’єднані зіркою.

2. Система TT – система, одна точка струмопровідних частин джерела живлення якої заземлена, а відкриті провідні частини електроустановки приєднані до РЕ – провідника, з’єднаному з заземлювачем, електрично незалежним від заземлювача, до якого підключена точка струмопровідних частин джерела живлення (рис. 4, в). Обмотки джерела живлення електрично з’єднані зіркою або трикутником. Зазначимо, якщо буква T йде другою, то вона означає безпосередній зв'язок відкритих провідних частин електроустановки з землею незалежно від характеру зв’язку джерела живлення з землею.

3. Система IT (стара назва: “ захисне заземлення ”) – система, в якій мережа живлення ізольована від землі або

заземлена через прилади чи (і) пристрої, які мають великий опір, а відкриті провідні частини електроустановки приєднані до заземленого РЕ – провідника (рис. 4, г). Обмотки джерела живлення електрично з’єднані зіркою або трикутником. Зазначимо, що перша буква I ( від англ. isolated – ізольований) означає, що всі струмоведучі частини джерела живлення ізольовані від землі або одна точка заземлена через великий опір (наприклад, через опір приладів контролю ізоляції).

В розглянутих вище системах заземлення електроустановок змінного струму напругою до 1кВ прийняті умовні позначення, які зображені на рис. 5.

Розглянемо більш детально систему заземлення ІT. Живлення електроустановок напругою до 1 кВ з використанням системи заземлення ІT – це традиційна мережа з ізольованою нейтраллю джерела живлення. У вказаній мережі здійснюється захисне заземлення – виконання електричного з’єднання між певною точкою системи, установки або обладнання і локальною землею з метою забезпечення електробезпеки.

В електроустановках з використанням системи заземлення ІT захист від непрямого дотику при першому замиканні струмоведучої частини на землю належить здійснювати захисним заземленням в поєднанні з неперервним контролем ізоляції мережі з дією на сигнал або в випадку необхідності – на відключення. Перше замикання на землю слід усувати в найкоротший час. У випадку другого (подвійного) замикання на землю захист від непрямого дотикання слід здійснювати шляхом застосування автоматичного відключення живлення.

Захисна дія заземлення ґрунтується на зниженні напруги дотику U_д при переході напруги на неструмоведучі частини та досягається зменшенням потенціалу корпусу відносно землі за рахунок малого опору виносного заземлення R_з, як це показує вираз (15) записаний в формі:

U_д = U_к = I_з × R_з, (29)

де I_з – струм, що протікає через заземлювач при замиканні фази на корпус; U_к – напруга на корпусі електродвигуна (рис.6).

Для забезпечення безпеки необхідно виконувати заземлення з малим опором. Відповідно ПУЕ, опір заземлювального пристрою R_з, що використовується для захисного заземлення відкритих провідних частин в електроустановках з ізольованою нейтраллю, повинно відповідати умові:

R_з £ U_д.д. / I_з, (30)

де I_з – загальний струм замикання на землю, U_д.д. – допустима напруга дотику, значення якої в приміщеннях без підвищеної небезпеки приймається рівною 50 В змінного струму, а в приміщенні з підвищеною небезпекою, особливо небезпечних і в зовнішніх установках – 25 В або 12 В при наявності вимог відповідних розділів ПУЕ та інших нормативних документів. Виконання умови (25) може не перевірятися, якщо опір заземлювального пристрою R_з електроустановок змінного струму в електричних мережах з ізольованою нейтраллю не перевищує:

♦ Ом, якщо потужність джерела живлення (генератора або силового трансформатора) більше 100 кВ × А;

♦ 10 Ом, якщо потужність джерела живлення або сумарна потужність паралельно працюючих джерел живлення не більше 100 кВ × А.

На кожний заземлювальний пристрій, який знаходиться в експлуатації, повинен бути паспорт, який включає схему заземлення, технічні дані, а також дані про результати періодичної перевірки стану заземлення, можливі зміни, внесені в результаті ремонтів тощо. Технічна перевірка стану заземлювального пристрою полягає в огляді видимої частини на відсутність обривів, надійності з’єднань природних і штучних заземлювачів, а також вимірювання опору заземлювального пристрою.

Систему заземлення ІTрекомендується виконувати при підвищених вимогах до безпеки та безперебійного живлення електроприймачів, а саме для випадків, коли замикання на землю або на заземлені частини можуть бути джерелом підвищеної небезпеки для людей, тварин, майна та навколишнього середовища. Прикладами можуть бути електроустановки, що працюють в умовах підвищеної небезпеки ураження електричним струмом (торф’яні підприємства, вугільні шахти, відкриті розробки тощо), а також електроприймачі з симетричним навантаженням. Наприклад, живлення цеху токарних станків, в яких основою приводу служать трифазні асинхронні електродвигуни.

Для вимірювання опору струму розтікання заземлювачів застосовують схему амперметра – вольтметра, а також схему зі спеціальними вимірювачами заземлень. До вимірювачів заземлень відносяться прилади МС-08, М 1103, М 416, ЭКЗ-01, ЭКО-200, АНЧ-3, ИС-10, КТИ-10, MRU-100 (MRU-101) та ін. Найчастіше використовують омметр М416. Ці прилади занесені в державний реєстр засобів вимірювання України. Студентам рекомендується ознайомитися з методами вимірювання опору заземлювачів за літературою.

Розглянемо систему заземлення TN. Живлення електроустановок напругою до 1 кВ, як правило, слід виконувати з використанням системи заземлення TN (рис. 1.4, а, б). Вказана система по суті являє собою занулення електроустановок напругою до 1 кВ в електричних мережах з глухозаземленою нейтраллю. Термін “ занулення ” містився у ГОСТ ССБТ 12.1.009-76 “Электробезопасность. Термины и определения”, який відмінений. Нині термін “ занулення ” вилучений та замінений поняттям “ заземлювальна система з нульовим заземленим провідником ”. Проте в ужитку енергетиків та практиків поняття “занулення” ще залишилось. Відзначимо, що в електроустановках напругою до 1 кВ у електричних трифазних чотирипровідних мережах з глухозаземленою нейтраллю застосування занулення корпусів електроприймачів без їх заземлення не допускається. На рис. 6 заземлення системи позначено стовщеними лініями.

Система заземлення TN має такі схемні рішення:

· системаTN-S, в якій N- або М- і РЕ – провідники розподілені по всій мережі, а обмотки джерела живлення електрично з’єднані зіркою (рис. 6, а, ліворуч) або трикутником (рис. 4, а, праворуч);

· системаTN-C, в якій функції захисного (РЕ -) і нейтрального (N -) провідників виконує один РЕN– провідник, тобто N- і РЕ – провідники об’єднані в одному РЕN– провіднику по всій мережі (рис. 4, б, ліворуч);

· система TN-C-S, в якій функції захисного (РЕ -) і нейтрального (N -) провідників виконує один РЕN-провідник, а N - і РЕ - провідники з’єднані в одному провіднику в частині мережі починаючи від джерела живлення і N - провідник відгалужується від РЕN-провідника на певній відстані від джерела живлення для забезпечення робочих функцій електрообладнання (рис. 4, б, праворуч).

Схема системи заземлення TN (занулення) має захисний заземлювальний провідник 4 з’єднаний з заземлювачем 1 джерела живлення (рис. 4, а, б). Відповідно до відмінених стандартів це відповідає глухому заземленню джерела живлення, яке мало назву “робоче заземлення” і на рис. 7 позначено знаком R_р.

Робоче (функціональне) заземлення R_р в трифазній мережі до 1 кВ – це заземлення нейтралі силового трансформатора (СТ) або генератора, необхідне для забезпечення роботи електроустановки. Вказане заземлення служить для зниження напруги РЕ(РЕN)-провідника і з’єднаних з ним корпусів обладнання відносно землі при замиканні фази на землю.

Як вказано в ПУЕ, в повітряній лінії мережі з системою TN необхідно обладнати повторне заземлення РЕN-провідника (РЕ-провідника). Рекомендується виконувати повторне заземлення РЕN-провідника (РЕ-провідника) при вводі в електроустановки, які розміщені в будинках.

Як відомо, заземлення нейтралі джерела живлення або за старою термінологією “робоче заземлення” R_р (рис. 7) служить для зниження напруги нульового проводу N та з’єднаних з ним корпусів електрообладнання відносно землі при замиканні фази на землю. У випадку замикання фази на землю і при струмі замикання І_з фазна напруга U_ф розподіляється між заземленням нейтралі джерела живлення R_р і перехідним опором замикання на землю (контактом) R_к. Напруга нульового проводу і з’єднаних з N-провідником (“занулених”) корпусів електрообладнання відносно землі визначається залежністю

U_н = І_з R_р = U_ф R_р / (R_е + R_к). (31)

Так, як R_к >> R_р, то напруга відносно землі нульового проводу та приєднаних до нього корпусів обладнання виявляється невеликою. Все це справедливо за умови, коли обладнання знаходиться відносно недалеко (менше 200 м) від джерела живлення. У супротивному випадку, при замиканні фази на корпус певного обладнання, його напруга по відношенню до землі U_к та ділянка нульового проводу за місцем замикання U_н буде визначатися так:

U_к = U_н = І_з(ф-н) × z_н » І_з(ф-н) × r_н / (r_ф + r_н), (32)

де І_з(ф-н) – струм замикання, що протікає по петлі фазний – нульовий провід; z_н – повний опір (активно-індуктивний) ділянки N-провідника (“нульового проводу”) від джерела живлення до місця приєднання пошкодженого обладнання; r_ф, r_н – активний опір фазного і нульового проводів мережі.

Напруга відносно землі нульового проводу на ділянці між корпусом пошкодженого обладнання і джерелом живлення зменшується за лінійним законом, досягаючи значення нуль в місці знаходження робочого заземлення R_р. Це так звана “ епюра напруг ” нульового проводу, яка зображена на рис. 7.

Повторне заземлення нульового проводу R_п – заземлення нульового проводу, яке виконано на певній відстані від джерела живлення. При наявності повторного заземлення напруга нульового проводу відносно землі буде мати вираз:

U_н = І_з.п.× R_п = U_ф R_п / (R_р + R_п), (33)

де І_з.п. – струм, що протікає через повторне заземлення.

Для повітряної лінії мережі з глухозаземленою нейтраллю є два основних схемних рішень, які схематично відображають систему TN-S і систему TN-C. Іншими словами, маємо традиційні схеми “занулення” електрообладнання в термінах попередніх редакцій ПУЕ: в мережі з “нульовим робочим” і “нульовим захисним провідником” (рис. 4, а) і в мережі з “суміщеним нульовим проводом” (рис. 4, б).

Відповідно останньої редакції ПУЕ, на кінцях повітряних ліній електропередачі як з неізольованими, так і з самонесучими ізольованими проводами або відгалужень від них довжиною більше 200 м належить виконувати повторні заземлення РЕ-провідника чи РЕN-провідника. Рекомендується виконувати повторне заземлення РЕN-провідника (РЕ-провідника) на вводі в електроустановку приміщення від повітряної лінії, якщо не може бути здійснено зрівнювання потенціалів. У цьому випадку опір заземлювача повторного заземлення РЕN (РЕ)-провідника на вводі в будинок повинен бути не більше 30 Ом. При цьому в першу чергу слід використовувати природні заземлювачі (підземні частини залізобетонних і металевих опор), а також заземлювачі, призначені для захисту від грозових перенапруг.

Опір заземлювального пристрою електроустановок напругою до 1 кВ в електричних мережах з глухозаземленою нейтраллю, до якого приєднана нейтраль джерела, в будь-який час року не повинні перевищувати 2, 4 і 8 Ом відповідно для лінійних напруг 660, 380 і 220 В джерела трифазного струму. У свою чергу, на початку і на кінцях повітряної ЛЕП як з неізольованими, так і з самонесучими ізольованими проводами або відгалужень від них довжиною більше 200 м слід виконувати повторне заземлення РЕN-(РЕ-)-провідника. Значення опору кожного із повторних заземлювачів R_п повинно бути не більше 15, 30 і 60 Ом відповідно для лінійних напруг 660, 380 і 220 В джерела трифазного струму.

Загальний опір всіх заземлювачів, приєднаних до РЕN-провідника кожної лінії, в тому числі природних заземлювачів, в будь-який час року не повинні перевищувати 5, 10 і 20 Ом відповідно для лінійних напруг 660, 380 і 220 В джерела трифазного струму.

На вводі в електроустановку будинку (будівлі), в якій для захисту від непрямого дотику застосовується автоматичне відключення живлення, рекомендується виконувати повторне заземлення РЕN-(РЕ-)-провідника, опір якого повинен бути не більше 30 Ом. Для цього, насамперед, слід використовувати природні заземлювачі (арматуру фундаменту, з’єднану між собою неперервним чином) і заземлювачі грозозахисту будинку.

Нормовані значення всіх заземлювачів, приєднаних до РЕN-провідника (РЕ-провідника), в тому числі природних заземлювачів, в будь-яку пору року, а також опір заземлювального пристрою подані у табл. 3. Зауважимо, що для питомого опору землі r > 100 Ом × м допускається збільшувати вказані в табл. 3 значення опору заземлення в 0,01 раз, проте не більше ніж в 10 раз, за виключенням опору заземлювальних пристроїв і заземлювачів, що використовуються одночасно для електроустановок напругою до і вище 1 кВ.