Режими заземлення нейтрали в мережах 0,4 кВ
У розділі 1.7 нового видання ПУЕ [1] наведені можливі варіанти (режими) заземлення нейтрали і відкритих провідних частин 1 в мережах 0,4 кВ. Вони відповідають варіантами, зазначеними в стандарті [2] Міжнародної електротехнічної комісії (МЕК).Режим заземлення нейтрали і відкритих провідних частин позначається двома буквами: перша вказує режим заземлення нейтралі джерела живлення (силового трансформатора 6-10 / 0,4 кВ), друга 13 відкритих провідних частин. У позначеннях використовуються початкові букви французьких слів [3,4]:
- Т (terre 13 земля) 13 заземлено;
- N (neutre 13 нейтраль) 13 приєднано до нейтралі джерела;
- I (isole) 13 ізольовано.
- TN 13 нейтраль джерела глухо заземлена, корпуси електрообладнання приєднані до нейтрального проводу;
- ТТ 13 нейтраль джерела і корпуси електрообладнання глухо заземлені (заземлення можуть бути роздільними);
- IT 13 нейтраль джерела ізольована або заземлена через прилади або пристрої, що мають великий опір, корпуса електроустаткування глухо заземлені.
- TN-C 13 нульові робочий і захисний провідники об'єднані (С 13 перша буква англ. Слова combined 13 об'єднаний) на всьому протязі. Об'єднаний нульовий провідник називається PEN за першими літерами англ. слів protective earth neutral 13 захисна земля, нейтраль;
- TN-S 13 нульовий робочий провідник N і нульовий захисний провідник PE розділені (S 13 перша буква англ. Слова separated 13 роздільний);
- TN-C-S 13 нульові робочий і захисний провідники об'єднані на головних ділянках мережі в провідник PEN, а далі розділені на провідники N і PE.
2 Непрямий дотик 13 електричний контакт людей і тварин з відкритими провідними частинами, які опинилися під напругою при пошкодженні ізоляції. Тобто це дотик до металевого корпусу електрообладнання при пробої ізоляції на корпус.
Порівняємо можливі режими заземлення нейтралі і відкритих провідних частин в мережах 0,4 кВ 13 відзначимо переваги і суттєві недоліки. Основними критеріями для порівняння є:
- електробезпека (захист від ураження людей електричним струмом);
- пожежна безпека (ймовірність виникнення пожеж при коротких замиканнях);
- безперебійність електропостачання споживачів;
- перенапруги і захист ізоляції;
- електромагнітна сумісність (в нормальному режимі роботи і при коротких замиканнях);
- пошкодження електрообладнання при однофазних коротких замикань;
- проектування і експлуатація мережі.
Мережі 0,4 кВ з таким режимом заземлення нейтрали і відкритих провідних частин (занулением) до останнього часу були широко поширені в Росії.
Електробезпека в мережі TN-C при непрямому прікосновеніі2 забезпечується відключенням виникли однофазних замикань на корпус за допомогою запобіжників або автоматичних вимикачів. Режим TN-C був прийнятий в якості головного в той час, коли основними апаратами захисту від замикань на корпус були запобіжники і автоматичні вимикачі. Характеристики спрацювання цих апаратів захисту свого часу визначалися особливостями захищаються повітряних ліній (ПЛ) і кабельних ліній (КЛ), електродвигунів та інших навантажень. Забезпечення електробезпеки було другорядним завданням.
При відносно низьких значеннях струмів однофазного КЗ (віддаленість навантаження від джерела, малий перетин проводу) час відключення істотно зростає. При цьому електропоразки людини, доторкується до металевого корпусу, досить імовірно. Наприклад, для забезпечення електробезпеки відключення КЗ на корпус в мережі 220 В має виконуватися за час не більше 0,2 с [2]. Але такий час відключення запобіжники і автоматичні вимикачі здатні забезпечити тільки при кратностях струмів КЗ по відношенню до номінального струму на рівні 6-10. Таким чином, в мережі TN-C існує проблема забезпечення безпеки у разі непрямого дотику через неможливість забезпечення швидкого відключення. Крім того, в мережі TN-C при однофазному КЗ на корпус електроприймача виникає винос потенціалу по нульового проводу на корпусу неушкодженого обладнання, в тому числі відключеного і виведеного в ремонт. Це збільшує ймовірність ураження людей, що контактують з електрообладнанням мережі. Винос потенціалу на все занулені корпусу виникає і при однофазному КЗ на лінії живлення (наприклад, обрив фазного проводу ПЛ 0,4 кВ з падінням на землю) через малий опір (у порівнянні з опором контуру заземлення підстанції 6-10 / 0,4 кВ) . При цьому на час дії захисту на нульовому проводі і приєднаних до нього корпусах виникає напруга, близьке до фазного. Особливу небезпеку в мережі TN-C являє обрив (отгоранія) нульового проводу. В цьому випадку всі приєднані за точкою обриву металеві занулені корпусу електроприймачів опиняться під фазною напругою.
Найбільшим недоліком мереж TN-C є непрацездатність в них пристроїв захисного відключення (УЗО) або residual current devices (RCD) за західною класифікацією.
Пожежна безпека мереж TN-C низька. При однофазних КЗ в цих мережах виникають значні струми (кілоампер), які можуть викликати загоряння. Ситуація ускладнюється можливістю виникнення однофазних замикань через значне перехідний опір, коли струм замикання відносно невеликий і захисту не спрацьовують або спрацьовують зі значною витримкою часу.
Безперебійність електроснабженія3 в мережах TN-C при однофазних замиканнях не забезпечується, так як замикання супроводжуються значним струмом і потрібно відключення приєднання.
В процесі однофазного КЗ в мережах TN-C виникає підвищення напруги (перенапруги) на непошкоджених фазах приблизно на 40%. Мережі TN-C характеризуються наявністю електромагнітних збурень. Це пов'язано з тим, що навіть при нормальних умовах роботи на нульовому провіднику при протіканні робочого струму виникає падіння напруги. Відповідно між різними точками нульового проводу є різниця потенціалів. Це викликає протікання струмів в провідних частинах будівель, оболонках кабелів і екранах телекомунікаційних кабелів і відповідно електромагнітні перешкоди. Електромагнітні обурення істотно посилюються при виникненні однофазних КЗ зі значним струмом, що протікає в нульовому проводі.
Значний струм однофазних КЗ в мережах TN-C викликає суттєві руйнування електроустаткування. Наприклад, пропалювання і виплавлення сталі статорів електродвигунів. На стадії проектування і налаштування захистів в мережі TN-C необхідно знати опору всіх елементів мережі, в тому числі і опору нульової послідовності для точного розрахунку струмів однофазних КЗ. Тобто необхідні розрахунки або вимірювання опору петлі фаза-нуль для всіх приєднань. Будь-яка істотна зміна в мережі (наприклад, збільшення довжини приєднання) вимагає перевірки умов захисту.
Мережі 0,4 кВ з таким режимом заземлення нейтрали і відкритих провідних частин називаються п'ятипровідні. У них нульовий робочий і нульовий захисний провідники розділені. Саме по собі використання мережі TN-S не забезпечує електробезпека при непрямому дотику, так як при пробої ізоляції на корпусі, як і в мережі TN-C, виникає небезпечний потенціал. Однак в мережах TN-S можливе використання УЗО. При наявності цих пристроїв рівень електробезпеки в мережі TN-S істотно вище, ніж в мережі TN-С. При пробої ізоляції в мережі TN-S також виникає винос потенціалу на корпуса інших електроприймачів, пов'язаних провідником PE. Однак швидке дію УЗО в цьому випадку забезпечує безпеку. На відміну від мереж TN-С обрив нульового робочого провідника в мережі TN-S не тягне за собою появу фазної напруги на корпусах всіх пов'язаних даною лінією живлення електроприймачів за точкою розриву.
Пожежна безпека мереж TN-S при застосуванні УЗО в порівнянні з мережами TN-С істотно вище. УЗО чутливі до країн дефектів ізоляції і запобігають виникненню значних струмів однофазних КЗ.
Відносно безперебійності електропостачання та виникнення перенапруг, мережі TN-S не відрізняються від мереж TN-С.
Електромагнітна обстановка в мережах TN-S в нормальному режимі значно краще, ніж в мережах TN-С. Це пов'язано з тим, що нульовий робочий провідник ізольований і відсутня відгалуження струмів в сторонні провідні шляхи. При виникненні однофазного КЗ створюються такі ж електромагнітні обурення, як і в мережах TN-С.
Наявність в мережах TN-S пристроїв УЗО істотно знижує обсяг пошкоджень при виникненні однофазних КЗ в порівнянні з мережами TN-С. Це пояснюється тим, що УЗО ліквідує пошкодження в його початковій стадії.
Відносно проектування, налаштування захистів і обслуговування, мережі TN-S не мають будь-яких переваг у порівнянні з мережами TN-С. Зазначу, що мережі TN-S дорожчі в порівнянні з мережами TN-С через наявність п'ятого дроти, а також УЗО.
МЕРЕЖА TN-С-S
Це комбінація розглянутих вище двох типів мереж. Для цієї мережі будуть справедливі всі переваги і недоліки, зазначені вище.
Особливістю даного типу мереж 0,4 кВ є те, що відкриті провідні частини електроприймачів приєднані до заземлення, яке зазвичай незалежно від заземлення живильної підстанції 6 1310 / 0,4 кВ.
Електробезпека в цих мережах забезпечується використанням ПЗВ в обов'язковому порядку. Саме по собі використання режиму ТТ не забезпечує безпеки при непрямому дотику. Якщо опір місцевого заземлювача, до якого приєднані відкриті провідні частини, дорівнює опору заземлення живильної підстанції 6 (10) / 0,4 кВ і виникає замикання на корпус, то напруга дотику складе половину фазної напруги (110 В для мережі 220 В). Така напруга небезпечно, і необхідно негайне відключення пошкодженого приєднання. Але відключення не може бути забезпечено автоматичними вимикачами і запобіжниками за безпечне для того, хто доторкується людини час через малу величину струму однофазного замикання. Наприклад, якщо взяти, що опору заземлення живильної підстанції 6 (10) / 0,4 кВ та місцевого заземлювача рівні 0,5 Ома, і знехтувати опорами силового трансформатора і кабелю, при фазному напрузі 220 В струм однофазного замикання на корпус в мережі ТТ складе всього 220 А. З урахуванням всіх опорів в ланцюзі замикання струм буде ще менше.
Пожежна безпека мереж TТ в порівнянні з мережами TN-С істотно вище. Це пов'язано з порівняно малою величиною струму однофазного замикання і з застосуванням УЗО, без яких мережі ТТ взагалі експлуатуватися не можуть.
Безперебійність електроснабженія3 в мережах TТ при однофазних замиканнях не забезпечується, так як потрібно відключення приєднання за умовами безпеки.
При виникненні однофазного замикання на землю в мережі ТТ напруга на непошкоджених фазах щодо землі підвищується, що пов'язано з появою напруги на нейтралі живильного трансформатора 6 (10) / 0,4 кВ. Якщо прийняти опору, зазначені вище, то напруга на нейтралі складе половину фазного. Таке підвищення напруги не є небезпечним для ізоляції, так як однофазне замикання досить швидко ліквідується дією УЗО, причому в більшості випадків до свого повного розвитку і досягнення струмом максимуму.
В системі ТТ декількох корпусів електроприймачів зазвичай об'єднані одним захисним провідником РЕ і приєднані до загального заземлителю, окремим, як уже сказано, від заземлювача живильної підстанції. Виконувати окремий заземлювач в мережі ТТ для кожного електроприймача недоцільно з економічних міркувань. У нормальному режимі через захисний провідник в системі ТТ не протікає струм і відповідно між корпусами окремих електроприймачів немає різниці потенціалів. Тобто в нормальному режимі електромагнітні обурення (різниця потенціалів між корпусами, протікання струмів по конструкціях будівель і оболонок кабелів) відсутні. При виникненні однофазного замикання струм відносно невеликий, при його протіканні падіння напруги на захисному провіднику невелика, тривалість протікання струму мала. Відповідно виникають при цьому обурення також невеликі. Таким чином, з позицій електромагнітних збурень мережу ТТ має перевагу в порівнянні з мережами TN-С в нормальному режимі роботи і з мережами TN-С, TN-S, TN-С-S в режимі однофазного замикання.
Обсяг пошкоджень обладнання в мережах ТТ при виникненні однофазних КЗ невеликий, що пов'язано з малою величиною струму в порівнянні з мережами TN-С, TN-S, TN-С-S і з використанням ПЗВ, які забезпечують відключення до повного розвитку пошкодження ізоляції.
З точки зору проектування, мережі ТТ мають суттєву перевагу в порівнянні з мережами TN. Використання в мережах ТТ УЗО усуває проблеми, пов'язані з обмеженням довжини ліній, необхідністю знати повний опір петлі КЗ. Мережа може бути розширена або змінена без повторного розрахунку струмів КЗ або виміру опору петлі струму КЗ. З огляду на, що сам по собі струм однофазного КЗ в мережах ТТ менше, ніж в мережах TN-S, TN-С-S, перетин захисного провідника РЕ в мережі ТТ може бути менше.
Нейтральна точка живильного трансформатора 6 (10) / 0,4 кВ такої мережі ізольована від землі або заземлена через значний опір (сотні Ом 13 кілька кОм). Захисний провідник в таких мережах відділений від нейтрального.
Електробезпека при однофазному замиканні на корпус в цих мережах найбільш висока з усіх розглянутих. Це пов'язано з малою величиною струму однофазного замикання (одиниці ампер). При такому струмі замикання напруга дотику вкрай невелика і відсутня необхідність негайного відключення виник пошкодження. Крім того, в мережі IT безпеку може бути поліпшена за рахунок застосування УЗО.
Пожежна безпека мереж IT найвища в порівнянні з мережами TN-С, TN-S, TN-С-S, ТТ. Це пояснюється найменшою величиною струму однофазного замикання (одиниці ампер) і малою вірогідністю загоряння.
Мережі IT відрізняються високою безперебійністю електропостачання споживачів. Виникнення однофазного замикання не вимагає негайного відключення.
При виникненні однофазного замикання на землю в мережі IT напруга на непошкоджених фазах збільшується в 1,73 рази. У мережі IT з ізольованою нейтраллю (без резистивного заземлення) можливе виникнення дугових перенапруг високої кратності.
Електромагнітні обурення в мережах IT невеликі, оскільки струм однофазного замикання малий і не створює значних падінь напруги на захисному провіднику.
Пошкодження обладнання при виникненні однофазного замикання в мережах IT дуже малі. Для експлуатації мережі IT необхідний кваліфікований персонал, здатний швидко знаходити і усувати виникло замикання. Для визначення пошкодженого приєднання необхідно спеціальний пристрій (в західних країнах застосовується генератор струму з частотою, відмінною від промислової, включається в нейтраль). Мережі IT мають обмеження на розширення мережі, так як нові приєднання збільшують струм однофазного замикання.
висновок
В якості загальних рекомендацій для вибору тієї чи іншої мережі можна вказати наступне: 1. Мережі ТN-C і ТN-C-S не слід використовувати через низький рівень електро- і пожежобезпеки, а також можливості значних електромагнітних збурень.
2. Мережі TN-S рекомендуються для статичних (не схильних до змін) установок, коли мережа проектується «раз і назавжди».
3. Мережі ТТ слід використовувати для тимчасових, розширюються і змінюваних електроустановок. 4. Мережі IT слід використовувати в тих випадках, коли безперебійність електропостачання є вкрай необхідною.
Можливі варіанти, коли в одній і тій же мережі слід використовувати два або три режими. Наприклад, коли вся мережа отримує харчування по мережі TN-S, а частина її через розділовий трансформатор з мережі IT.
Відзначимо, що жоден із способів заземлення нейтрали і відкритих провідних частин не є універсальним. У кожному конкретному випадку необхідно проводити економічне порівняння і виходити з критеріїв: електробезпеки, пожежної безпеки, рівня безперебійності електропостачання, технології виробництва, електромагнітної сумісності, наявності кваліфікованого персоналу, можливості подальшого розширення і зміни мережі.