Системи мереж низької напруги

Міжнародною Електротехнічною Комісією (МЕК) рекомендована класифікація мереж низької напруги залежно від уземлення нейтралі джерела живлення (вторинної обмотки силового трансформатора), способу уземлення корпусів обладнання та способу використання нейтрального проводу.

Для позначення різних систем використовують літери латинського алфавіту. Першою літерою позначають стан уземлення нейтралі вторинної обмотки трансформатора живлення – ізольована від землі чи безпосередньо з’єднана з землею. Літерою І (від французького "іsole" - ізольований) позначають систему з ізольованою нейтраллю чи з нейтраллю, приєднаною до пристрою уземлення через великий опір R_П. Якщо нейтраль ізольована, то між нейтраллю (або однією з фаз за її відсутності) та пристроєм уземлення встановлюють апарат для захисту від переходу вищої напруги з первинної обмотки трансформатора на обмотку нижчої напруги у випадку пошкодження ізоляції між ними. Літерою Т (від французького "terre" - земля) позначають систему з глухим (безпосереднім) приєднанням нейтралі вторинної обмотки трансформатора до пристрою уземлення підстанції.

Другою літерою позначають спосіб приєднання корпусів обладнання до пристроїв уземлення. Літерою Т (terre) позначають систему з приєднанням корпусів обладнання до пристроїв місцевого уземлення, а літероюN (neutre - нейтраль) - систему з прокладеним нейтральним проводом, що може використовуватися як спільний робочий та захисний (і позначається PEN), або окремо як робочий (позначається N) і як захисний (позначається PE). Систему із сумісним (спільний робочий та захисний) нейтральним проводом позначають третьою літерою С (від французького "confondu" - змішаний, суміщений), тобто TN-C, а систему з окремими робочим і захисним провідниками позначають літерою S (від французького "separe" - окремі), тобто TN-S.

Згідно цієї класифікації розрізняють наступні системи мереж низької напруги: ІT, TT, TN-S, TN-C та похідну від двох останніх TN-C-S. Розглянемо їх особливості.

Система ІТ є системою з ізольованою нейтраллю та приєднанням корпусів обладнання до місцевих пристроїв уземлення з опором R_U. Можливі варіанти схем системи ІТ показані на рис.4.1. Система ІТ характеризується малим значенням струму замикання однієї з фаз на землю, що дорівнює потрійному значенню струму спливу фази у нормальному режимі і обмежується поперечними параметрами мережі (опором ізоляції мережі). Такий режим не є аварійним і споживачі не відчувають ніяких змін. Однак, якщо в схемі за рис. 4.1,а) в нормальному режимі напруга фаз відносно землі дорівнює 220 В, то в режимі замикання однієї з фаз на землю напруга двох неушкоджених фаз підвищується в разів і дорівнює 380 В. Умови безпеки внаслідок цього в схемі значно погіршуються. Для випадку живлення мережі від обмоток трансформатора, з'єднаних у трикутник (рис. 4.1, в), напруга між фазами дорівнює 220 В. Отже, за умови замикання однієї з фаз на землю, напруга двох інших фаз відносно землі не буде перевищувати 220 В і умови безпеки не погіршуються.

Рис.4.1. Схеми мереж за системою ІТ:

а) чотирипровідна мережа з живленням від обмотки, з'єднаної у "зірку";

б) трипровідна мережа з живленням від обмотки, з'єднаної у "зірку";

в) трипровідна мережа з живленням від обмотки, з'єднаної у "трикутник";

Перше пошкодження в мережах системи ІТ не відчувається пристроями струмових захистів (тих, що реагують на збільшення струму). За умовами експлуатації такі пошкодження повинні бути усунені за короткий час, оскільки поява другого пошкодження в іншій фазі (можливо й у іншому місці) є причиною появи аварійного режиму, який викликає спрацювання максимального струмового захисту і вимкнення ділянки мережі. Основними проблемами в мережах за системою ІТ є підтримання їх у початковому справному стані, тобто з ізольованими від землі фазами, швидке виявлення та усунення однофазних замикань. Друге пошкодження може бути віддалене від першого на велику відстань і аварійний струм може бути недостатнім для спрацювання струмових захистів. Такий стан може призвести до появи пожеж як наслідок нагрівання шляху проходження струму, до того ж у неочікуваному місці.

Система ТТ з уземленою нейтраллю та уземленими корпусами обладнання (рис.4.2.) характеризується більшим, ніж у системі ІТ, струмом однофазного замикання на землю, значення якого обмежується в основному опорами пристроїв уземлення підстанції і споживача та опором нульової послідовності силового трансформатора, що залежить від схеми з'єднань його обмоток.

Рис.4.2. Схема мережі за системою ТТ

Струми однофазного пошкодження в системі ТТ значно більші, ніж у системі ІТ, однак вони суттєво обмежені опорами заземлень R_П та R_u, тому традиційні струмові захисти (запобіжники, автоматичні вимикачі з тепловими та електромагнітними розчіплювачами) можуть виявитися недостатньо чутливими для їх надійного вимкнення. Таким чином, перевага з обмеження струму однофазного КЗ перетворюється у недолік через неможливості їх швидкого вимкнення. Через цю особливість система ТТ в Україні не використовується.

Система TN може бути реалізована у вигляді одного з її різновидів:TN-C,TN-S, TN-C-S.

Позначення TN-C відповідає такій системі, в якій нейтраль джерела приєднана до "землі" (контура заземлення підстанції), нейтральний провід приєднують до нейтралі джерела, а корпуси обладнання приєднують до нейтрального проводу - виконують захисний захід "занулення" (рис. 4.3). Цей провід одночасно використовують також як робочий для приєднання, наприклад, однофазних електроприймачів. Для підвищення рівня безпеки виконують повторні заземлення нульового проводу вздовж магістральної лінії електропередачі, що зменшує опір заземлення.

Рис.4.3. Схема мережі за системою ТN-C

Таким чином, нейтральний провід PEN використовують і як робочий N, і як захисний PE, що відображено у позначенні типу системи літерою С.

У випадку однофазного замикання на корпус у системі TN-C струм обмежений, в основному, опором нульової послідовності, який залежить від схеми з'єднання обмоток трансформатора, а також від величини опору контактного переходу в точці замикання. Значення струму металевого КЗ може бути від (3-5)І_{ном Т}. (для схеми з’єднання обмоток трансформатора "зірка - зірка-нуль"), до 17 І_{ном Т} (для схеми "трикутник - зірка-нуль") та до 27 І_{ном Т}. (для схеми " зірка - зигзаг").

Значна частина мереж у системі TN-C живиться від обмоток трансформаторів зі з'єднанням обмоток за схемою "зірка - зірка-нуль". Струми однофазного замикання, додатково обмежені також перехідним опором в точці КЗ, можуть бути недостатніми для спрацювання пристроїв струмового захисту (запобіжників, автоматичних вимикачів).

Існування таких режимів може бути причиною появи на корпусах обладнання відносно високих потенціалів і певної небезпеки для персоналу. Крім того, можлива поява різниці потенціалів між корпусами обладнання в умовах протікання значного струму через нульовий провідник РEN.

В цій системі особливо небезпечні умови виникають у випадку обриву нульового проводу. На однофазних електроприймачах, приєднаних на фазну напругу, може з’явитися напруга або більша від робочої 220 В, або значно менша. Такий режим є небезпечний як для обладнання, так і для людей, оскільки на занулених корпусах може з’явитися небезпечна напруга.

Використання пристроїв захисного вимкнення (ПЗВ) безпосередньо в мережах за системою TN-C є неможливим, оскільки у режимі несиметричного навантаження частина струму нульового проводу може замикатися через повторні уземлення та “землю”. Якщо є потреба використати ПЗВ, то треба перейти до іншої системи (TN-S, TT).

Система TN-S відрізняється від системи TN-C тим, що до заземленої нейтралі джерела живлення приєднані не один, а два нейтральних провідники: один - робочий, позначений літерою N, а другий - захисний, позначений РЕ. Загальна кількість провідників у цій системі становить 5: три фазних, і два нейтральних (рис.4.4.).

Рис.4.4. Схема мережі за системою ТN-S

Наявність двох нейтральних провідників - робочого N, в якому протікають робочі струми, і захисного PE з повторними уземленнями, до якого приєднані корпуси обладнання, дозволяє суттєво підвищити рівень безпеки порівняно з системою TN-C. Крім того, в мережах з системою TN-S широко застосовують пристрої захисного вимкнення, чим досягається не лише значне підвищення рівня безпеки для людей, а також можливість попередити виникнення пожежі внаслідок дії струмів однофазних замикань на землю у місцях пошкодження ізоляції, до яких максимальні струмові захисти є нечутливими.

Недоліком системи TN-S є збільшення витрат на мережу (необхідно прокладати додатковий провідник), а також на комутаційні апарати, у яких рекомендується застосовувати додатковий полюс у нульовому робочому проводі. Цей захід попереджує можливість появи напруги в нейтралі (незалежно від причини) на вимкненому обладнанні, що важливо для безпечного виконання на ньому налагоджувальних, ремонтних чи інших робіт.

У разі необхідності можна перейти від системи TN-C до системи TN-S.

Мережа, в якій виконаний такий перехід, відноситься до системи TN-C-S. Для здійснення переходу у відповідній точці мережі за системою TN-C (як правило, в розподільчому щитку) необхідно зробити повторне уземлення провідника PEN і після цього вивести окремо робочий N та захисний РЕ провідники (рис 4.5.). Провід N бажано відразу провести через спеціальний полюс чотириполюсного комутаційного апарату, що виробляє промисловість спеціально для мереж системи TN-S.

В системі TN-C-S можна поєднати переваги складових систем: у головній її частині від підстанції до ввідних пристроїв для живлення пунктів розподілу використовують систему TN-C, для виконання якої необхідні менші капіталовкладення, а на рівні розподільних шаф та щитків від розподільних пристроїв до приймачів застосовують систему ТN-S, яка надає можливість застосовувати ПЗВ для електроприймачів та споживачів.

Рис.4.5. Схема мережі за системою TN-C-S та перехід від системи

TN-C до системи TN-S.