Зачем PEN-проводник разделяется на нейтраль и заземление? Почему после разделения нельзя соединять PE и N? Разберём несколько примеров работы заземления, в которых рассмотрим систему TN-C-S и систему ТТ, а также разберём, почему так важно совместно с заземлением применять выключатели дифференциального тока.
Как преобразуется и распределяется электроэнергия?
Сначала разберёмся, собственно с тем, а откуда этот PEN-проводник берётся? Возьмём для примера, силовой трансформатор, установленный в комплектной трансформаторной подстанции (КТП), который состоит из общего магнитопровода и шести обмоток.
Магнитопровод и обмотки трансформатора
Три обмотки будут обмотками высокого напряжения, а остальные три – низкого напряжения. Поместим их на магнитопровод.
Схем подключения может быть несколько. Но в большинстве случаев используют схему, где высоковольтные обмотки подключаются по схеме треугольник, а низковольтные – по схеме звезда.
При соединении обмоток по схеме треугольник, мы, конец каждой обмотки подключаем к началу другой. Низковольтные обмотки мы подключаем по схеме звезда, где концы каждой из обмоток соединяются в нейтральной точке.
Благодаря такому подключению, мы получили нейтраль трансформатора. Теперь, если мы её заземлим, то получим глухозаземлённую нейтраль.
Чуть позже мы поговорим об этом подробнее, и вы поймёте, для чего нужно заземлять нейтраль. Далее от силового трансформатора КТП обычно выводится четыре проводника – это три фазы и один PEN-проводник (совмещенный рабочий и защитный).
Как работает электрощит и зачем разделять PEN-проводник?
К линиям электропередачи подключаются потребители, например, бытовые потребители в частных жилых домах. Дома во вводном распределительном устройстве (ВРУ) три фазных проводника подключаются к вводному автоматическому выключателю, а PEN-проводник подключается к двум шинам, которые соединены между собой перемычкой.
Целью использования PEN-проводника (совмещенного нейтрального N и защитного РЕ) является упрощение системы заземления, а также снижение затрат на монтаж и обслуживание электрической сети.
Однако следует учитывать, что использование PEN-проводника требует более строгого соблюдения правил электрической безопасности. Ведь любое нарушение или повреждение PEN проводника может привести к серьёзным последствиям для здоровья и жизни людей. Далее, мы рассмотрим всё более подробно.
Теперь PEN-проводник разделён на PE и N, при этом шина PE повторно заземляется, а также имеет непосредственный контакт с металлическим корпусом ВРУ. Шина N монтируется на изоляторах. Позже мы разберём, для чего это делается, но перед этим стоит затронуть маленький нюанс.
Каковы требования нормативных документов?
В соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) и ГОСТ Р 50571.2-94, PEN-проводник представляет собой объединение нулевого рабочего (N) и нулевого защитного (PE) проводников в одном проводнике, который используется в системах заземления и электрической безопасности.
Точнее, в PEN проводнике функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников объединены (п.312.2)
Различие систем заземления
Строго говоря, согласно данному ГОСТ, системы заземления могут быть следующих типов: TN-S, TN-C, TN-С-S, TT, IT.
Примечательно, что PEN-проводник по определению может быть только в системах TN-C и TN-C-S, где происходит совмещение функций N и РЕ проводников на определенном участке электросети.
В системах TN-S, TT и IT переменного тока PEN-проводника не существует.
Подключение в распредщите
В нашем случае при использовании TN-C-S, которая применяется в подавляющем большинстве современных зданий, подключение будет выглядеть примерно так:
От вводного рубильника подключены три распределительные шины, от которых, в свою очередь, подключён блочный автоматический выключатель. Затем от ВРУ выходит пять проводников – три фазных, нейтраль и заземление.
Ключевой момент: разделение происходит на вводе в здание (в вводном щите или щите учета). Если вы, живя на 8-м этаже, притянули из подъездного щитка третий проводок, прикрученный к корпусу щита, то это совсем не означает, что вы сделали себе TN-C-S.
После ВРУ, проводники заводятся в распределительный щит, где фазные проводники подключаются к водному автомату, а заземление и нейтраль подключаются к кросс-модулям, которые никак друг с другом не соприкасаются. После чего заземляется сам металлический корпус распредщита.
Таким образом, мы получили наиболее распространённую систему заземления, которая используется в России – систему называется TN-C-S.
Зачем это нужно?
Для объяснения принципа работы нам осталось добавить один групповой автомат и нагрузку в виде лампы. После этого подключаем к лампе фазный проводник и нейтраль. В нашем примере у светильника имеется металлический корпус, который заземляется, поэтому мы подключим его к кросс-модулю заземления.
Теперь разберём, для чего же мы разделяем PE и N? Допустим, что мы подключаем к распределительному щиту нагрузку – обычную лампу накаливания.
В нормальных условиях при подаче напряжения, ток проходит через блочный автомат в ВРУ. Затем ток попадает в распределительный щит на вводный автомат, а затем на групповой автомат. После прохождения нагрузки электрический ток попадает на кросс-модуль нейтрали. Далее он попадает в ВРУ и через PEN-проводник возвращается к источнику тока.
В нашем случае таким источником является силовой трансформатор в КТП 10/0,4 кВ.
При замыкании фазного проводника на корпус светильника (это опасная авария!), ток от группового автомата начинает протекать через заземлённый корпус и попадает на кросс-модуль заземления. Уже после этого, проходя через PEN-проводник в ВРУ, ток возвращается к источнику.
Поскольку на данном пути имеется условно низкое сопротивление, например, 0,7 Ом, то сила тока в это же время начнёт моментально расти и происходит короткое замыкание, что приведёт к срабатыванию электромагнитного расцепителя автоматического выключателя.
Зачем нужна перемычка?
Однако, как же будет работать схема, если у такой системы убрать перемычку? Будет то, что система TN-C-S, превратится в систему ТТ. То есть в такой системе вместо PEN-проводника имеется нейтральный проводник N, к которому подключается нагрузка, а открытые проводящие части заземлены с помощью заземляющего устройства и защитного проводника РЕ.
Куда же при схеме ТТ потечёт ток при замыкании на корпус? Так как у нас отсутствует непосредственный контакт нейтрали с заземлением, то не произойдёт короткого замыкания.
Точнее, замыкание на землю произойдёт, но его ток может быть недостаточен для мгновенного срабатывания автоматического выключателя.
В это же время все заземлённые части электрооборудования оказываются под напряжением. При этом электрический ток будет стекать в землю через заземляющее устройство, возвращаясь к трансформатору.
Однако из-за высокого сопротивления на этом пути величина тока может быть небольшой - например, в пределах 1–10 А. Если номинал группового автомата равен 16 А, то даже при полном замыкании на корпус щита, он не сработает. Даже по тепловому расцепителю.
Как защитить проводку и человека?
По этой причине совместно с системой ТТ необходимо использовать выключатель дифференциального тока (ВДТ, другое название - УЗО).
Принцип работы ВДТ заключается в том, что он сравнивает ток на фазном проводнике с током на нейтральном проводнике, и при наличии разницы разрывает цепь.
Однако не стоит забывать, что выключатель дифференциального тока не защищает от короткого замыкания и перегрузки, поэтому совместно с ним обязательно нужно использовать автоматический выключатель.
При этом номинал автоматического выключателя должен быть на ступень ниже, чем номинал ВДТ. Это необходимо для того, чтобы при перегрузке ВДТ не вышел из строя.
На самом деле, можно выбирать ток ВДТ равным току автомата, но тема эта спорная, подробно об этом - в статье:
А от какого тока на самом деле срабатывает УЗО, я рассказывал тут:
Чем опасна перемычка в распредщите?
Здесь мы приблизились к главному вопросу – почему после разделения PEN-проводника на PE и N проводники, запрещено их соединять снова? Заземление играет ключевую роль в обеспечении безопасности электрических систем, снижая риск поражения электрическим током и уменьшая вероятность пожаров.
Защищая от повреждений оборудование, правильное заземление не только защищает людей и имущество от опасности, но и обеспечивает более стабильную и безопасную работу электрических систем в целом.
Что произойдёт, если после разделения соединить шинки заземления и нейтрали? Электрический ток будет протекать через кросс-модуль нейтрали, после чего через PEN-проводник он вернётся к источнику. Но в это же время ток будет протекать через кросс модуль заземления точно также, возвращаясь к источнику. Параллельно ток пройдёт через металлический лоток, по которому проложены кабеля.
Значит, если в это время, за два щита взяться руками, то появится ещё один путь – через тело человека.
Поэтому нам необходимо, чтобы ток в нормальном режиме протекал лишь по одному пути – от распределительного щита к нагрузке, а затем через кросс-модуль нейтрали и наконец, через ВРУ, возвращаясь к источнику по PEN-проводнику.
Обрыв нейтрали
Рассмотрим ещё один пример с системой TN-C-S. Для этого представим, что нейтральный проводник в распределительном щите отгорел. Куда потечёт ток? Ток, теперь будет протекать через нагрузку на кросс-модуль нейтрали, а далее, через кросс-модуль заземления, он попадёт в ВРУ, после чего, ток вернётся к трансформатору.
Однако стоит нам убрать перемычку между кросс-модулем заземления и нейтрали, то электрическая цепь разомкнётся.
Чем опасен обрыв PEN-проводника в ВРУ?
Теперь вернём на место нейтраль в распределительном щите и смоделируем другую ситуацию – в ВРУ отгорел PEN-проводник.
Можно увидеть, что ток начинает протекать через кросс-модуль нейтрали, а далее ток попадает в ВРУ, где через заземляющее устройство он будет стекать в землю, возвращаясь к трансформатору. Понятно, что все заземлённые части электрооборудования, в том числе и корпус распределительного щита, окажутся под напряжением.
Если мы при этом попытаемся измерить величину напряжения на корпусе, то получим значительно меньшее значение. Это связано с тем, что ток теперь протекает по замкнутому контуру, где последовательно подключена нагрузка. Теперь путь, по которому сквозь грунт ток протекает к трансформатору, можно сравнить с последовательно подключёнными резисторами, которые делят между собой напряжение.
А что будет, если в это же время произойдёт замыкание на корпус? Электрический ток при замыкании на корпус также потечёт через корпус, а затем с помощью заземляющего устройства, будет возвращаться к источнику (силовому трансформатору в КТП).
Напомним, что к шине PE подключены все заземлённые части оборудования. В этом случае сопротивление будет низким, а это значит, что на корпусе появится напряжение в 230 В. Также при протекании тока сквозь грунт,сопротивление между двумя заземляющими устройствами будет условно в 30 Ом.
По такому пути будет протекать ток, но его силы будет недостаточно для срабатывания автоматического выключателя. В этом случае нас также выручит выключатель дифференциального тока. Как мы разобрали ранее, ВДТ сравнивает ток на фазном и нейтральном проводниках и при появлении разницы разрывает цепь.
Заключение
В этой статье были подробно, на примерах разобраны случаи, когда на корпусе электроустановки, может появиться опасное для человека напряжение. И какую роль при этом играет PEN-проводник. Также рассмотрена работа различных систем заземления в электроустановках переменного тока и важность применения защитных устройств.
Благодарность
При подготовке статьи было использовано отличное видео с канала https://www.youtube.com/@malkonsengineering
Публикации в тему:
Чем отличается "трехфазный" ноль от "однофазного", и какие опасности могут быть от обрыва разных нулей:
Другие статьи в тему:
-----------------------------------
Подписывайтесь на Дзен СамЭлектрик.ру и делитесь опытом в комментариях!
Внимание! Автор делится своим мнением и не гарантирует, что всё написанное на этой странице - истина. За ваши действия и за вашу безопасность ответственны только вы!
