Особливості функціонування та розрахунку системи заземлення TN

Система заземлення TN, та її різновиди TN-S, TN-C, TN-C-S є вдосконаленням і уніфікацією класичного поняття занулення на основі діючих стандартів Міжнародної електротехнічної комісії (МЕК).

Відповідно ГОСТ 12.1.009-79, який утратив силу [31], занулення – навмисне з’єднання з нульовим захисним провідником металевих неструмоведучих частин, які можуть виявитися під напругою. Занулення є ефективним заходом захисту при живленні електрообладнання від чотирипровідних мереж з глухозаземленою нейтраллю джерела живлення напругою до 1 кВ (звично напругою 220 / 380 В).

Принцип дії система заземлення TN (занулення) полягає в перетворенні пробою фази на корпус електрообладнання в однофазне КЗ з метою викликати великий струм однофазного КЗ, здатного забезпечити спрацювання ПМСЗ й автоматично вимкнути пошкоджену електроустановку від мережі живлення. Тобто основна вимога до занулення – викликати спрацювання максимального струмового захисту. До ПМСЗ відносяться плавкі вставки запобіжників, струмові автомати, магнітні пускачі зі вмонтованим тепловим захистом, контактори в поєднанні з тепловим реле, автомати з комбінованими розчіплювачами.

Схема системи заземлення TN (див. рис. 12, а, б: зліва, рис. 17, а, б) має глухе заземлення джерела живлення (робоче заземлення) R_р. Захисний провідник (РЕ-провідник чи РЕN-провідник) повітряної лінії (ПЛ) електропередачі має повторне заземлення R_п, виконане на деякій відстані від трансформатора живлення (на кінці ПЛ довжиною більше 200 м, а також на вводі від ПЛ до електроустановки, яка підлягає зануленню. Вказані повторні заземлення виконують тільки у тому випадку, якщо на ПЛ відсутні заземлювачі, призначені для захисту від грозових перенапруг, або їх недостатньо для виконання умови ПУЕ відносно загального опору всіх заземлювачів, приєднаних до РЕN-провідника кожної лінії (табл. 2).

Робоче (функціональне) заземлення R_р в трифазній мережі до 1 кВ – це заземлення нейтралі силового трансформатора (СТ) або генератора, необхідне для забезпечення роботи електроустановки. Вказане заземлення служить для зниження напруги РЕ(РЕN)-провідника і з’єднаних з ним корпусів обладнання відносно землі при замиканні фази на землю. Нейтраль СТ приєднується до робочого заземлювача (R_p) захисним заземлюючим провідником. Як правило, це смугова чорна сталь, переріз якої залежить від потужності СТ, але не повинна бути менше 100 мм² і товщиною стінки 4 мм (рис. 19). Робочий заземлювач повинен бути розташований у безпосередній близькості від СТ. Розрахунок робочого заземлювача проводиться лише за опором розтікання.

Як робоче заземлення насамперед використовуються природні заземлювачі за умови густини розрахункового струму, що протікає по ним. Штучні заземлювачі переважно виготовляють з чорної сталі без покриття або з покриттям, із нержавіючої сталі або із міді. Штучні заземлювачі не фарбують. Матеріал, що використовується для заземлювачів і заземлювальних провідників повинен бути електрохімічно сумісний з матеріалом з’єднувальних і контактних елементів.

Поперечний переріз заземлюючого провідника, який з’єднує заземлювач робочого (функціонального) заземлення з головною заземлювальною шиною (ГЗШ), повинно відповідати вимогам стандартів виробника обладнання та бути не менше 10 мм² – для міді, 16 мм² – для алюмінію, 75 мм² – для сталі. В електроустановках напругою вище 1 кВ електричної мережі з ізольованою, компенсованою або заземленою через резистор нейтраллю провідність заземлювальних провідників повинна складати не менше 1/3 провідності фазних провідників. Як правило, не вимагається застосовувати мідні провідники перерізом більше 25 мм², алюмінієві – більше 35 мм², стальні – більше 120 мм². В електроустановках напругою вище 1 кВ з глухозаземленою або ефективно заземленою нейтраллю поперечний переріз заземлювальних провідників необхідно вибирати таким чином, щоб у випадку протікання через них найбільшого струму однофазного замикання на землю температура заземлювальних провідників не перевищувала 400°С – короткочасне нагрівання, яке відповідає повному часу дії основного захисту та відключення вимикача.

Для заземлення нейтралі СТ на стороні нижчої напруги (до 1кВ) може використовуватися заземлювач захисного заземлення на стороні вищої напруги (вище 1кВ).

Нейтраль СТ на стороні до 1кВ повинна бути приєднана до заземлювача і виведена на щит керування розподільчого пристрою (РП). Це здійснюється спеціальним провідником, який на даному відрізку є одночасно робочим і захисним. Якщо фази від СТ виводяться на цей щит керування шинами (або ізольованими проводами), то нульова точка повинна бути виведена шиною на ізоляторах (або ізольованим проводом); при виводі фаз кабелем нульова точка виводиться четвертою жилою кабелю.

Рис.19. Заземлення нейтралі СТ

Повторне заземлення R_п – це заземлення, виконане через певні проміжки по всій довжині РЕ(РЕN)-провідника. Повторне заземлення не впливає на вимикання пошкодженого електрообладнання. Однак воно дозволяє додатково знизити напругу РЕ(РЕN)-провідника і з’єднаних з ним корпусів електрообладнання відносно землі при замиканні фази на корпус як при нормальному режимі, так і при обриві захисного провідника. Із цього випливають такі висновки:

1) всі з’єднання захисного провідника(РЕ(РЕN)-провідника) виконують зварними;

2) до корпусів електрообладнання РЕ(РЕN)-провідник приєднується зварюванням або за допомогою болтів:

3) в захисний провідник (в РЕ(РЕN)-провідник) заборонено встановлювати вимикачі, запобіжники та автомати;

4) заборонено послідовне з’єднання корпусів при зануленні;

5) гвинтову частину лампових патронів і пробкових запобіжників належить підключати до РЕ(РЕN)-провідника, а фазний провідник через вимикач – до контакту в основі конструкції світильника;

6) допускається ПУЕ застосовувати вимикачі, які одночасно з вимкненням РЕ(РЕN)-провідника відключати і всі фазні провідники.

Якщо в РЕN-провіднику, який з’єднує нейтраль джерела трифазного струму з шиною РЕN розподільного щита напругою до 1 кВ, встановлений трансформатор струму, то заземлювальний провідник слід приєднувати не до нейтралі джерела безпосередньо, а до РЕN-провідника і, при можливості, зразу за трансформатором струму. У такому випадку поділ РЕN-провідника на РЕ- і N-провідники в системі TN-S слід виконувати також зовні трансформатору струму. Трансформатор струму належить розміщувати в безпосередній близькості до виводу нейтралі джерела живлення.

Вивід РЕN- або N-провідника від нейтралі джерела на розподільний пристрій слід здійснювати: при виводі фаз шинами – шиною на ізоляторах; при виводі фаз кабелем (проводом) – жилою кабеля (провода) [18].

Система заземлення TN (система занулення) повинна забезпечити надійність спрацьовування захисту за долі секунди. Умовою цього є співвідношення:

І_к.з. / І_ном. ³ k, (48)

де І_к.з. – струм однофазного КЗ (ток між фазним і РЕ(РЕN)-провідником); І_ном.– номінальний струм ПМСЗ; k – регламентований ПУЕ коефіцієнт, що означає кратність струму КЗ відносно струму уставки:

a) k ³ 3 – при захисту плавкими запобіжниками або автоматами, які мають тепловий розчіплював з обернено залежною від струму характеристикою (подібною характеристиці запобіжників);

b) k ³ 1,5 – при релейному захисті (автомати мають тільки електромагнітний розчіплювач).

Друга умова надійності спрацьовування захисту: провідність РЕN- або N- провідника від нейтралі джерела живлення до розподільного пристрою повинна бути не менше 50% провідності вивідного фазного провідника (за колишнім ПУЕ).

Сутність другої вимоги полягає в тому, що автоматичний захист може не спрацювати коли струм замикання на корпус менше струму відключення (уставки) і в колі фазний провідник – захисний провідник (РЕ(РЕN)-провідник) буде протікати значний струм, що викличе небезпечну напругу на корпусі електрообладнання відносно землі. Відповідно до стандарту [6], гранично допустимі значення напруг дотику і струмів при аварійному режимі виробничих установок напругою до 1кВ з глухозаземленою або ізольованою нейтраллю і вище 1кВ з ізольованою нейтраллю не повинні перевищувати значень, вказаних в табл. 8.

Таблиця 8

Гранично допустимі значення U_д і I при аварійному режимі

Нормована величина	Гранично допустимі значення, не більше, при тривалості дії струму Dt,с
0,01- 0,08	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	> 1,0
Uд , В
I, мА

Потрібно відзначити, що середні гранично допустимі значення напруг дотику і струмів при аварійному режимі побутових установок приблизно в три рази менші за відповідні значення виробничих установок. Зокрема, при тривалості дії струму більше 1 с відповідні величини, нормуються так: U_д = 12 В, I = 2 мА.

Очевидно, якщо провідність РЕ(РЕN)-провідника буде задовольняти вимогам ПУЕ (не менше 50% провідності вивідного фазного провідника) то при нормованих значеннях робочого заземлення (для кабельної лінії) або робочого та повторного заземлення (для ПЛ), напруга на корпусі електрообладнання, яке знаходиться в аварійному стані, не буде перевищувати допустимі напруги дотику.

На практиці працездатність системи заземлення TN (занулення) перевіряють вимірюванням опору петлі фазний-нульовий провідник. Для цього використовують метод амперметра-вольтметра або відповідні прилади для виміру малих опорів: М 417, МZC-200, ATK-520В, ИФН-200, ЦК 0220 тощо.

При виконанні розрахунку схеми занулення електроустановки на вимикальну здатність необхідно визначити величину струму однофазного КЗ [32]. Від цього струму спрацьовує ПМСЗ і вимикає пошкоджене електрообладнання.

Запишемо формулу для струму КЗ в комплексній формі:

, (49)

де – фазна напруга мережі; Z_т / 3 – комплекс загального опору обмотки трифазного трансформатора, Z_з – комплекс загального опору петлі “фаза-нуль”. Загальний опір петлі “фаза-нуль” розкладемо на складові в алгебраїчній формі, тобто Z_з= Z_ф + Z_p + j X_в = (r_ф + j x_ф) + (r_p + j x_p) + j x_в = (r_ф + r_p) + j (x_ф + x_p + x_в). Звідси модуль загального опору петлі “фаза-нуль” визначається виразом:

z_з = = , (50)

де r_ф, r_p – активні опори фазного та захисного РЕ(РЕN)-провідника; x_ф, x_p – внутрішні індуктивні опори фазного провідника та РЕ(РЕN)-провідника; x_в – опір взаємоіндукції (зовнішній індуктивний опір петлі “фаза-нуль”).

В практиці проектування визнано модулі опорів обмотки трансформатора і петлі “фаза-нуль” складати арифметично, в результаті чого дійсне значення (модуль) струму КЗ буде мати такий вигляд:

(51)

Похибка розрахунку за отриманою формулою біля 5 % в сторону зменшення струму КЗ, тобто в сторону запасу.

У випадку ПЛ, які виконані з кольорових металів (міді, алюмінію), внутрішніми індуктивними опорами (x_ф, x_p) можна знехтувати, зважаючи на їх малість (біля 0,0156 Ом / км). Отож, для повітряної мережі з глухозаземленою нейтраллю джерела живлення маємо

(52)

Якщо ПЛ виконана стальними проводами, то їх внутрішній індуктивний опір виявляється достатньо великим. При протіканні змінного струму по стальному провіднику змінюється магнітна проникність m сталі та проявляються явища гістерезису та поверхневого ефекту. У зв’язку з цим складно визначити активний та внутрішній індуктивний опір стальних провідників, які залежать від поверхневої густини струму [12]. Струм КЗ для ПЛ, яка виконана стальними проводами визначається виразом:

(53)

де – внутрішній індуктивний опір петлі “фаза-нуль”.

Зазначимо, що опір обмотки силового трансформатора Z_т / 3 суттєво залежить від виду охолодження трансформатора (сухий або маслонаповнений), потужності трансформатора, схеми з’єднання його обмоток, величини напруги первинних обмоток трансформатора. Розрахунковий опір Z_т / 3 обмотки силового масляного трансформатора загальної потужності S номінальної первинної напруги U_н за певною схемою з’єднання обмоток наведений в табл. 9 [12].

Таблиця 9

Розрахункові опори Z_т / 3 обмоток масляних