Речь пойдёт о распространённом поверьи, являющимся "научно-теоретическим базисом" для множества неверных рассуждений и принятия ошибочных хозяйственных решений, среди которых — отказ от системы заземления TN-C-S.
(детализация схем рассчитана на компьютерный экран).
1. АВАРИИ НА ЛЭП В АСПЕКТЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ
С какой трудноуяснимой мыслью следует приступать к дальнейшему чтению статьи неискушенным домохозяйствующим субъектам?
Вот с этой: У абонента энергоснабжающей организации
- По фазному проводу течет ток ИНДИВИДУАЛЬНОГО потребления
- По нейтральному проводу течет ток трёхфазной РАЗНОСТИ КОЛЛЕКТИВНОГО потребления.
Не арифметической суммы, как часто приходится слышать, а разности. Или, что то же самое в геометрическом выражении — векторного сложения.
А это значит, что в идеальном случае:
Теперь рассмотрим два вида аварий, связанных с нейтральным проводом, в условиях близких к реальным.
Авария 1-го вида. Отрыв нейтрального провода на трансформаторной подстанции ("отрыв трансформаторного нуля")
Авария 2-го вида. Отрыв нейтрального провода у абонента ("отгорание щитового нуля")
2. ПОВЕРЬЕ. ЕГО ИСТОКИ И ВЛИЯНИЕ НА МИФОСФЕРУ
Широко распространённое не только в народе, но и в среде вольных электриков убеждение в том, что все перекосы фаз случаются на подстанциях, и что все они разрушительны, сложилось из смешения двух вышеописанных видов аварий: последствиям второго вида приписываются причины первого.
На основе этой нарушенной причинно-следственной связи строятся абсолютно неверные картины всеохватности бедствия, идущего от "самых начал" электроснабжения и рождаются поверья второго уровня: о взаимоперетеканиях по индивидуально заземленной нейтрали больших соседских токов; о платежах за всех соседей по "считающим по нулю" счетчикам; о выносах потенциала на заземленные корпуса "холодильников" и "стиралок" у всех абонентов сети с заземленной нейтралью и т.д. Хотя в действительности в 99% случаев разрушительные проявления перекоса фаз принадлежат второму виду и локализуются в единственной точке отвода от ЛЭП, принадлежащей либо индивидуальной трехфазной электроустановке, либо трём долевым однофазным. Условный 1% разрушительных "трансформаторных" аварий можно оставить за глухими деревнями на 5 домов и заброшенной трансформаторной подстанцией.
Неверной интерпретации аварийных событий способствует то обстоятельство, что для большинства однофазных абонентов коллективная точка трехфазного отвода находится вне зоны их персональной эксплуатационной ответственности и внимания, а потому ошибочно, в ходе облегчённых размышлений ассоциируется с самим источником электропитания.
Да и владельцы персональных трехфазных уличных щитов не все заглядывают в них для уточнения "где, чего, и у кого отгорает" и тоже большей частью укрепляют поверье фразами, вроде "Опять у них там, на подстанции...".
3. ПРОВЕРОЧНЫЕ РАСЧЁТЫ
А с электрическими величинами каких порядков мы имеем дело в реальных аварийных ситуациях? Это полезно знать, чтобы уйти от грубо оценочных и мифологически искажённых представлений об этих величинах.
Приведём результаты проверочных расчётов "перекосов фаз", или, грамотнее говоря, "несимметрии токов и напряжений", основанных на данных натурных замеров и справочников и смоделированных на так называемых "схемах замещения".
Условия замеров:
- Район - Новая Москва
- Трансформаторная подстанция - КТП 630 кВА, 10-0,4 кВ,
- ВЛ - без повторного заземления нейтрали
- Магистральный провод - СИП 25мм2
- Основной грунт - суглинок тугопластичный
- Дата замеров - июль 2024 г.
- Измерительный прибор - ИФН-300
Для моделирования аварийных ситуаций использована специальная программа для расчёта и анализа работы электрических схем "Tina-TI" от компании Texas Instruments. В модели использованы параметры источника электроэнергии, рекомендованные производителем ПО, но с небольшой коррекцией, допустимой для данной задачи: амплитудное значение 311V (действующее 220V) для простоты восприятия заменено на действующее напряжение 230V, принятое за норму по ГОСТу 29322-2014. Кто хочет изучать явления в амплитудных значениях по ГОСТу, умножает действующее на 1,41.
Внутреннее сопротивление обмоток трансформатора получено из справочника.
Сопротивления проводов для "Абонента" вычислены по формуле: удельное_R_алюминия*длина_провода/сечение_жилы=0,028*276/25=0,309 Ом, что близко к значениям натурных замеров; для "Соседей" — суммарные среднестатистические.
Единицы измерения, обозначенные на схемах цифрами без букв, — это Омы. С буквой m — делённые на 1000 (300m = 0,3 Ом), с буквой k — умноженные на 1000 (10k = 10 000 Ом)
Модель 1
Отрыв трансформаторного нуля. Повторное заземление нейтрали у абонентов отсутствует (система TT).
Т.к. при симметричной "соседской" нагрузке ток в нейтрали "Абонента" близок к нулю, то придадим ей заведомо большу́ю асимметрию, чтобы убедиться, что даже и при ней аварийные последствия не столь велики. Уставки, рекомендованные производителями реле контроля напряжений — от 180 до 260V.
Модель 2
Отрыв трансформаторного нуля. Повторное заземление нейтрали у одного абонента есть (система TN-C-S).
Видно, что при наличии повторного заземления нейтрали у одного "Абонента" последствия аварии еще более нивелированы во всей сети. В частности, напряжение на нейтрали упало в два раза у абонента и, соответственно, во всей сети.
Список последствий аварии для данных условий:
- Напряжение прикосновения "корпус-земля" может составить несколько вольт от 24V на дальнем конце линии.
- Нагрузка на заземление (провод+кубометры грунта на участке протяженностью 190 м) составит 24,23V * 15,15A = 0,376кВт. Это в тридцать с лишним раз меньше, чем способен выдержать медный провод заземления сечением 6мм2, а нагрузочную способность грунта можно не учитывать.
А если все эти значения поделить на два, на три, на четыре,.. т.е. привести показатели в соответствие с действием закона "нормального распределения" — исключить из модели постоянно действующий большой "соседский перекос", то и говорить не о чем.
Модель 3
Отрыв щитового нуля. Повторное заземление нейтрали у абонента есть (система TN-C-S).
Показательно усилим асимметрию нагрузки у "Абонента". Для сравнения обозначим результаты действия этой же модели без повторного заземления нейтрали (TT):
Это самая интересная модель. Во-первых, потому что она демонстрирует эффективность системы заземления TN-C-S, а во-вторых, потому что воспроизводит типичную для бытовых электроустановок аварийную ситуацию.
Модель 4
Аварий нет (система TN-C-S)
Ну, и в довершение моделирования — работа электроустановки без каких-либо отрывов, но с показательно большими асимметриями нагрузок. Интересовать нас в этом случае будут только показатели для PE проводника.
4. ВЫВОДЫ И ОБОБЩЕНИЯ
- В подавляющем числе случаев "отгорания нуля" происходят на абонентском отводе, а не на трансформаторной подстанции. Помогите отыскать в интернете фотографию отгоревшей трансформаторной нейтрали — мне не удалось. А фотографий щитовых аварий — в избытке.
- Чем больше соседских приборов подключено к поселковой сети, тем равномерней распределяются нагрузки по фазам, и тем ниже ток в нейтральном проводнике. Поэтому коллективная нагрузка "всей улицы" не может быть причиной повышенных платежей по однофазным счётчикам, автоматически переключающимся на учет расхода "по нулю" при отсутствии расхода "по фазе". Ровно наоборот. А по поводу верного подключения прибора учета и его настройки следует разбираться с сетевой организацией.
- Особенно эффективной система заземления TN-C-S оказывается для самой распространенной и серьезной аварии отрыва нейтрали — в точке ближайшего к абоненту отвода. В отличие от электронного реле контроля напряжения, способного лишь на отключение аварийной электроустановки, заземление нейтрали предотвращает саму аварию. При этом мерцающими осветительными приборами вы, вероятнее всего, будете "извещены" об аварии.
- TN-C-S эффективна даже в условиях присоединения электроустановки к незаземлённой поселковой ЛЭП и отсутствия соседских повторных заземлений нейтрали.
- TN-C-S может обеспечить работоспособность некоторых автоматических выключателей при полном отрыве нейтрали (см. в испытаниях: измерение "петли фаза-грунт" показывает ток КЗ = 116А, что обеспечивает работоспособность автоматов номиналами до B16, или до C10 включительно.
- Любую абонентскую систему заземления, в т.ч. и TN-C-S, надо рассчитывать, исходя из конкретных условий. Для этого недостаточно измерения сопротивления растеканию ОДНОГО абонентского заземлителя в точке его монтажа, тех самых пресловутых 4 Ом. Это всё равно, что проверять прочность первого пролёта моста, уходящего в туман. Ведь на том конце моста может и не быть "берега" в виде электрода заземления трансформатора — отржавел, оторвался,.. между электродами находятся большие массы сухого песка или скального грунта... Надо проверять весь "мост", проводимость грунта между ДВУМЯ электродами. На слепое измерение вокруг пользовательского электрода можно расчитывать, если есть уверенность, что последовательная цепочка растеканий вокруг заземлений опор ЛЭП также соответствует требованиям системы TN-C-S на всём своём пути к трансформаторной подстанции.
Парадокс заключается в том, что из опасений статистически маловероятной аварии первого вида домохозяйствующие субъекты лишают себя не только защиты от неё, но и от аварии гораздо более вероятной, второго вида.
Но... Есть одно единственное обстоятельство, которое в российских условиях требует обязательного рассмотрения для принятия окончательного решения об использовании системы заземления TN-C-S.
Об этом здесь...
<буду благодарен за обнаруженные ошибки, опечатки, неточности>*
* * *
Оглавление "Книга поверий вольного электрика" здесь.