Повторное заземление в системе TN-C-S. Разбираемся в противоречиях

Повторное заземление PEN на вводе в частный дом

Во многих обзорах постоянно муссируются какие-то требования ПУЭ, идут споры 10 или 30 Ом, неверно трактуются и берутся выборочные пункты ПУЭ. Поэтому для начала постараемся правильно прочитать и сопоставить пункты ПУЭ, относящиеся к повторному заземлению в системе TN. А далее все ситуации просчитаем и смоделируем в среде программы Electronics Workbench.

Система TN-C-S:

Начнем с казалось бы противоречивого пункта ПУЭ 7 — 1.7.61:

При применении системы TN рекомендуется выполнять повторное заземление РЕ и PEN проводников на вводе в электроустановки зданий, а также в других доступных местах. Для повторного заземления в первую очередь следует использовать естественные заземлители. Сопротивление заземлителя повторного заземления не нормируется.

Внутри больших и многоэтажных зданий аналогичную функцию выполняет уравнивание потенциалов посредством присоединения нулевого защитного проводника к главной заземляющей шине.

Повторное заземление электроустановок напряжением до 1 кВ, получающих питание по воздушным линиям, должно выполняться в соответствии с 1.7.102-1.7.103.

Что здесь не так? Может показаться, что первый абзац относится к системе TN-C-S, а «рекомендуется» и «не нормируется» относится к повторному заземлению при разделении PEN (совмещенный рабочий и защитный нулевой проводник) на PE (защитный проводник) и N (рабочий нулевой проводник). На самом деле речь идет о повторном заземлении проводников РЕ и PEN, которые могут быть как в системе TN-C (PEN), так и в TN-S (PE) и TN-C-S (PE). Третий же абзац уже непосредственно относится к повторному заземлению на вводах ВЛ (воздушных линий) к электроустановкам. И на этом этапе все переходят к пунктам 1.7.102 — 1.7.103 и с уверенностью утверждают, что повторное заземление на вводах ВЛ к электроустановкам частного дома (система TN-C-S) должно быть обязательным, а сопротивление растеканию заземлителя должно быть не более 30 Ом. Но здесь есть одно но, о котором почему-то все молчат. Поэтому читаем внимательно следующие пункты ПУЭ, а к этим «противоречивым» рекомендациям вернемся в завершении анализа.

ПУЭ 1.7.102:

На концах ВЛ или ответвлений от них длиной более 200 м, а также на вводах ВЛ к электроустановкам, в которых в качестве защитной меры при косвенном прикосновении применено автоматическое отключение питания, должны быть выполнены повторные заземления PEN проводника. При этом в первую очередь следует использовать естественные заземлители, например, подземные части опор, а также заземляющие устройства, предназначенные для грозовых перенапряжений (смотреть главу 2.4).

Указанные повторные заземления выполняются, если более частые заземления по условиям защиты от грозовых перенапряжений не требуются.

Повторные заземления PEN проводника в сетях постоянного тока должны быть выполнены при помощи отдельных искусственных заземлителей, которые не должны иметь металлических соединений с подземными трубопроводами.

Заземляющие проводники для повторных заземлений PEN проводника должны иметь размеры не менее приведенных в таблице 1.7.4.

В данном пункте необходимо уделить особое внимание второму абзацу и разобраться с более частыми заземлениями по условиям защиты от грозовых перенапряжений. Давайте рассуждать логически. Менее частые заземления для защиты от грозовых перенапряжений — это не что иное, как повторное заземление, отмеченное в первом абзаце. А для определения условий более частых заземлений, когда повторное заземление на вводах ВЛ к электроустановкам не требуется, необходимо ознакомится с главой 2.4, что также указано в первом абзаце. Помимо этого, стоит отметить, что даже если опустить второй абзац, то организация перечисленных повторных заземлений — это ответственность не владельцев частных домов, а оператора распределительной электрической сети.

Прежде чем переходить к главе 2.4, завершим рассмотрение основных пунктов главы 1.7, относящихся к повторному заземлению.

ПУЭ 1.7.103:

Общее сопротивление растеканию заземлителей (в том числе естественных) всех повторных заземлений PEN проводника каждой ВЛ в любое время года должно быть не более 5, 10 и 20 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока. При этом сопротивление растеканию заземлителя каждого из повторных заземлений должно быть не более 15, 30 и 60 Ом соответственно при тех же напряжениях.

Здесь все предельно просто. Сопротивление заземлителя повторного заземления PEN проводника не должно превышать 30 Ом. А сумма сопротивлений заземлителей повторных заземлений не должно превышать 10 Ом. То есть для выполнения этого условия достаточно минимум трех повторных заземлений (30 Ом каждое), и в сумме по правилу параллельного соединения резисторов они дадут 10 Ом.

Продолжим, и наконец-то определимся с условием, когда повторное заземление PEN- проводника на вводе к электроустановкам частного дом в системе TN делать не обязательно. Нам нужно узнать, когда делаются более частые заземления по условиям защиты от грозовых перенапряжений, и ответ на это есть в пункте ПУЭ 2.4.46:

В населенной местности с одно- и двухэтажной застройкой ВЛ должны иметь заземляющие устройства, предназначенные для защиты от атмосферных перенапряжений. Сопротивления этих заземляющих устройств должны быть не более 30 Ом, а расстояния между ними должны быть не более 200 м для районов с числом грозовых часов в году до 40, 100 м — для районов с числом грозовых часов в году более 40.

Кроме того, заземляющие устройства должны быть выполнены:

1. на опорах с ответвлениями к вводам в здания, в которых может быть сосредоточено большое количество людей (школы, ясли, больницы) или которые представляют большую материальную ценность (животноводческие и птицеводческие помещения, склады);
2. на концевых опорах линий, имеющих ответвления к вводам, при этом наибольшее расстояние от соседнего заземления этих же линий должно быть не более 100 м для районов с числом грозовых часов в году до 40 и 50 м — для районов с числом грозовых часов в году более 40.

То есть по нормам в населенной местности с одно- и двухэтажной застройкой через 200 (100) метров должно быть установлено заземляющее устройство — это и есть более частые заземления по условиям защиты от грозовых перенапряжений. Соответственно в частном секторе, если выполнено вышеуказанное требование (а оно должно быть выполнено обязательно), то на вводе в дом можно не делать повторное заземление PEN проводника!

Дополнительно для полного понимания следует рассмотреть еще два пункта:

• ПУЭ 2.4.38. На опорах ВЛ должны быть выполнены заземляющие устройства, предназначенные для повторного заземления, защиты от грозовых перенапряжений, заземления электрооборудования, установленного на опорах ВЛ. Сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 30 Ом.
• ПУЭ 2.4.44. Защитные аппараты, устанавливаемые на опорах ВЛ для защиты от грозовых перенапряжений, должны быть присоединены к заземлителю отдельным спуском.

То есть не нужно считать одним и тем же повторное заземление и защиту от грозовых перенапряжений. Но если на опоре выполнено второе, то и первое должно быть выполнено. Именно из-за этой взаимосвязи во втором абзаце пункта 1.7.102 ставилось условие наличия частого заземления по условиям защиты от грозовых перенапряжений.

Справедливости ради стоит отметить, что все перечисленные требования относятся как к системе TN-C, так и к TN-C-S. Нигде конкретно не уточнено требование для какой-то конкретной системы. А нас интересует именно TN-C-S. Поэтому единственный логичный пункт с учетом выполненных частых защит от грозовых перенапряжений, который можно использовать — это 1.7.61. Его мы рассматривали первым, и он гласит, что в системе TN на вводе в частный дом рекомендуется делать повторное заземление PE проводника с ненормируемым сопротивлением. А повторное заземление PEN проводника с нормой до 30 Ом к частному дому никакого отношения не имеет и входит в ответственность оператора распределительной электрической сети.

Отсутствие нормируемого повторного заземление PEN ВЛ свидетельствует о несоответствии системы TN требованиям для населенной местности с одно- и двухэтажной застройкой. В этом случае необходимо выполнить заземление электроустановок частного дома по системе TT.

TN-C-S и для чего нужно повторное заземление PEN проводника

Если речь идет о населенной местности с одно- и двухэтажной застройкой, то повторное заземление PEN проводника на вводе в частный дом согласно ПУЭ не требуется. И никакие 4, 10 или 30 Ом вас не касаются. В штатном режиме повторное заземление PEN проводника, которое вы сделаете самостоятельно на вводе в свой дом, по сути к вам не будет иметь непосредственного отношения. Сопротивление его заземляющего устройства в совокупности со всеми повторными заземлениями будет относится к заземлению нейтрали трансформатора, а это ответственность снабжающей организации.

Давайте представим, что вы сделали повторное заземление с сопротивлением заземляющего устройства 30 Ом, и рассмотрим вариант с ЗУ 300 Ом. Какая здесь разница? Для вас, как владельца частного дома, никакой:

• При отгорании общего нуля ваши старания практически бесполезны.
• При выносе потенциала на зануленные корпуса отработает защитное отключение и без вашего повторного заземления на вводе.

Важно! Остается единственный опасный случай, когда происходит отгорание вашего PEN проводника в месте до разделения на PE и N и вынос потенциала на зануленные корпуса. Здесь ситуация такая-же, как и с занулением в двухпроводке. В этом случае даже при наличии повторного заземления никакое УЗО не сработает. Единственная надежда остается на систему уравнивания потенциалов (СУП) и расцепитель напряжения для автоматических выключателей (или реле контроля напряжения). И если представить, что ни расцепителя, ни СУП у вас нет при такой аварийной ситуации, то лучше иметь повторное заземление PE проводника с наименьшим возможным сопротивлением заземляющего устройства для снижения напряжения прикосновения.

Моделирование ситуаций с повторным заземлением

Перейдем от слов к делу и смоделируем конкретные ситуации. Начнем с трансформатора с глухозаземленной нейтралью. Нам известно, что общее сопротивление вместе со всеми повторными не должно превышать 4 Ом, а сумма всех повторных не должно превышать 10 Ом.

Так как сопротивление заземляющего устройства повторного заземления не должно превышать 30 Ом, то по правилу параллельного соединения сумма трех повторных заземлений по 30 Ом даст 10 Ом.

1/10 = x/30; x = 3.

Это минимальное количество повторных заземлений. Максимальное количество рассчитывается исходя из длины линии и числа грозовых часов в году.

Для примера возьмем минимальное количество повторных устройств заземления с общим сопротивлением 10 Ом. Зная это определим допустимое сопротивление устройства заземления нейтрали трансформатора также по правилу параллельного соединения.

1/4 = 1/x + 1/10; 5/20 = 1/x + 2/20; 1/x = 3/20; x = 20/3 = 6,66 Ом.

Исходные данные известны. Перейдем к отрисовки системы в программе Electronics Workbench. Сопротивление проводов воздушной линии длинной 600 метров примем равным 0,6 Ом.

На первой схеме отрисована система TN-C-S c четырьмя повторными заземлениями PEN проводника с сопротивлением ЗУ 30 Ом каждого. Четвертое повторное заземление это ваше заземление для примера. Резисторы на схеме — это условные потребители (частные дома).

На второй схеме смоделировано отгорание общего нуля. Как видно, с учетом неравномерной нагрузки произошел перекос фаз. При этом начало работать и корректировать перекос повторное заземление. Естественно, чем меньше сумма сопротивлений повторных заземлений, тем лучше. Но если учесть, что норма для всех повторных заземлений, которые должен организовать оператор распределительной электрической сети, не более 10 Ом, то сделайте вы хоть дополнительно повторное заземление 1000 Ом — сумма всех повторных все равно будет меньше 10 Ом. Здесь даже считать не обязательно, так как одно из правил параллельного соединения гласит, что общее сопротивление всегда меньше сопротивления любого параллельно включенного резистора.

На третей схеме мы изменили сопротивление нашего заземляющего устройства с 30 Ом на 300 Ом. В результате общее сопротивление возросло на несколько Ом и осталось в пределах нормируемых 10 Ом. Такое изменение привело к незначительному (на несколько вольт) ухудшению показаний по перекосу. Здесь также следует отметить, что при отгорании общего нуля дополнительно происходит вынос потенциала на зануленные корпуса. И чем ниже общее сопротивление заземлителей всех повторных заземлений, тем меньше опасное влияние при данной аварийной ситуации. Поэтому, если у вас нет желания брать на себя работу снабжающей организации по снижению общего сопротивления заземлителей повторного заземления, то делать этого никто не обязывает.

На четвертой и пятой схеме вынос потенциала на зануленные корпуса в вашем доме. В обоих случаях, как при сопротивлении заземлителя 300 Ом, так и 1000 Ом произойдет мгновенной срабатывание автоматических выключателей из-за больших токов короткого замыкания. Здесь ваше повторное заземление никакой существенной работы не выполняет.

На шестой схеме смоделировано отгорание вашего PEN проводника. При этом через какую-нибудь включенную нагрузку может произойти вынос потенциала через место разделения PEN на PE и N на все зануленные корпуса. Ваша система заземления фактически превращается в комбинацию из TT и опасного зануления. При этом никакое УЗО не сработает, так как дифференциальных токов не будет.

Здесь должен отработать расцепитель минимального напряжения (или реле контроля напряжения), так как при обрыве вашего PEN и включенной нагрузке за счет заземления произойдет падение напряжения. Без заземления данные устройства также обесточат сеть при обрыве нуля.

Теперь рассмотрим самую саму худшую ситуацию. Частный дом, человек во дворе босиком касается заземленного корпуса. Расцепителя минимального напряжения нет, а СУП не работает. В этом случае нужно понимать, что на улице нужно использовать оборудование соответствующего класса электробезопасности. В противном случае единственной надеждой будет только заземление, значительно снижающее напряжение прикосновения. И здесь никакие нормы по повторному заземлению PEN проводника не применимы. Самое надежное заземляющее устройство в такой аварийной ситуации то, которое будет иметь наименьшее сопротивление.

Допустим, что до момента отгорания PEN в доме была включена нагрузка с током потребления 2 А. Соответственно сопротивление потребителя 110 Ом. Рассмотрим два варианта с повторным заземлением – 30 Ом и 4 Ом сопротивление заземлителя.

Как видно, при минимальном сопротивлении заземлителя (условно 4 Ом) значительно снижается напряжение прикосновения. Это важно, так как защитное отключение здесь не работает.