Проектирование электроустановок - Система TN

6 Реализация системы TN
6.1 Предварительные условия
На стадии проектирования необходимо рассчитать максимально допустимую длину кабеля, расположенного ниже защитного автоматического выключателя (или комплекта плавких предохранителей), а при монтаже строго выполнять определенные правила. Должны соблюдаться определенные условия, перечисленные ниже и изображенные на рис. F38.
PE-проводник должен регулярно и как можно чаще соединяться с заземлителем.
PE-проводник не должен монтироваться в ферромагнитном кабелепроводе, коробе или на металлоконструкции, поскольку индуктивные эффекты и/или эффект близости могут увеличить его эффективное сопротивление.
В случае PEN-проводника (нулевого проводника, используемого также в качестве защитного), соединение должно быть сделано непосредственно к клемме заземления бытового электроприбора (см. 3 на рис. F38), а потом к клемме нейтрали того же электроприбора.
Если сечение проводника менее 6 мм2 для меди или 10 мм2 для алюминия, или если кабель переносной, то нулевой и защитный проводники должны быть разделены, т.е. для рассматриваемой электроустановки должна быть выбрана система TN-S.
Замыкания на землю могут устраняться устройствами максимальной токовой защиты, т.е. плавкими предохранителями и автоматическими выключателями.
В этом списке указаны условия, которые должны соблюдаться при реализации схемы TN для обеспечения защиты людей от косвенных прикосновений.


Примечания:
При использовании схемы TN нейтраль низковольтной обмотки понижающего трансформатора, открытые проводящие части соответствующей подстанции и электроустановки, а также сторонние проводящие части этой подстанции и электроустановки соединены с общей системой заземления.
В случае подстанции, в которой учет электроэнергии осуществляется по низкому напряжению, на вводе в электроустановку низкого напряжения требуется применение устройства разделения, и такое разделение должно быть визуально различимым.
PEN-проводник не должен прерываться ни при каких обстоятельствах. Контрольно-защитное распределительное устройство для нескольких схем TN должно быть:
3-полюсным, если в цепи используется PEN-проводник;
предпочтительно 4-полюсным (3 фазы + нейтраль), если эта цепь содержит нейтраль с отдельным PE-проводником.
Рис. F38: Реализация системы заземления типа TN

Обычно используются три метода расчета:
метод полных сопротивлений, основанный
на векторном суммировании полных сопротивлений системы;
композиционный метод;
традиционный метод, основанный на предполагаемой величине падения напряжений и использовании специальных таблиц.
6.2 Защита от косвенного прикосновения
Методы определения уровней тока короткого замыкания
В системах заземления TN по цепи замыкания на землю будет в принципе всегда проходить ток достаточной величины для срабатывания устройства максимальной токовой защиты. Сопротивления источника питания и питающей сети гораздо ниже, чем сопротивление цепей электроустановки, поэтому любое ограничение величины токов замыкания на землю будет, в основном, вызываться проводниками этой электроустановки (длинные гибкие провода, идущие к бытовым электроприборам, значительно увеличивают сопротивление цепи замыкания и, соответственно, снижают величину тока короткого замыкания).
Самая новая рекомендация МЭК в отношении защиты от косвенного прикосновения в системах заземления TN лишь устанавливает соотношение между максимально допустимым временем отключения и номинальным напряжением системы (рис. F13 в подразделе 3.3).

Современная практика выполнения расчетов предусматривает использование программного обеспечения, разрешенного уполномоченными национальными органами и основанного на методе полных сопротивлений, например Ecodial 3. Как правило, национальные органы публикуют свои рекомендации, в которых приводятся типовые значения, длины проводников и т.п.
Указанные рекомендации основаны на том, что для повышения потенциала открытой проводящей части до 50 В или выше ток, который должен протекать в цепях системы TN, будет настолько большим, что может случиться следующее:
цепь замыкания перегорит практически мгновенно;
произойдет металлическое короткое замыкание проводника, и ток будет достаточной величины, чтобы вызвать срабатывание устройства максимальной токовой защиты.
Чтобы в последнем случае обеспечить правильное срабатывание устройств защиты от сверхтока, на этапе проектирования объекта необходимо провести достаточно точную оценку уровней токов замыкания на землю.
Тщательный анализ предусматривает применение метода симметричных составляющих к каждой цепи по очереди. Данный метод является несложным, но объем вычислений является чрезмерно большим, особенно с учетом того, что на типовой электроустановке низкого напряжения очень трудно определить полные сопротивления нулевой последовательности с приемлемой степенью точности.
Более предпочтительны другие упрощенные методы, обеспечивающие приемлемую точность. Ниже описаны три таких практических метода:
Метод полных сопротивлений, основанный на суммировании всех полных сопротивлений (только прямой последовательности) каждого элемента цепи замыкания на землю.
Композиционный метод, представляющий собой оценку тока короткого замыкания на дальнем конце цепи при известном уровне тока короткого замыкания на ближнем конце этой цепи.
Традиционный метод расчета минимальных уровней токов замыкания на землю с использованием таблиц значений для получения быстрых результатов.
Эти методы дают надежные оценки лишь для случая, когда кабели, составляющие цепь замыкания на землю, находятся в непосредственной близости друг от друга и не разделены ферромагнитными материалами.
Метод полных сопротивлений
В этом методе суммируются полные сопротивления прямой последовательности для каждого элемента цепи замыкания на землю (кабеля, PE-проводника, трансформатора), на основе чего определяется ток короткого замыкания на землю по следующей формуле:

где:
сумма всех активных сопротивлений в цепи замыкания на этапе проектирования строящегося объекта;
сумма всех индуктивных реактивных сопротивлений в цепи замыкания; U - номинальное фазное напряжение в системе.
Применение данного метода иногда затрудняется тем, что должны быть известны значения всех параметров системы и характеристики элементов цепи замыкания. Национальные нормативные документы могут содержать рекомендации по типовым значениям параметров.
Композиционный метод
F24


Данный метод позволяет определить ток короткого замыкания на дальнем конце цепи по известной величине тока короткого замыкания на ближнем конце этой цепи с помощью формулы:

Isc - ток короткого замыкания на вышестоящем участке цепи; I - ток короткого замыкания на дальнем конце цепи; U - номинальное фазное напряжение в системе; Zs - полное сопротивление цепи.
Примечание: в отличие от предыдущего метода полных сопротивлений, в данном методе полные сопротивления отдельных элементов суммируются арифметически *.

*Это приводит к тому, что рассчитанная величина тока оказывается меньше фактической. Если уставки максимальной токовой защиты основаны на этой рассчитанной величине, то срабатывание реле или плавкого предохранителя гарантируется.

Традиционный метод
Этот метод позволяет достаточно точно определить максимально допустимую длину кабелей.
Принцип
Принцип данного метода основан на расчете тока короткого замыкания и предполагает, что на входе рассматриваемой цепи (т.е. в месте установки УЗО), напряжение остается на уровне 80% или более от номинального фазного напряжения. Эта величина вместе с величиной полного сопротивления цепи используется для расчета тока короткого замыкания.
Данный коэффициент учитывает все падения напряжения на участках, расположенных выше по
Максимальная длина любой цепи электроустановки при использовании системы заземления TN:

цепи от рассматриваемой точки. В низковольтных кабелях, когда все проводники трехфазной четырехпроводной цепи находятся близко друг к другу (что является нормальным случаем), индуктивное сопротивление как самих проводников, так и между ними пренебрежимо мало по сравнению с активным сопротивлением кабеля.
Такое допущение считается справедливым для кабелей с сечением до 120 мм2. Пример: см. рис. F39. При превышении этой длины активное сопротивление R увеличивается следующим образом:

Площадь сечения жилы (мм2)	Величина активного сопротивления
S = 150 мм2	R+15%
S = 185 мм2	R+20%
S = 240 мм2	R+25%

Максимальная длина любой цепи электроустановки при использовании системы заземления TN определяется формулой:

где:

В следующих таблицах указана длина цепи, которая не должна превышаться, с тем чтобы можно было обеспечить защиту людей от косвенного прикосновения с помощью защитных устройств

Рис. F39: Расчет L max для системы заземления TN с использованием традиционного метода
Lmax - максимальная длина кабеля в метрах;
Uo - фазное напряжение в вольтах (230 В для системы напряжением 230/400 В); р - удельное электрическое сопротивление при нормальной рабочей температуре в Ом.мм2/м (22,5 х 10-3 для меди и 36 х 10-3 для алюминия);
Ia - уставка по току отключения для режима мгновенного срабатывания автоматического выключателя или
Ia - ток, при котором гарантировано срабатывание используемого защитного плавкого предохранителя в течение нормативного времени.
где:
Sph - площадь сечения фазных проводников соответствующей цепи в мм2; SPE - площадь сечения рассматриваемого защитного проводника в мм2 (см. рис. F39).
Таблицы
Приведенные ниже таблицы для систем TN были составлены с помощью описанного выше традиционного метода.
В них указана максимальная длина цепей, при превышении которой омическое сопротивление проводников ограничит величину тока короткого замыкания до уровня ниже того, который требуется для срабатывания автоматического выключателя (или плавкого предохранителя), защищающего эту цепь, с достаточной быстротой, чтобы обеспечить безопасность от косвенного прикосновения.
Поправочный коэффициент m
На рис. F40 представлен поправочный коэффициент, который должен применяться к значениям, указанным на рис. F42 - F44, с учетом отношения Sph/SPE, типа цепи и материалов проводников. В этих таблицах учитывается:
тип защиты: автоматические выключатели или плавкие предохранители;
уставки по току срабатывания;
площадь сечения фазных и защитных проводников;
тип системы заземления (рис. F45 на стр. F27);
тип автоматического выключателя (т.е. B, C или D).
Эти таблицы можно использовать для систем напряжением 230/400 В.
Эквивалентные таблицы для защиты с помощью автоматических выключателей Compact и Multi 9

включены в соответствующие каталоги.

Цепь	Материал проводника	m = Sph/S m = 1	PE (или PEN m = 2	) m = 3	m = 4
3 фазы + нейтраль или фаза + нейтраль	Медь	1	0.67	0.50	0.40
	Алюминий	0.62	0.42	0.31	0.25

Рис. F40: Поправочный коэффициент для цепей, приведенных в таблицах F40 - F43 для систем TN

Цепи, защищенные автоматическими выключателями общего назначения (рис. F41)

Номинальное сечение проводников			Отключающий ток Im при мгновенном срабатывании выключателя или срабатывании с короткой выдержкой времени (А)
мм2	50	63	80	100	125	160	200	250	320	400	500	560	630	700	800	875	1 000	1 120	1 250	1 600	2 000	2 500	3 200	4 000	5 000	6 300	8 000	100 00 12 500
1.5	100	79	63	50	40	31	25	20	16	13	10	9	8	7	6	6	5	4	4
2.5	167	133	104	83	67	52	42	33	26	21	17	15	13	12	10	10	8	7	7	5	4
4	267	212	167	133	107	83	67	53	42	33	27	24	21	19	17	15	13	12	11	8	7	5	4
6	400	317	250	200	160	125	100	80	63	50	40	36	32	29	25	23	20	18	16	13	10	8	6	5	4
10			417	333	267	208	167	133	104	83	67	60	53	48	42	38	33	30	27	21	17	13	10	8	7	5	4
16					427	333	267	213	167	133	107	95	85	76	67	61	53	48	43	33	27	21	17	13	11	8	7	5	4
25							417	333	260	208	167	149	132	119	104	95	83	74	67	52	42	33	26	21	17	13	10	8	7
35								467	365	292	233	208	185	167	146	133	117	104	93	73	58	47	36	29	23	19	15	12	9
50									495	396	317	283	251	226	198	181	158	141	127	99	79	63	49	40	32	25	20	16	13
70												417	370	333	292	267	233	208	187	146	117	93	73	58	47	37	29	23	19
95														452	396	362	317	283	263	198	158	127	99	79	63	50	40	32	25
120																457	400	357	320	250	200	160	125	100	80	63	50	40	32
150																	435	388	348	272	217	174	136	109	87	69	54	43	35
185																		459	411	321	257	206	161	128	103	82	64	51	41
240																				400	320	256	200	160	128	102	80	64	51

Рис. F41: Максимальная длина цепи (в метрах) для медных проводников различного сечения в зависимости от уставки по току мгновенного отключения при использовании автоматических выключателей общего назначения в системе TN напряжением 230/240 при m = 1
Промышленные и бытовые цепи, защищенные автоматическими выключателями Compact* или Multi 9(1) (рис. F42 - F44)

Sph	Номинальный ток (А)
мм2	1 2 3	4	6	10	16	20	25	32	40	50	63	80	100	125
1.5	1200 600 400	300	200	120	75	60	48	37	30	24	19	15	12	10
2.5	1000 666	500	333	200	125	100	80	62	50	40	32	25	20	16
4	1 066	800	533	320	200	160	128	100	80	64	51	40	32	26
6		1200	800	480	300	240	192	150	120	96	76	60	48	38
10				800	500	400	320	250	200	160	127	100	80	64
16					800	640	512	400	320	256	203	160	128	102
25							800	625	500	400	317	250	200	160
35								875	700	560	444	350	280	224
50										760	603	475	380	304

*Изделия Schneider Electric.

Рис. F42: Максимальная длина цепи (в метрах) для медных проводников различного сечения в зависимости от номинального тока автоматических выключателей типа B(2) в одно- или трехфазной системе TN напряжением 230/240 В при m = 1

Sph	Номинальный ток (А)
мм2	1 2	3	4	6	10	16	20	25	32	40	50	63	80	100	125
1.5	600 300	200	150	100	60	37	30	24	18	15	12	9	7	6	5
2.5	500	333	250	167	100	62	50	40	31	25	20	16	12	10	8
4		533	400	267	160	100	80	64	50	40	32	25	20	16	13
6			600	400	240	150	120	96	75	60	48	38	30	24	19
10				667	400	250	200	160	125	100	80	63	50	40	32
16					640	400	320	256	200	160	128	101	80	64	51
25						625	500	400	312	250	200	159	125	100	80
35						875	700	560	437	350	280	222	175	140	112
50								760	594	475	380	301	237	190	152

Рис. F43: Максимальная длина цепи (в метрах) для медных проводников различного сечения в зависимости от номинального тока автоматических выключателей типа C2 в одно- или трехфазной системе TN напряжением 230/240 В при m = 1

Sph	Номинальный ток (А)
мм*	1	2	3	4	6	10	16	20	25	32	40	50	63	80	1 00	1 25
1.5	429	214	1 43	107	71	43	27	21	17	13	11	9	7	5	4	3
2.5	714	357	238	1 79	119	71	45	36	29	22	18	14	11	9	7	6
4		571	381	286	1 90	114	71	80	46	36	29	23	18	14	11	9
6		857	571	429	286	1 71	107	120	69	54	43	34	27	21	17	14
10			952	714	476	286	1 79	200	114	89	71	57	45	36	29	23
16					762	457	286	320	1 83	1 43	114	91	73	57	46	37
25						714	446	500	286	223	179	1 43	113	89	71	57
35							625	700	400	313	250	200	159	125	80	100
50								848	543	424	339	271	215	1 70	136	109

Рис. F44: Максимальная длина цепи (в метрах) для медных проводников различного сечения в зависимости от номинального тока автоматических выключателей типа D(1) в одно- или трехфазной системе TN напряжением 230/240 В при m = 1

*Эти случаи рассматриваются подробно в главе N, раздел 3.

Пример:
Трехфазная четырехпроводная электроустановка напряжением 230/400 В выполнена по системе заземления TN-C. Цепь защищена автоматическим выключателем типа B с номинальным током срабатывания 63 А и состоит из кабеля с алюминиевыми жилами с сечением фазных проводников 50 мм2 и нулевого проводника (PEN) сечением 25 мм2.
Какова максимальная длина цепи, ниже которой обеспечивается гарантированная защита людей от опасностей косвенного прикосновения с помощью электромагнитного отключающего реле мгновенного действия, входящего в состав автоматического выключателя? Из таблицы, приведенной на рис. F42, для сечения проводника 50 мм2 и автоматического выключателя типа B с номинальным током 63 А получаем длину 603 м, к которой должен быть
применен поправочный коэффициент 0,42 (рис. F40 дляl
Таким образом, максимальная длина цепи составит: 603 x 0,42 = 253 м.
Частный случай, когда одна или несколько открытых проводящих частей соединены с отдельными заземлителями
Защита от косвенного прикосновения должна быть обеспечена посредством установки УЗО на ввод любой цепи, питающей бытовой электроприбор или группу бытовых электроприборов, открытые проводящие части которых соединены с отдельным заземлителем.
Чувствительность УЗО должна быть согласована с сопротивлением заземлителя (RA2 на рис. F45). См. технические требования к системе TT.
6.3 Высокочувствительные УЗО (см. рис. F31)
В соответствии со стандартом МЭК 60364-4-41 высокочувствительные устройства УЗО ( 30 мА) должны использоваться для защиты штепсельных розеток с номинальным током 20 A на всех объектах. Использование таких УЗО также рекомендуется в следующих случаях (рис. F46):
Цепи со штепсельными розетками при влажных условиях для всех номинальных токов
Цепи со штепсельными розетками на временных установках
Цепи питания химчисток и плавательных бассейнов

Рис. F45: Отдельный заземлитель

Рис. F46: Цепь питания штепсельных розеток
Цепи питания жилых прицепов, прогулочных судов и передвижных выставок. См. п. 2.2 и главу P, раздел 3.
6.4 Защита пожароопасных помещений
Согласно международному стандарту МЭК 60364-482-2.10 в помещениях, в которых риск возгорания является большим, использование системы заземления TN-C часто запрещается, и следует применять систему TN-S. В некоторых странах защита посредством применения УЗО с чувствительностью У 500 мА на входе цепи, питающей такое помещение, является обязательной (рис. F47).

Рис. F47: Защита пожароопасного помещения

Рис. F48: Автоматический выключатель с магнитным расцепителем мгновенного действия с пониженным порогом срабатывания


Рис. F49: Защита систем типа TN с большим сопротивлением цепи
замыкания на землю с помощью УЗО  Рис. F50: Усовершенствованная схема уравнивания потенциалов
Применение УЗО с чувствительностью 300 мА позволяет также обеспечить защиту от пожара.
6.5 Защита при большом полном сопротивлении цепи замыкания на землю
Когда ток замыкания на землю ограничен высоким сопротивлением цепи замыкания, и поэтому максимальная токовая защита может не отключить цепь в течение нормативного времени, должны быть рассмотрены следующие дополнительные меры:
Решение 1 (рис. F48)
Необходимо установить автоматический выключатель с пониженным порогом срабатывания магнитного расцепителя мгновенного действия, например:
2In У Irm У 4In
Это обеспечит защиту людей от поражения током в цепях большой длины. При этом, однако, следует проверить, что большие переходные токи, например пусковые токи электродвигателей, не вызовут ложные срабатывания.
Решения, предложенные компанией Schneider Electric:
Автоматический выключатель Compact типа G (2Im У Irm У 4Im).
Автоматический выключатель Multi 9 типа B. Решение 2 (рис. F49)
Необходимо установить в рассматриваемой цепи УЗО. Такое устройство не обязательно должно иметь высокую чувствительность (от нескольких ампер до нескольких десятков ампер). Если предусмотрено использование штепсельных розеток, то в любом случае определенные цепи должны быть защищены УЗО с высокой чувствительностью (У 30 мА). Обычно одно УЗО устанавливается для нескольких штепсельных розеток в цепи.
Решения, предложенные компанией Schneider Electric:
УЗО Multi 9 NG125: IAn = 1 или 3 A.
Vigicompact REH или REM: IAn = 3 - 30 A.
Автоматический выключатель Multi 9 типа B. Решение 3
Необходимо увеличить сечение PE- или PEN-проводников и/или фазных проводников, с тем чтобы снизить сопротивление цепи замыкания на землю.
Решение 4
Необходимо установить дополнительные проводники уравнивания потенциалов. Это обеспечит такой же эффект, что и решение 3, т.е. снизит сопротивление цепи замыкания на землю, но одновременно дополнительно усилит существующие меры защиты людей от напряжения прикосновения. Эффективность такого усовершенствования можно проверить, измерив сопротивление между каждой открытой проводящей частью и местным главным защитным проводником. Для электроустановок с типом заземления TN-C соединение, показанное на рис. F50, не допускается, и следует применить вариант решения 3.