6.1. Системи мереж низької напруги

Міжнародною Електротехнічною Комісією (МЕК) рекомендована класифікація мереж низької напруги в залежності 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 нейтралі обмотки трансформатора живлення. Літерою І (від французького "іsole" - ізольований) позначають систему з ізольованою нейтраллю чи з нейтраллю, приєднаною до пристрою уземлення через великий опір. У цій системі між нейтраллю (або однією з фаз за її відсутності) та пристроєм уземлення встановлюють апарат для захисту від переходу вищої напруги на обмотку нижчої напруги у випадку пошкодження ізоляції між ними. Літерою Т (від французького "terre" - земля) позначають систему з глухим (безпосереднім) приєднанням нейтралі 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 літерою N (neutre - нейтраль) - систему з 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 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.

Рис.6.1. 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";

Система ІТ є системою з ізольованою нейтраллю та приєднанням корпусів обладнання до місцевих пристроїв уземлення. Можливі схеми системи ІТ показані на рис.6.1. Система ІТ характеризується дуже невеликим струмом замикання однієї з фаз на землю, значення якого дорівнює потрійному значенню струму спливу фази нормального режиму і визначається поперечними параметрами мережі. Такий режим не є аварійним і споживачі не відчувають ніяких змін. Однак, якщо в схемі за рис.6.1,а) в нормальному режимі напруга фаз відносно землі становить 220 В, то в режимі замикання однієї з фаз на землю напруга двох неушкоджених фаз підвищується в разів і дорівнює 380В. Умови безпеки внаслідок цього в схемі значно погіршуються. Для випадку живлення мережі від обмоток трансформатора, з'єднаних у трикутник, напруга між фазами дорівнює 220В. 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.

Перше пошкодження в мережах системи ІТ не відчувається струмовими захистами. За умовами експлуатації такі пошкодження повинні бути усунені в короткий час, оскільки поява другого пошкодження в іншій фазі є причиною аварійного режиму, який викликає спрацювання максимального струмового захисту і вимкнення ділянки мережі. Основними проблемами в мережах за системою ІТ є підтримання їх у первісному стані, тобто з ізольованими від землі фазами, швидке виявлення та усунення однофазних замикань.

Система ТТ з уземленою нейтраллю та уземленими корпусами обладнання (рис.6.2.) характеризується більшими, ніж у системі ІТ, струмами однофазного замикання на землю, значення яких обмежені в основному опорами пристроїв уземлення підстанції і споживача та опором нульової послідовності силового трансформатора, що залежить від схеми з'єднань його обмоток.

Рис.6.2. 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.

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" (контуру заземлення підстанції), нейтральний провід приєднують до нейтралі джерела, а корпуси обладнання приєднують до нейтрального проводу - виконують захисний захід "занулення" (рис. 6.3). Цей провід одночасно використовують також як робочий для приєднання, наприклад, однофазних електроприймачів. Для підвищення рівня безпеки виконують повторні заземлення нульового проводу вздовж магістральної ЛЕП, що зменшує опір заземлення.

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 "зірка - зірка-ноль"), до 17 І_{ном Т} (для схеми "трикутник - зірка-ноль") 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 "зірка - зірка-ноль". Струми однофазного замикання, додатково обмежені перехідним опором в точці КЗ, можуть бути недостатніми для спрацювання пристроїв струмового захисту (запобіжників, автоматичних вимикачів).

Рис.6.3. Схема мережі за системою ТN-C

Існування таких режимів може бути причиною появи на корпусах обладнання відносно високих потенціалів і певної небезпеки для персоналу. В таких умовах внаслідок перегріву, спричиненого роботою двома фазами чи значного зниження напруги однієї з фаз, можливий вихід з ладу силових трансформаторів та трифазних двигунів. 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 220В, 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 безпосередньо в мережах за системою TN-C є неможливим. У випадках, коли в цьому є потреба, слід перейти до іншої системи (TN-S, TT).

Система TN-S відрізняється від попередньої (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.6.4.).

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 у порівнянні 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 пошкоджень ізоляції та дії струмів однофазних замикань на землю, 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 для комутацій нульового робочого проводу. Цей останній 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.

Рис.6.4. Схема мережі за системою ТN-S

У випадку 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 6.5.). Провід N бажано відразу провести через спеціальний полюс чотириполюсного комутаційного апарату, що виробляє промисловість спеціально для мереж системи TN-S.

Рис.6.5. Схема мережі за системою TN-C-S та перехід від системи

TN-C до 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, які того потребують.