Статья в журнале "Автоматика, связь, информатика", №12, 2002 г.

Сравнительный анализ режима нейтрали электрических сетей 0,4 кВ.

С.Н.Ожиганов, ассистент Южно-Российского технического университета, ЮРГТУ (НПИ)

Н.В.Ожиганов, руководитель группы автоблокировки Дорожной электротехнической лаборатории Северо-Кавказской дороги

 

В связи с введением в 1994 -1996 году новых ГОСТов и редакции Правил устройства электроустановок (ПУЭ) возникла необходимость корректировки и устройств электроснабжения электрической централизации. Сравним режимы нейтрали электрических сетей 0,4 кВ электроснабжения постов ЭЦ, чтобы выяснить их достоинства и недостатки.

Для электроснабжения потребителей, в том числе устройств электрической централизации (ЭЦ) с напряжением до 1000 В, применяются трёхфазные электрические сети TN-C , TN-C-S , TN-S , TT. Эти сети отличаются друг от друга режимом работы нулевого рабочего (N) и нулевого защитного (РЕ) проводников. Во всех этих сетях нейтраль источника питания глухо заземляется.

Нулевой рабочий N-проводник используется для питания приёмников электроэнергии и соединения с заземлённой нейтралью электроустановки. По нему протекают рабочие токи.

Нулевой защитный РЕ-проводник соединяет заземляемые части электрооборудования с глухозаземлённой нейтралью источника питания. Ток в нём должен появляться только в аварийном режиме. Защитные заземляющие РЕ- проводники соединяют корпуса оборудования с заземлителями. В каждой электроустановке должна быть выполнена Главная система уравнения потенциалов, включающая в себя защитный проводник (РЕ или PEN) питающей линии, заземляющий проводник, металлические трубы коммуникаций здания, металлический каркас здания, систему молниезащиты.

Соединения указанных проводящих частей между собой следует выполнять при помощи главной заземляющей шины. Она может быть выполнена внутри вводного устройства (ВУ) или отдельно от него. Проводимость этой шины должна быть не менее проводимости (РЕ или PEN) проводника питающей линии. Главная заземляющая шина должна быть медной или стальной. Применение алюминия не допускается в связи с выдавливанием металла из под соединений. Каждый проводник должен присоединяться к главной заземляющей шине на отдельное болтовое соединение.

Основным назначением заземления нейтрали источника питания является ограничение потенциала в нейтрали при замыкании одной из фаз на землю. При этом в четырёхпроводных сетях 0,4 кВ должны соблюдаться два условия. Во-первых, напряжение на исправных фазах не должно превышать 250 В по условию работы аппаратуры. Во-вторых, напряжение нейтрали по отношению к земле не должно превышать допустимого значения напряжения прикосновения.

Для выполнения первого условия необходимо чтобы напряжение смещения нейтрали не превышало 60 В. Для обеспечения электробезопасности по второму условию при предельно допустимой продолжительности воздействия более 1 сек напряжение прикосновения к корпусам электроустановок не должно превышать 36 В. Это может быть достигнуто при коэффициенте напряжения прикосновения К_ПР=36/60=0,6.

В большинстве промышленных электроустановок с напряжением 220/380 В применяется трёхфазная четырёхпроводная электрическая сеть TN-C (рисунок 1. Основная защитная функция возложена на систему зануления , при которой замыкание фазы на корпус оборудования должно приводить к быстрому отключению с помощью релейных защит. На рисунке приняты обозначения: УЗО - устройство защитного отключения промышленного изготовления; Н - нагрузка (любая электроустановка); PEN - совмещённый нулевой и защитный проводник; R₃ - контур рабочего заземления; R₃₃ - контур повторного заземления. Четвёртый проводник питающей сети совмещает функции нулевого рабочего (N) и нулевого защитного (РЕ) проводников. Повторные заземления устраиваются у каждого потребителя, где необходимо прибегать к занулению оборудования.

Рис. 1

Совмещённый PEN нулевой и защитный проводник согласно ПУЭ 1.7.79 должен иметь проводимость не меньшую половины проводимости фазного проводника. Сопротивление заземления источника питания согласно ПУЭ 1.7.62 не должно превышать 4 Ом с учётом сопротивления естественных заземлителей и повторных заземлений у потребителей.

Общее сопротивление току растекания всех повторных заземлений нулевого проводника в любое время года не должно превышать 10 Ом, а каждого из них 30 Ом. Во вводных устройствах электроустановок с занулённым оборудованием устраивается совмещённая шина PEN для присоединения нулевых проводников питающих кабелей и заземляющего устройства. Объединение нулевых и заземляющих проводников допускается только в том месте сети, где установлены коммутационные аппараты аварийного отключения т.е. на ВУ. Вдоль всего здания устраивается стальная магистраль заземления для индивидуального присоединения заземляемого оборудования.

В этой электрической сети происходит фактическое использование земли в качестве параллельного проводника для тока нулевого провода, что запрещено НУЭ в сетях менее 1000 В. В результате асимметрии сети в аварийных режимах ( при коротком замыкании и неполнофазном режиме ), по земле протекают значительные величины блуждающего тока, не попадающие в зону действия токовых защит в фазных проводниках. У потребителей с малым сопротивлением заземляющего устройства на нулевой жиле питающего кабеля наблюдается блуждающий ток других электроустановок. В сети TN-C чем меньше сопротивление заземлений, тем больше блуждающие токи, которые создают дополнительную опасность пожара и электротравматизма.

В случае, если сопротивление заземляющего устройства у потребителя меньше, чем на питающей подстанции, в аварийном режиме создаются неблагоприятные условия для всех прочих потребителей. При КЗ на корпус у потребителя ток через землю создаёт на последовательно включённых заземляющих устройствах большее напряжения смещение нейтрали у источника питания, чем у потребителя. Высокое напряжение прикосновения появляется на корпусах всех других гальванически связанных потребителей подстанции.

При КЗ на вводном устройстве ( на постах ЭЦ это ЩВП или ЩВПУ) часто отгорает нулевой проводник и весь аварийный сверхток проходит по земле. При этом у других потребителей подстанции напряжение прикосновения на корпусах зануленного оборудования превышает все допустимые значения.

Необходимо отметить, что допустимое сопротивление заземления источника питания 4 Ом было установлено исходя из того, что при падении фазного провода даже на мокрую землю или в грязь его сопротивление току растекания будет не менее 15-20 Ом. Меньшие сопротивления растеканию создают неблагоприятные условия по электробезопасности для всех электроустановок подстанции. В этой ситуации при низких сопротивлениях повторного заземления у потребителей фактическое происходит расширение зоны аварии по всем прочим потребителям. Для исключения этой ситуации возникает необходимость сопоставления допустимых пределов разницы сопротивления заземляющих устройств источника питания и потребителя. Однако в существующей технической практике и в расчётах это не принято.

Нарушении целостности нулевого или защитного проводника может быть долго не замечено. При обрыве или нарушении контакта в N-проводнике рабочий ток проходит через РЕ-проводники. При КЗ неожиданно наступает тяжёлая аварийная ситуация с отказом защит. При обрыве РЕ-проводника оборудование может работать при параметрах рабочего режима близким к номинальным, но без заземления. В сети TN-C это недопустимо по условиям электробезопасности.

В трёхфазной пятипроводной электрическая сети TN-S имеется заземление у источника питания и повторные заземления у потребителей (рис.2). N-проводники сети разделяются с РЕ-проводниками на шинах PEN подстанции и далее идут раздельно на всём протяжении сети. Шины N и шины РЕ вводных устройств потребителей изолированы друг от друга и равны по сечению.

Рис. 2

В этой сети токи асимметрии и нулевой последовательности в нормальном режиме не выходят в заземляющие устройства и РЕ-проводники. При обрыве в цепи N-проводника нарушается работа однофазных потребителей, возникает сильный перекос фаз, но условия электробезопасности не нарушаются. При обрыве N-проводника и КЗ на корпус оборудования ток достигает уставок срабатывания защит фазных проводников.

При обрыве РЕ-проводника питающей линии сохраняется работа всех потребителей в номинальном режиме, но оборудование остаётся заземлённым только на собственные заземлители фактически в режиме сети ТТ. поэтому необходимо постоянно контролировать целостность РЕ-проводника. По сравнению с сетью TN-C расход проводниковых материалов возрастает на 20-30%.

В электрическая сети TN-C-S нейтраль источника питания заземлена. У потребителей устраиваются повторные заземления, металлически соединённые с нулевым проводником питающей линии. Потребители питаются от трёхфазной четырёхпроводной линии с объединённым PEN-проводником (рис. 3).

Рис. 3

В распределительной сети на вводных устройствах потребителей происходит разделение PE и N проводника. PE и N проводники равных по сечению и выполненных из цветного металла. Сейчас эта сеть применяется при необходимости установи розеток "евростандарта". Она по многим параметрам не имеет существенных отличий от сети TN-С. Однако в распределительной сети потребителей прокладываются параллельно РЕ-проводники из стали и цветных металлов, что увеличивает расход проводниковых материалов на 20-30%,но улучшает условия электробезопасности для однофазных потребителей по сравнению с сетью TN-C.

Электрическая сеть TT это трехфазная четырёхпроводная электрическая система с глухим заземлением нейтрали источника питания и устройством повторных заземлений у потребителей (рис. 4). Нулевые проводники питающей линии используются только для протекания рабочих и аварийных токов и не применяются в системе заземления.

Поскольку зануление корпусов оборудования не выполняется токи нулевой последовательности не могут перетекать между потребителями по заземляющим устройствам и блуждающих токов в нулевом проводнике нет.

Переход с сети TN-С на сеть ТТ не требует прокладки дополнительных проводников. Однако при КЗ на заземлённый корпус ток может не достигнуть уставки срабатывания в фазных проводниках. В этой ситуации для немедленного аварийного отключения электроустановки необходимо установить дополнительные защиты для контроля целостности заземляющих проводников, которые также должны срабатывать при протекании тока определённой величины по заземляющим проводникам.

Ток однофазного КЗ на корпус не протекает по нулевому проводнику. Напряжение на заземляющих устройствах при КЗ распределяется прямо пропорционально сопротивлению заземляющих устройств потребителя и подстанции, вызывая некоторое смещение нейтрали источника питания и асимметрию напряжения в сети. При этом несколько изменяется напряжение в фазных проводниках относительно земли, но вне зависимости от соотношения сопротивления заземлений большого напряжения на корпусах оборудования других потребителей в сети ТТ не появляется.

Совместная работа сетей TN и ТТ нежелательна. При КЗ в сети ТТ и малом сопротивлении заземлений, в сети TN произойдёт большое смещение нейтрали и вынос потенциала на зануленные корпуса потребителей.

При определении уставки срабатывания токовой защиты в заземляющем проводнике необходимо оценить величину тока однофазного замыкания на корпус, которая связана с сезонными изменениями току растекания. Максимальное допустимое сопротивление заземлителей у источника питания 4 Ом, потребителя - 10 или 30 Ом, т.е. в сумме 14 или 34 Ом. Сопротивление фазных проводников и земли значительно меньше, поэтому их не учитываем. При номинальном фазном напряжении 220 В ток однофазного металлического КЗ составит 15,71 или 6,47 А.

Из этого можно сделать следующие выводы. Во-первых ток однофазного короткого замыкания на РЕ-проводнике может мыть значительно меньше, чем при замыкании на N-проводнике, в связи с чем необходимо устанавливать отдельные токовые защиты от однофазного замыкания на контур РЕ-проводников. Во-вторых, необходимо обязательно устанавливать коммутационный аппарат типа контактора или автомата с независимым расцепителем на вводе у потребителя для немедленного отключения электроустановки при КЗ на РЕ-проводники.

Рис. 4

При применении сети TN-C в бытовой распределительной сети часто возникает проблема заземления компьютеров и корпусов оборудования, выполненных по "евростандартам". Некоторые "умельцы" пытаются использовать в качестве РЕ-проводника водопроводную сеть. Проанализируем, к чему это может привести.

Как ранее упоминалось, на вводном устройстве должно быть выполнено присоединение трубопроводов как сторонних проводящих частей к главной заземляющей шине. Периодичность инструментальных проверок заземляющих устройств - один раз в три года. Обычно сопротивление между различными проводящими частями составляет сотые доли ома. Наличие металлического соединения водопровода с N-проводником сети можно грубо проверить по наличию между ними напряжения. Если вольтметр покажет потенциал в несколько вольт между сторонней проводящей частью и нулём в розетке, то это означает, что металлическая связь между ними на вводном устройстве отсутствует. Отсутствие показаний вольтметра означает или наличие этой связи или хорошую изоляцию от земли.

При наличии металлической связи на водопровод выносится "нулевой потенциал всех режимов подстанции", а его величину каждый может "оценить" при прикосновении к крану. При отсутствии связи потенциал на водопроводе создают те, кто использует его вместо N-проводника.

Следовательно, наиболее полноценной сетью для бытовых электроустановок является пятипроводная от источника до потребителя сеть TN-S.

Проведём сравнительный анализ режима нейтрали сетей 0,4 кВ при различных условиях их работы. За основу возьмём вариант электроустановки потребителя с сопротивлением защитного заземления менее 4 Ом и вводным устройством оснащённым токовыми защитами в фазных проводниках. Результаты анализа сведём в таблицу.

1. Неполнофазный режим в других гальванически связанных электроустановках:

1.1-выход из земли и протекание блуждающего тока по нулевым жилам кабелей;

1.2-фактическое использование земли в качестве нулевого проводника.

2. Однофазное КЗ на N-проводники электроустановки:

2.1-протекание части аварийного сверхтока по РЕ-проводникам;

2.2-срабатывание обычной максимально-токовой защиты в фазных проводниках.

3. Однофазное КЗ на корпуса оборудования:

3.1-меньшая величина тока однофазного КЗ по сравнению с КЗ на N-проводники;

3.2-срабатывание обычной токовой защиты в фазных проводах.

4. Обрыве N-проводника питающей линии:

4.1-возможность продолжения работы в режиме близком к нормальному;

4.2-порча оборудования до отключения от токовых защит;

4.3-необходим немедленный аварийный останов.

5. Обрыве РЕ-проводника:

5.1-возможность продолжения работы в режиме близком к нормальному;

5.2-возникновение скрытой опасности для персонала, необходим немедленный аварийный останов.

6. Обрыв N-проводника питающей линии и однофазное КЗ на корпус:

6.1-появление опасности для персонала других потребителей при возникновении большого напряжения прикосновения на корпусах оборудования;

6.2-возникновении асимметрии фазных напряжений у других потребителей;

6.3-несрабатывание токовых защит в фазных проводниках;

6.4-выход блуждающего тока на проводники других потребителей;

6.5-режим предусмотренный расчётами.

7. Обрыв РЕ-проводника питающей линии и однофазное КЗ на корпус:

7.1-появление опасности для персонала других потребителей при возникновении большого напряжения прикосновения на корпусах оборудования;

7.2-несрабатывание токовых защит в фазных проводниках;

7.3-выход аварийного тока на проводники других потребителей;

7.4-режим предусмотренный расчётами.

8. Целесообразность установки защит для контроля величины фазного напряжения:

8.1-по условиям электробезопасности;

8.2-по условиям работы оборудования.

9. Возможность появления большой величины наведённого напряжения на корпусах оборудования при грозе и вблизи электрических железных дорог.
10. Необходимость установки защит для контроля целостности РЕ-проводников защитных заземлений.
11. Необходимость сопоставления величин сопротивлений источника питания и потребителя.
12. Необходимость прокладки дополнительных кабелей и проводников и примерное увеличение расхода цветных металлов при переходе на другую сеть.
13. Необходимость обязательной установки на вводных устройствах коммутационных аппаратов для немедленного аварийного останова при обрыве N и РЕ-проводников.
14. Увеличение объёма регламентных работ и контроля параметров сети по сравнению с сетью TN-C.
15. Возможность совместной работы сети TN-C с другими типами сетей на одной подстанции.

Поз.	TN-C	TN-C-S	TN-S	TT
1.1	Есть	Есть	нет	нет
1.2	да	Да	нет	нет
2.1	есть	Есть	нет	нет
2.2	да	Да	да	да
З.1	нет	Нет	нет	да
3.2	да	Да	да	Нет
4.1	да	Да	нет	Нет
4.2	нет	Нет	да	да
4.3	нет	Нет	да	да
5.1	да	Да	да	да
5.2	да	Да	да	да
6.1	да	Да	нет	нет
6.2	да	Да	да	нет
6.3	Не сработает	Не сработает	Сработает	Не сработает
6.4	да	Да	да	нет
6.5	нет	Нет	да	да
7.1	РЕ и N совмещены	РЕ и N Совмещены	Да	-
7.2			Да	-
7.3			Да	-
7.4			нет	-
8.1	да	Да	нет	нет
8.2	да	Да	да	да
9	да	Да	да	нет
10	да	Да	да	да
11	да	Да	да	нет
12	-	Увеличение проводов на 20-30%	Увеличение проводов и кабелей на 20-30 %	нет
13	Не обязательно	Не обязательно	обязательно	обязательно
14	-	Да	да	да
15	-	Да	да	нет

Таким образом, в ходе анализа режима нейтрали сетей до 1 кВ установлено, что каждый вид сети имеет достоинства и недостатки, которые нужно учитывать при проектировании схем электроснабжения потребителей. Наиболее важными являются требования электробезопасности и требования к работе потребителей.

Для электроснабжения постов электрической централизации в настоящее время применяется сеть TN-C. Из-за низкого сопротивления заземляющих устройств СЦБ возможно повреждение большого количества дорогостоящего оборудования при протекании сверхтоков аварийных режимов других потребителей по контурам повторных заземлений постов ЭЦ. Для исключения этого явления директивные материалы рекомендуют применение сети TN-S или ТТ. Однако указанные сети имеют свои недостатки, поэтому вопрос выбора режима нейтрали сетей для СЦБ требует дальнейшей проработки.