Система TN-S: определение, особенности, примеры выполнения

Для чего вообще нужно заземление?

Главная роль заземления – это безопасность. Построение эффективной системы защиты от поражения электрическим током невозможно без системы заземления. Даже само по себе заземление металлического корпуса уменьшает напряжение прикосновения при нарушении изоляции внутри оборудования. А для большей надежности применяется устройство защитного отключения (т.н. УЗО), которое отключает электроприборы при нарушении изоляции и возникновении опасного напряжения на их корпусах. А эффективность работы УЗО во многом зависит от качества системы заземления.

TN-C, зануление, заземление — основные определения

Зануление — это преднамеренное электрическое соединение открытых проводящих частей электроустановок, не находящихся в нормальном состоянии под напряжением, с глухозаземленной нейтральной точкой генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока; с глухозаземленным выводом источника однофазного тока; с заземленной точкой источника в сетях постоянного тока, выполняемое в целях электробезопасности.

Чтобы понять, что к чему соединяется при занулении, рассмотрим в качестве примера две системы заземления TN-C и TN-C-S (сети постоянного тока опустим):

Система заземления TN-C	Система заземления TN-C-S
1 — соединение открытых проводящих частей электроустановок с глухозаземленной нейтральной точкой генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока.	2 — соединение открытых проводящих частей электроустановок с глухозаземленным выводом источника однофазного тока. То есть, разделив с одновременным заземлением PEN проводник на нулевой рабочий N и защитный РЕ, вы трансформируете TN-C в более безопасную и надежную систему TN-C-S. Убрав же перемычку между PE и N (разделение PEN не происходит) вы получите систему TT.

В системе TN сопротивление заземлителя повторного заземления PE проводника на вводе в частный дом не нормируется (но лучше его сделать достаточно низким), сопротивление заземлителя повторного заземления PEN проводника ВЛ не более 30 Ом — и это обязанность оператора распределительной электрической сети. Сопротивление заземлителя TT для отработки УЗО 500 — 1500 Ом.

Заземление — это преднамеренное соединение частей электроустановок и заземляющего устройства (конструкции из металлических полос и штырей, снижающие уровень напряжения до безопасного для человека значения). И важно понимать принципиальное отличие заземления от зануления.

TN-C — эта система заземления, при которой к потребителю от трансформатора с глухо заземленной нейтралью приходит три фазы и PEN проводник. Последний объединяет в себе рабочий нулевой проводник и защитный проводник.

В современном жилищном строительстве система TN-C запрещена (ПУЭ 7.1.13). Она встречается лишь в домах старой постройки. И если вы живете в таком доме, нужно понимать, что PEN (в данном случае — нулевой) проводник является только рабочим. Он не может применяться одновременно и для защиты путем соединения с корпусами электроприборов. В противном случае при обрыве комбинированного нулевого проводника на корпусах электроприборов появится опасное для жизни напряжение.

Система TN-C может применяться только в трехфазных сетях, и только на заводах, в различных производственных зданиях (там находятся бригады дежурных электриков, которые планово проводят осмотр и техническое обслуживание электрооборудования), а также в многоэтажных жилых зданиях, но только до ввода в квартиру. В жилых и общественных зданиях может применяться до ближайшей реконструкции. Если в жилом здании проводится ремонт электросетей, то электромонтажники должны перевести сеть на систему TN-S или TN-C-S.

Виды систем искусственного заземления

Основным документом, регламентирующим использование различных систем заземления в России, является ПУЭ (пункт 1.7), разработанный в соответствии с принципами, классификацией и способами устройства заземляющих систем, утвержденных специальным протоколом Международной электротехнической комиссии (МЭК). Сокращенные названия систем заземления принято обозначать сочетанием первых букв французских слов: «Terre» — земля, «Neuter» — нейтраль, «Isole» — изолировать, а также английских: «combined» и «separated» – комбинированный и раздельный.

• T — заземление.
• N — подключение к нейтрали.
• I — изолирование.
• C — объединение функций, соединение функционального и защитного нулевых проводов.
• S — раздельное использование во всей сети функционального и защитного нулевых проводов.

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.

Условные обозначения

Для лучшего понимания материала, разберем принятые условные обозначения:

• L1, L2, L3 — проводник, на который подключена фаза источника питания. В однофазных системах, обозначается буквой L.
• N — рабочий нуль источника питания (нулевой проводник).
• PE — защитный нуль: он же заземляющий проводник, соединенный с заземлителем.
• PEN — проводник, совмещающий в себе рабочий и защитный нули.

Особенности

При типе заземления системы TN-C-S (рис. 1 и 2) заземлена одна из частей источника питания, находящихся под напряжением, обычно – нейтраль трансформатора. Открытые проводящие части электроустановки здания имеют электрическое соединение с заземлённой частью источника питания, находящейся под напряжением. Для обеспечения этого соединения в низковольтной распределительной электрической сети обычно применяют PEN-проводники, а в электроустановке здания используют защитные проводники PE. В системе TN-C-S возможно также применение PEN-проводников в головной (по току электроэнергии) части электроустановки здания. При этом в электрических цепях остальной части электроустановки здания используют защитные проводники.

В системе TN-C-S также, как в системе TN-C в распределительной электрической сети применяют PEN-проводники, а в электроустановке здания так же, как в системе TN-S используют защитные проводники.

При типе заземления системы TN-C-S PEN-проводник всегда разделяют на защитный и нейтральный проводники в какой-то точке электроустановки здания. Это разделение может быть произведено на вводе в электроустановку здания – на вводном зажиме или на защитной шине вводно-распределительного устройства (рис. 1). Так следует делать в электроустановках жилых и общественных зданий, торговых предприятий, медицинских учреждений.

Рис. 1. Система TN-C-S трехфазная четырехпроводная. PEN-проводник разделен на вводе электроустановки здания (на основе рисунка 2.13 из книги [1] автора Харечко Ю.В.)

PEN-проводник может быть разделён также на вводном зажиме или на защитной шине другого распределительного устройства, которое соединено с ВРУ посредством распределительной электрической цепи, имеющей PEN-проводник в составе своих проводников (рис. 2).

Рис. 2. Система TN-C-S трехфазная четырехпроводная. PEN-проводник разделен для части электроустановки здания (на основе рисунка 2.14 из книги [1] автора Харечко Ю.В.)

На рисунках 1 и 2 обозначено:

1. заземляющее устройство источника питания;
2. заземляющее устройство электроустановки здания;
3. открытые проводящие части;
4. защитный контакт штепсельной розетки;
5. ПС — трансформаторная подстанция;
6. КЛ — кабельная линия электропередачи;
7. ВЛ — воздушная линия электропередачи.

В первом случае (см. рисунок 1) во всей электроустановке здания применяются два проводника — защитный и нейтральный. Во втором случае (см. рисунок 2) в головной (по току электроэнергии) части электроустановки здания используют PEN-проводник, а после точки его разделения применяют защитный и нейтральный проводники. Открытые проводящие части электрооборудования класса I присоединяют соответственно к защитным проводникам во всей электроустановке здания (см. рисунок 1) или в головной части электроустановки здания их присоединяют к PEN-проводникам, а в остальной её части — к защитным проводникам (см. рисунок 2).

При типе заземления системы TN-C-S теоретически возможно разделение PEN-проводника на защитный и нейтральный проводники в любой точке распределительной электрической сети. Однако более надёжно производить разделение PEN-проводника в электроустановке здания, например, на вводных зажимах ВРУ (ВУ) или на его защитной шине.

Если трансформаторная подстанция встроена в здание, то электроустановку здания целесообразно выполнить с типом заземления системы TN-S, поскольку система распределения электроэнергии не будет иметь линии электропередачи.

Причины широкого распространения типа заземления системы TN-C-S в электроустановках жилых зданий.

Тип заземления системы TN-C-S получил широкое распространение в электроустановках жилых зданий, что обусловлено рядом причин:

• Во-первых, для реализации системы TN-C-S возможно использование существующих низковольтных распределительных электрических сетей без проведения их реконструкции.
• Во-вторых, систему TN-C-S можно рассматривать как логическое развитие системы TN-C. Поэтому электроустановки здания, соответствующие типу заземления системы TN-C-S, можно рассматривать как один из вариантов «модернизации» низковольтных электроустановок, получивших повсеместное распространение на территории нашей страны. Проектировщикам, электромонтажникам и персоналу, обслуживающему электроустановки зданий, сравнительно легко понять логическую трансформацию системы TN-C в систему TN-C-S, а также основные требования, которыми следует руководствоваться при выполнении защитных проводников в электроустановках зданий, имеющих этот тип заземления системы.
• В-третьих, в электрических цепях электроустановок зданий, соответствующих типу заземления системы TN-C-S, которые защищены устройствами дифференциального тока (УДТ), достаточно легко выявить ошибки, допущенные при соединении защитных и нейтральных проводников электропроводок. УДТ будут без какой-либо причины отключать защищаемые ими электрические цепи, сигнализируя о следующих ошибках, допущенных при выполнении монтажа проводников электропроводок:
• — присоединении нейтральных проводников к открытым проводящим частям электрооборудования класса I;
• — присоединении защитных проводников к зажимам электрооборудования, предназначенным для подключения нейтральных проводников;
• — электрическом соединении между собой защитных проводников и нейтральных проводников.

• В-четвёртых, при типах заземления системы TN ток замыкания на землю, протекающий в аварийной электрической цепи с фазного проводника на открытую проводящую часть и защитный проводник, может быть равным току однофазного короткого замыкания. Поэтому в составе такой меры защиты от поражения электрическим током, как автоматическое отключение питания, возможно использование устройств защиты от сверхтока — автоматических выключателей и плавких предохранителей. Однако в некоторых случаях нельзя обеспечить нормируемое время отключения с помощью устройств защиты от сверхтока. Тогда автоматическое отключение питания следует производить с помощью УДТ.

При применении типа заземления системы TN-C-S в электроустановках зданий можно обеспечить более высокий уровень электрической безопасности, чем при использовании типа заземления системы TN-C. Больший уровень электробезопасности, прежде всего, достигается вследствие использования в электроустановках зданий отдельных защитных проводников, по которым в нормальных условиях протекают токи утечки. Их значения существенно меньшие значений токов нагрузки, которые обычно протекают по PEN-проводникам. Незначительные электрические токи оказывают меньшее негативное воздействие на электрические контакты в цепях защитных проводников. Поэтому вероятность потери непрерывности электрической цепи у защитного проводника существенно меньше, чем у PEN-проводника.

При необходимости повысить уровень электробезопасности электроустановку здания следует выполнить с типом заземления системы TN-S. Это потребует строительства новой или реконструкции существующей низковольтной линии электропередачи.

В настоящее время систему TN-C-S повсеместно применяют на территории нашей страны. Для реализации системы TN-C-S используют существующие и новые низковольтные распределительные электрические сети, воздушные и кабельные линии электропередачи которых имеют три фазных проводника и PEN-проводник. На основе этих сетей можно также реализовать системы TN-C и TT.

Как рассчитать заземление

Сопротивление заземления сильно зависит от грунта, в котором оно находится. Причем, забитый в землю заземлитель, зачастую находится одновременно в разных слоях грунта, которые обладают различными удельными сопротивлениями, что усложняет расчет и при этом получаются довольно приблизительные результаты. Тем не менее, такие расчеты существуют, и они обязательны для большинства промышленных объектов. В частном секторе обычно делается некая минимальная конструкция, измеряется сопротивление, а потом она усиливается по необходимости (заземлитель загоняется глубже, либо добавляются новые заземляющие электроды). Ниже приводится формула для расчета одиночного вертикального заземлителя в однородном грунте:

R=(ρ/2πL)(ln(2L/d)+0.5ln((4T+L)/(4T-L)))

ρэкв – удельное сопротивление грунта, Ом*м

L – длина стержня в метрах

d – диаметр стержня в милиметрах

T – расстояние от поверхности земли до середины стержня, м

Удельное сопротивление грунта

Обозначения и перевод названий систем заземления

Существуют TN, TT и IT системы заземления. Система TN, в свою очередь, используется в трех различных вариантах: TN-C, TN-S, TN-C-S. Первая буква говорит о способе заземления источника электрической энергии (генератора или трансформатора), по второй – потребителя.

Типы систем заземления

Буквы эти взялись из французского, и означают: «Terre» — земля, «Neuter» — нейтраль, «Isole» — изолировать, а также из английского: «Combined» и «Separated» – комбинированный и раздельный.

• T — провод подключен к земле .
• N — подключение к нейтрали.
• I — изолирование.
• C — объединение функций, соединение рабочего и защитного нулевых проводов.
• S — раздельное использование во всей сети рабочего и защитного нулевых проводов.

Также в схемах систем заземления используются следующие обозначения:

• L – Line, Линия, на которой действует фазное напряжение по отношению к нулевому проводу.
• N – Neutral, рабочий ноль, по которому протекает рабочий ток, равный току в проводе L (для однофазных систем).
• PE – Protect Earth, защитная земля, провод защитного заземления.
• PEN – совмещенный рабочий и защитный нулевой проводник.

Недостатки

«Классическую» систему TN-C можно реализовать только в тех низковольтных электроустановках специального назначения, которые имеют небольшое число электроприёмников класса I, подключенных к электрическим цепям, выполненным медными проводниками сечением 10 мм2 и более или алюминиевыми проводниками сечение 16 мм2 и более. Поскольку доля таких низковольтных электроустановок в общем их числе ничтожно мала, а подобных электроустановок зданий практически не существует, тип заземления системы TN-C можно рассматривать в качестве «теоретического» типа заземления системы, как правило, применяемого для разъяснения 4 «практических» типов заземления системы TN-S, TN-C-S, TT и IT.

Обеспечение надлежащего уровня электрической безопасности в электроустановках зданий в большей степени зависит от надёжного функционирования защитных проводников, а именно от гарантированного обеспечения непрерывности их электрических цепей. Непрерывность электрической цепи защитного проводника может сколько угодно долго поддерживаться при протекании по нему в нормальных условиях малого электрического тока, длительное воздействие которого на соединительные контакты не приводит к ухудшению их качества. По PEN-проводнику постоянно протекают значительные рабочие токи, которые, воздействуя на соединительные контакты, могут привести к ухудшению их качества и даже потере электрической непрерывности цепи PEN-проводника.

При применении типа заземления системы TN-C в электроустановках зданий нельзя обеспечить такой же уровень электрической безопасности, как при использовании типов заземления системы TN-C-S и TN-S. Больший уровень электробезопасности в системах TN-C-S и TN-S, прежде всего, достигается вследствие использования в электроустановках зданий отдельных защитных проводников, по которым в нормальных условиях протекают токи утечки. Их значения существенно меньшие значений токов нагрузки, которые обычно протекают по PEN-проводникам. Незначительные электрические токи оказывают меньшее негативное воздействие на электрические контакты в цепях защитных проводников. Поэтому вероятность потери непрерывности электрической цепи у защитного проводника существенно меньше, чем у PEN-проводника.

Поэтому защитные проводники, обладающие более высокой степенью надёжности, чем PEN-проводники, следует применять в электроустановках зданий, которые «эксплуатируют» обычные лица. По этой причине вполне обоснованным является запрет, наложенный пунктом 312.2.1 ГОСТ 30331.1-2013 на применение типа заземления системы TN-C для электроустановок жилых и общественных зданий, торговых предприятий и медицинских учреждений, в электрических цепях которых требованиями национального стандарта запрещено использовать PEN-проводники.

Поэтому, логично сказать, что низковольтные электроустановки, соответствующие типу заземления системы TN-C, должны обслуживать обученные и квалифицированные лица, которые прошли специальную подготовку, позволяющую им осознавать риски и избегать опасностей, создаваемых электричеством.

Опасность защитного зануления TN-C в быту

Определившись, что в квартирах старого жилого фонда с системой заземления TN-C проводка состоит только из фазы и нуля, перейдем к рассмотрению опасности использования «защитного зануления».

Отсутствующее по проекту заземление (зануление) делает эксплуатацию домашней электропроводки небезопасной. В нашем распоряжении остается только фаза и ноль, которые не обеспечивают защиту от пробоя фазы на корпус электроприбора.

Известно что при замыкании фазы с нулем (PEN) происходит короткое замыкание, мгновенное срабатывание автоматических выключателей и обесточивание сети. В связи с этим некоторые «экспериментаторы» проводят сомнительные манипуляции:

• Используют перемычки в розетках с заземлением. В этом случае перемычка ставится между заземляющим контактом и контактам нулевого проводника.
• Соединяют ноль с землей на корпусе электроприбора.
• Либо соединяют ноль с землей в распаечных коробках или этажных щитах.

Основная цель такой модернизации — добиться срабатывания автоматических выключателей при пробое фазы на корпус. Но делать так ни в коем случае нельзя. Стоит PEN проводнику пропасть (отгореть), и через нагрузку появляется опасный потенциал на всех корпусах электроприборов.

Рассмотрим подробнее ситуацию, когда у нас подключен бытовой прибор (например, стиральная машина). Если в розетке будет перемычка, то в случае обрыва нулевого проводника путь прохождения тока будет следующим:

Перемычки в розетках недопустимы

1. По фазному проводнику через стиральную машинку.
2. Далее ток будет возвращаться по нулевому проводнику в розетку.
3. Поскольку дальше у нас идет обрыв, он через перемычку пойдет через PE проводник и окажется на корпусе стиральной машины.
4. В этом случае, если человек коснется корпуса стиральной машины, его ударит током. Поэтому нельзя выполнять такой вид зануления перемычкой в розетке.

Следующий вариант — попытка выполнить зануление в этажном либо квартирном щите путем псевдоразделения PEN на PE и N. В этом случае устанавливается дополнительная шина, от которой отходят PE жилы на корпуса приборов. Данная PE шина соединяется перемычкой с основной N шиной, на которую приходит PEN от питающей линии. В случае появления опасного потенциала на корпусе благодаря перемычке произойдет короткое замыкание и домашняя сеть обесточится. Но, при пропадании нуля произойдет все то же, что и в предыдущем примере. При этом, если додуматься и соединить PE шину с корпусом щитка, то и на последнем будет опасный потенциал.

Если в щитке будет перемычка, то в случае обрыва нулевого проводника путь прохождения тока будет следующим:

Неправильное разделения PEN в TN-C

1. Ток проходит через фазный проводник через электроприбор.
2. Далее по нулевому проводнику идет в щит.
3. В щите у нас разделение PEN.
4. Через точку соединения мы получаем занос потенциала через PE на корпус электрического прибора.

Изображенная на рисунке схема неверна и по причине того, что разделение PEN должно производиться до коммутационного аппарата (в частности вводного автомата). Но даже если и сделать по правилам, то при отгорании нуля в месте до разделения PEN проводника занос потенциала через PE также будет происходить.

Важно не путать отгорание нуля в рассмотренных примерах с отгоранием нуля в распределительном щите, когда в розетках появляется повышенное напряжение.

Помимо опасности зануления важно понимать, что при разделении PEN на PE и N существуют требования к PEN проводнику. Сечение PEN-проводника должно быть не менее 10 мм² по меди и 16 мм² по алюминию. А таких сечений в этажных щитах домов старой постройки нет!