Руководство по устройству электроустановок - Реализация системы TN

6 Реализация системы TN
6.1 Предварительные условия
На стадии проектирования необходимо рассчитать максимально допустимые длины 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. F42.
PE-проводник должен регулярно и как можно чаще соединяться с заземлителем.
PE-проводник не должен монтироваться в ферромагнитном кабелепроводе, коробе и т.п. или монтироваться 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 проводника), соединение должно быть сделано, непосредственно к клемме заземления бытового электроприбора (см. 3 на рис. F42), 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 внешние проводящие части этой подстанции и электроустановки были все 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. F42. 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 IEC в отношении защиты от косвенного прикосновения в системах заземления TN лишь устанавливает соотношение между максимально допустимыми временами 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 следующем: для того, чтобы повысить потенциал открытой проводящей части до 50 В или выше, ток, который должен протекать в цепях системы TN, является настолько большим, что может случиться одно из двух:
цепь замыкания перегорит практически мгновенно, или
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 типичной 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 и др.), на основе чего определяется ток короткого замыкания на землю по следующей формуле:
(1) 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.

Максимальная длина любой цепи электроустановки при использовании системы/ заземления TN:
Данный коэффициент учитывает все падения напряжения на участках, расположенных выше по цепи от рассматриваемой точки. В низковольтных кабелях, когда все проводники трехфазной четырехпроводной цепи находятся близко друг к другу (что является нормальным случаем), индуктивное реактивное 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 мм . Пример см. рис. F43. При превышении этой длины активное сопротивление R увеличивается следующим образом:

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. F4. Расчет L max. для системыі заземления TN с использованием традиционного метода
Максимальная длина любой цепи электроустановки при использовании системы заземления TN определяется формулой:
где:
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 10-3 для меди и 36 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.
Sph - площадь сечения фазных проводников соответствующей цепи в мм2 SPE - площадь сечения рассматриваемого защитного проводника в мм2 (см. Рис. F43 )
Таблицы
Приведенные ниже таблицы для систем TN были составлены с помощью описанного выше «традиционного метода».
В них указаны максимальные длины цепей, при превышении которых 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. F44 представлен поправочный коэффициент, который должен применяться к значениям, указанным на рис. F45 - F48, 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
площади сечения фазных и защитных проводников
тип системы заземления ()рис. F4 на стр. F29)
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 марки Merlin Gerin

(Compact и Multi 9) включены в соответствующие каталоги.

Рис. F4 . Поправочный коэффициент для длин цепей, приведенных в таблицах F44 - F47 для систем TN

F28
Цепи, защищенные автоматическими выключателями общего назначения (рис. F45)

Рис. F4 . Максимальные длины цепи (в метрах) для различных сечений медного проводника и уставок по току мгновенного отключения при использовании автоматических выключателей общего назначения в системе TN напряжением 230/240 при m = 1
Цепи, защищенные автоматическими выключателями Compact1 или Multi 91 для промышленных или бытовых применений (рис. F46 - F48)
Sph Номинальный ток, А

Рис. F4 . Максимальные длины цепи (в метрах) для различных сечений медного проводника и номинальных токов для автоматических выключателей типа B2 в одно- или трехфазной системе TN напряжением 230/240 В при m = 1
Sph Номинальный ток, А

Рис. F4,. Максимальные длины цепи (в метрах) для различных сечений медного проводника и номинальных токов для автоматических выключателей типа C2 в одно- или трехфазной системе TN напряжением 230/240 В при m = 1

Рис. F4 . Максимальные длины цепи (в метрах) для различных сечений медного проводника и номинальных токов для автоматических выключателей типа D1 в одно- или трехфазной системе TN напряжением 230/240 В при m = 1

                      Эти случаи рассматриваются подробно в главе N, раздел 3.

clause 4.2

    *Идентификация автоматического выключателя типа B рассматривается в главе H (подраздел 4.2).

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. F46, 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. F44 для
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

Рис. 5. Цепь питания штепсельных розеток
Защита от косвенного прикосновения должна быть обеспечена посредством установки УЗО на вводе любой цепи, питающей бытовой электроприбор или группу бытовых электроприборов, открытые проводящие части которых соединены с отдельным заземлителем. Чувствительность этого УЗО должна быть согласована с сопротивлением заземлителя (RA2 на рис. F49). См. технические требования к системе TT.
6.3 УЗО с высокой чувствительностью
Стандарт IEC 60364-4-471 рекомендует использовать УЗО с высокой чувствительностью (У 30 мА) в следующих случаях (рис. F50):
в цепях штепсельных розеток на номинальные токи У 32 А в любых помещениях2
в цепях штепсельных розеток в сырых помещениях при всех номинальных токах2
в цепях штепсельных розеток во временных электроустановках2
в цепях, питающих помещения прачечных и плавательные бассейны2
в цепях питания рабочих площадок, домов-фургонов, прогулочных катеров и передвижных выставок-ярмарок2.
Эта защита может быть реализована для отдельных цепей или групп цепей
Рекомендуется для цепей штепсельных розеток на ток u 20 A и обязательна, если они предназначены для питания портативного оборудования, используемого вне помещений

Рис. F4.. Отдельный заземлитель
В некоторых странах это требование является обязательным для всех цепей штепсельных розеток на ток У 32 A. Также рекомендуется ограничивать количество штепсельных розеток, защищаемых одним УЗО (например, 10 розеток на УЗО).
Защита пожароопасных помещений
Согласно международному стандарту IEC 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. F51).
Применение УЗО с чувствительностью 300 мА позволяет также обеспечить защиту от пожара.
Когда полное сопротивление цепи замыкания на землю особенно большое
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:
Вариант решения 1 (рис. F52)
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 аномально большой длины. При этом, однако следует проверить, что большие переходные токи, например пусковые токи электродвигателей, не вызовут ложных срабатываний.
Решения, предложенные компанией Schneider Electric
Автоматический выключатель Compact типа G (2Im У Irm У 4Im)
Автоматический выключатель Multi 9 тип B Вариант решения 2 (рис. F53 )
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 на несколько 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 тип B Вариант решения 3
Увеличить сечение PE- или PEN-проводников и/или фазных проводников с тем, чтобы снизить сопротивление цепи замыкания на землю.
Вариант решения 4

Рис. F5 . Защита пожароопасного помещения

Рис. 5 . Автоматический выключатель с магнитным расцепителем мгновенного действия с пониженным порогом срабатывания


Рис. F5• . Защита систем типа TN с большим сопротивлением цепи замыкания на землю с помощью УЗО
Рис. F5'. Усовершенствованная схема уравнивания потенциалов
Установить дополнительные проводники уравнивания потенциалов. Это обеспечит такой же эффект, что и вариант решения 3, т.е. снижение сопротивления цепи замыкания на землю, но одновременно дополнительно усилит существующие меры защиты людей от напряжения прикосновения. Эффективность такого усовершенствования можно проверить, измерив сопротив­ления между каждой открытой проводящей частью и местным главным защитным проводником. Для электроустановок с типом заземления TN-C соединение, показанное на рис. F54, не допускается и следует применить вариант решения 3.