Системы заземления TT, IT, TN-C, TN-S, TN-C-S

Базовые понятия

Заземление — это преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством. Различают два вида по назначению. Защитное заземление служит целям электробезопасности, оно устраняет опасность поражения током при появлении напряжения на корпусе оборудования. Рабочее (функциональное) заземление — это заземление токоведущих частей электроустановки для обеспечения ее нормальной работы.

Система буквенных обозначений задает связь с землей.

Первая буква показывает характер заземления источника: T (terra) — нейтраль трансформатора присоединена к земле, I (isolated) — нейтраль изолирована или заземлена через сопротивление.

Вторая буква отвечает за связь открытых проводящих частей: T — они заземлены, N — подключены к нейтрали. Дополнительно используются обозначения C и S. Буква C означает, что нулевые (рабочий и защитный) провода объединены в одном проводнике, а S — что они раздельны по всей сети. Обозначение C-S показывает, что объединение нулевых проводников применяется лишь на части системы.

Заземление по назначению

Защитное заземление

Защитное заземление — это преднамеренное электрическое соединение с землей (или ее эквивалентом) металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением при повреждении изоляции. Его задача — устранить опасность поражения током. При этом действуют два основных принципа, снижение напряжения прикосновения и шага до безопасных значений и выравнивание потенциалов. Если корпус оборудования не заземлен и на него замыкается фаза, то прикосновение к корпусу равноценно прикосновению к фазе. Задача заземления — обеспечить между корпусом и землей малое сопротивление, чтобы ток через человека оставался безопасным.

Защитное заземление используется в сетях переменного тока до 1000 В с изолированной нейтралью, а также в сетях свыше 1000 В независимо от характера нейтрали. Защитному заземлению подлежат все металлические части электроустановок, доступные для прикосновения, которые не защищены иным образом. Даны пороговые требования по напряжению: для оборудования с номинальным напряжением 380 В и выше (переменный ток) или 440 В и выше (постоянный ток) заземление должно быть везде; для напряжений 42–400 В перем. и 110–440 В пост. — в условиях повышенной и особой опасности. Кроме того, в трёхфазных четырехпроводных сетях до 1000 В с глухозаземленной нейтралью заземлять оборудование без зануления запрещено.

Для установок до 1000 В с изолированной нейтралью сопротивление заземляющего устройства не должно превышать 4 Ом; если мощность источника питания до 100 кВА — допускается до 10 Ом. Заземляющее устройство определяется как совокупность заземляющих проводников и заземлителя. Заземлители бывают естественные и искусственные (далее эти понятия рассмотрены отдельно).

Рабочее заземление

Рабочее, или функциональное, заземление — это заземление одной из точек электроустановки, необходимое не для защиты человека, а для нормальной работы оборудования.

Оно применяется, когда соединение с землёй требуется по принципу действия устройства: например, для устойчивой работы электрической сети, корректной работы автоматики, измерительных цепей, связи, защиты от помех или обеспечения заданного режима нейтрали.

Главная задача рабочего заземления — обеспечить правильную и стабильную работу электроустановки. При этом оно не заменяет защитное заземление, которое предназначено для защиты людей от поражения электрическим током.

Зануление

Хотя зануление формально не называется «системой заземления», оно тесно связано с TN-семейством.

Зануление — это преднамеренное соединение металлических нетоковедущих частей с нулевым защитным проводником, который соединен с глухозаземленной нейтралью источника. Обычно зануление применяется в трехфазных четырехпроводных сетях до 1000 В с глухозаземленной нейтралью.

Если при занулении происходит замыкание фазы на корпус оборудования, то возникает однофазное короткое замыкание между фазным и нулевым проводами. Вследствие этого установка отключается защитными устройствами (плавкими предохранителями или автоматом). То есть при занулении в случае повреждения возникает аварийная ситуация, которая быстро ликвидируется отключением. Такова связь, в одной схеме (с изолированной нейтралью) заземление через независимый заземлитель, в другой (с заземленной нейтралью) — через зануление и быстрое отключение.

Системы заземления TT, IT и семейство TN

Система TT

Система TT — это схема, в которой нейтраль источника питания, например трансформатора, имеет глухое заземление. При этом открытые проводящие части электроустановки потребителя подключаются не к нейтрали источника, а к своему отдельному заземлителю.

Проще говоря, у потребителя есть собственный контур заземления, который электрически не связан с заземлением нейтрали источника питания. Поэтому защита объекта обеспечивается за счет местного заземлителя.

Главное преимущество системы TT заключается в том, что электробезопасность меньше зависит от состояния питающей линии. Даже если защитный проводник со стороны сети отсутствует или находится в неудовлетворительном состоянии, у объекта остается собственная система заземления.

Однако у TT есть и особенности. Так как ток замыкания на землю может быть недостаточным для быстрого срабатывания автоматического выключателя, в таких сетях обычно применяют УЗО или дифференциальные автоматы. Особенно важно предусматривать защиту от импульсных перенапряжений, например при воздушном вводе питания.

Для надежной работы системы TT требуется качественно выполненный заземлитель с низким сопротивлением и стабильным контактом с грунтом. От его состояния напрямую зависит эффективность защиты.

Система IT

Система IT — это схема, в которой нейтраль источника питания не имеет прямого соединения с землей. Она либо полностью изолирована, либо заземлена через большое сопротивление. При этом корпуса электрооборудования и другие открытые проводящие части подключаются к заземлителю.

Такую систему применяют там, где особенно важны надежность питания и стабильная работа чувствительной аппаратуры. Чаще всего IT используют в лабораториях, медицинских помещениях, испытательных установках и других объектах, где нужно уменьшить токи утечки и электромагнитные помехи.

Главное преимущество системы IT состоит в том, что первый пробой изоляции, например замыкание фазы на корпус, не приводит сразу к аварийному отключению. Оборудование может продолжать работать, а неисправность можно обнаружить и устранить без немедленной остановки процесса.

К достоинствам IT также относят безопасность при касании заземленного корпуса и одного из выходов разделительного трансформатора, а также хорошую устойчивость к импульсным и грозовым перенапряжениям. Благодаря этому повышается надежность работы подключенного оборудования.

Недостаток системы заключается в том, что она требует исправной и правильно настроенной защиты. Если одновременно произойдет отказ защитного устройства и замыкание фазы на заземленный корпус, такая ситуация может стать опасной. Поэтому для IT важны постоянный контроль изоляции, надежное заземление и регулярная проверка защитных устройств.

Система TN-C

Система TN-C — это схема, в которой нулевой рабочий проводник N и защитный проводник PE объединены в один общий проводник PEN на всём протяжении сети. Иными словами, отдельного защитного проводника в такой системе нет.

Эта схема считается одной из самых простых и распространённых, особенно в старых электрических сетях и жилых зданиях. Её главное преимущество — простота устройства и меньший расход проводников при монтаже.

Однако у TN-C есть существенные недостатки. Так как защитный и рабочий ноль объединены, полноценного отдельного заземления в розетках обычно нет. Из-за этого применение УЗО в такой системе затруднено или невозможно в обычном виде, поскольку отсутствует отдельный проводник PE.

Кроме того, в TN-C выше риск появления электромагнитных помех, так как рабочие и защитные функции выполняет один и тот же проводник. При повреждении или обрыве PEN-проводника на корпусах подключенного оборудования может появиться опасное напряжение.

Поэтому TN-C можно считать простой и исторически распространенной системой, но с точки зрения современной электробезопасности она уступает схемам с отдельным защитным проводником, например TN-S или TN-C-S.

Система TN-S

Система TN-S — это схема, в которой нулевой рабочий проводник N и защитный проводник PE разделены по всей длине сети. То есть защитный проводник не используется для рабочего тока, а служит только для обеспечения электробезопасности.

Такая система считается одной из наиболее современных и безопасных. Её рекомендуют применять в новых зданиях, промышленных объектах и современных электрических сетях. TN-S обеспечивает более надежную защиту человека от поражения электрическим током, а также снижает риск повреждения оборудования и конструкций здания при аварийных режимах.

Главное преимущество TN-S — высокая степень безопасности. Раздельные проводники N и PE позволяют корректно работать защитным устройствам, в том числе УЗО и дифференциальным автоматам. Кроме того, такая схема уменьшает вероятность появления опасного напряжения на корпусах оборудования.

Недостатки системы в основном связаны с ее стоимостью и сложностью монтажа. Для TN-S требуется больше проводников. В трехфазной сети обычно применяют 5-жильный кабель, а в однофазной — 3-жильный. Из-за этого увеличиваются расходы на кабельную продукцию, монтаж и проектирование.

Поэтому TN-S считается более надежным и безопасным решением, но чаще встречается в новых сетях, где ее можно заложить еще на этапе проектирования.

Система TN-C-S

Система TN-C-S — это промежуточный вариант между TN-C и TN-S. В такой схеме на части линии используется общий проводник PEN, который совмещает функции рабочего нуля N и защитного проводника PE. Затем в определенной точке этот проводник разделяется на два отдельных: N и PE.

Проще говоря, сначала питание приходит по схеме TN-C, где рабочий и защитный ноль объединены, а дальше внутри объекта или на вводе выполняется разделение на отдельный нулевой и защитный проводники. Поэтому TN-C-S часто применяют при модернизации старых сетей, когда полностью заменить всю линию на TN-S сложно или дорого.

Главное преимущество этой системы — возможность повысить уровень электробезопасности без полной переделки всей питающей сети. При правильном выполнении разделения PEN-проводника можно сохранить существующую инфраструктуру и при этом получить отдельный защитный проводник PE для подключения корпусов оборудования и защитных контактов розеток.

Система TN-C-S достаточно удобна для практического применения, технически она реализуется проще, чем полная замена сети на TN-S, а при переводе с TN-C часто достаточно выполнить разделение проводников на вводе и модернизировать часть сети после этой точки.

Однако у TN-C-S есть важный недостаток. Пока проводник PEN остается общим, его обрыв может привести к появлению опасного напряжения на корпусах электроприборов. Поэтому к качеству PEN-проводника, его соединениям, повторному заземлению и месту разделения предъявляются повышенные требования.

Также при монтаже необходимо строго соблюдать маркировку проводников: PEN — совмещенный рабочий и защитный проводник, N — рабочий ноль, PE — защитный проводник. Расчет для такой системы выполняется по общим правилам расчета заземления и защитных проводников.

Заземлители и конструктивное исполнение

Заземлитель — это металлический элемент или конструкция, которые находятся в контакте с землей и служат для электрического соединения электроустановки с грунтом. Через него ток повреждения или перенапряжения может уходить в землю.

Заземлители бывают естественные и искусственные.

Естественные заземлители

Естественными заземлителями называют уже существующие металлические конструкции, которые находятся в земле и могут использоваться для заземления. К ним относятся:

• металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, соприкасающиеся с землей;
• фундаменты, в том числе с гидроизоляцией, если они находятся в неагрессивных грунтах;
• металлические трубы водопровода, проложенные в земле;
• обсадные трубы буровых скважин;
• металлические шпунты гидротехнических сооружений, водоводы и закладные элементы;
• рельсы неэлектрифицированных железных дорог и подъездных путей, если между рельсами есть надежные перемычки;
• другие металлические конструкции, находящиеся в земле;
• заземлители опор воздушных линий, соединенные через грозозащитный трос, если он не изолирован;
• свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле;
• PEN-проводники линий электропередачи до 1 кВ с повторными заземлениями, если таких линий не менее двух.

При этом не каждую металлическую конструкцию можно использовать как заземлитель автоматически. Перед применением естественного заземлителя нужно учитывать плотность тока, схему соединения, состояние металла, возможность сварки арматуры и другие условия. Окончательное решение принимается по расчету.

Что запрещено использовать для заземления

В качестве заземлителей нельзя использовать:

• трубопроводы с горючими жидкостями;
• трубопроводы с горючими или взрывоопасными газами и смесями;
• трубы канализации;
• трубопроводы центрального отопления;
• железобетонные конструкции с предварительно напряженной арматурой, кроме отдельных случаев, например опор воздушных линий и открытых распределительных устройств.

Такие ограничения связаны с риском повреждения трубопроводов, коррозии, появления опасных потенциалов и пожароопасных ситуаций.

Искусственные заземлители

Если подходящих естественных заземлителей нет или их недостаточно, применяют искусственные заземлители. Их специально устанавливают в грунт для создания надежного заземляющего устройства.

Искусственные заземлители изготавливают из:

• черной стали;
• оцинкованной стали;
• меди;
• омедненной стали.

Окрашивать такие элементы нельзя, потому что краска ухудшает электрический контакт с землей.

Материал и размеры заземлителя выбирают с учетом долговечности, коррозионной стойкости, расчетного тока и условий грунта.

Для горячооцинкованной стали используют прямоугольные или угловые профили сечением не менее 90 мм² и толщиной от 3 мм. Круглые вертикальные электроды принимают диаметром 12 мм при длине до 5 м и 16 мм при большей длине. Для трубных профилей применяют размеры не менее 25×2 мм.

Медные заземлители могут выполняться в виде проволоки, тросов, круглых или прямоугольных профилей. Также применяются глубинные электроды в омедненной оболочке: стальные стержни с защитным покрытием, которые погружаются на значительную глубину.

Глубинные заземлители

Отдельный вариант искусственного заземления — вертикальный составной глубинный заземлитель. Его применяют там, где верхние слои грунта имеют высокое сопротивление и плохо проводят ток.

Такая конструкция состоит из отдельных стальных стержней, обычно длиной около 1,5 м. Стержни соединяются между собой латунными муфтами и постепенно погружаются в землю. Общая глубина может достигать 20–30 м и более.

Преимущество глубинного заземлителя в том, что он доходит до более плотных и влажных слоев грунта. На такой глубине сопротивление обычно ниже, поэтому заземление получается более стабильным и эффективным.

Если верхний слой земли сухой, каменистый или слабопроводящий, часто выгоднее установить несколько глубинных электродов, чем большое количество обычных поверхностных.

К преимуществам глубинного заземления относятся:

• высокая стойкость к коррозии за счет защитного покрытия стали;
• применение латунных муфт, устойчивых к воздействию грунта;
• снижение бокового трения при погружении электродов;
• уменьшение риска контактной коррозии за счет правильного подбора материалов;
• достижение нужного сопротивления меньшим количеством электродов;
• небольшая занимаемая площадь;
• высокая долговечность;
• меньшая зависимость сопротивления от сезонных изменений грунта;
• возможность монтажа с применением ручного виброинструмента и стандартных элементов.

Например, в некоторых случаях два глубинных электрода могут заменить десятки обычных вертикальных электродов, если грунтовые условия позволяют эффективно использовать большую глубину.

Общие требования к монтажу

Заземлители должны быть рассчитаны не только на нормальную работу, но и на аварийные режимы.

Если есть опасность коррозии, заземлитель делают большего сечения или применяют более стойкие материалы: оцинкованную сталь, омедненную сталь или медь.

Горизонтальные электроды укладывают в траншеи и засыпают однородным влажным грунтом. В засыпке не должно быть щебня, строительного мусора и других включений, которые ухудшают контакт металла с землей.

В качестве заземляющих проводников обычно применяют стальные полосы или круглые проводники. Соединения между проводниками и электродами выполняют сваркой, чтобы обеспечить надежный электрический контакт.

Корпуса электрооборудования подключают к магистрали заземления отдельными ответвлениями. Последовательное соединение корпусов запрещено, каждый корпус должен иметь свой отдельный отвод к заземляющей магистрали. Это нужно для того, чтобы при повреждении одного соединения остальные элементы не потеряли защиту.

Сравнение систем и примеры

Ниже сведены ключевые характеристики систем TT, IT, TN-C, TN-S, TN-C-S: