str.C-1 Referat C: SYSTEMY SIECI NISKIEGO NAPIĘCIA 1. Uwagi

str.C-1
Referat C. Systemy sieci nN
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -----
Referat C: SYSTEMY SIECI NISKIEGO NAPIĘCIA
1. Uwagi wstępne
Część tego referatu dotycząca oceny systemów jest oparta na artykułach dr inż.
Edwarda Musiała z Gdańska, wybitnego specjalisty w dziedzinie ochrony od porażeń
w urządzeniach niskiego napięcia. Można zajrzeć na stronę internetową tego Autora, aby
pogłębić wiedzę w tym zakresie (www.edwardmusial.info/).
Autor niniejszego referatu pozwala sobie na przytoczenie definicji ochrony przed
porażeniem:
Ochrona przed porażeniem elektrycznym, ochrona przeciwporażeniowa, – zespół
środków zmniejszający ryzyko porażenia elektrycznego.
Należy zauważyć, że jest słowo „zmniejszający ryzyko”, a nie np. uniemożliwiający
porażenie. Czyli nie ma instalacji elektrycznych w 100 % bezpiecznych, zawsze można
znaleźć sytuację (bardzo dziwne uszkodzenie lub kombinacja kilku uszkodzeń), gdzie
zagrożenie porażeniem wystąpi. Stąd ocena sieci TN, TT i IT zawsze prowadzi do znalezienia
pewnej wady danego układu. Nie ma układu doskonałego, może być lepszy lub gorszy, lepiej
lub gorzej pasujący do danych warunków.
2. Postawy
Dla podstawowego podziału używana jest para liter:

pierwsza litera oznacza połączenie punktu neutralnego źródła zasilania:
o
T - punkt neutralny posiada bezpośrednie połączenie z ziemią
o
I – punkt neutralny jest odizolowany od potencjału ziemi lub połączony z
uziemieniem pośrednim

druga litera oznacza sposób połączenia odbiorników energii elektrycznej z ziemią:
o
T – bezpośrednie połączenie z ziemią każdego urządzenia oddzielnie
o
N – połączenie z ziemią realizowane poprzez sieć zasilającą

trzecia lub czwarta litera oznacza rodzaj układu ochronnego
o
C – sieć z przewodem neutralno-ochronnym PEN
o
S – sieć z niezależnym od przewodu neutralnego N przewodem ochronnym PE
(służy on wyłącznie do celów ochronnych).
Symbole występujące w oznaczeniach układów sieciowych od nazw w języku francuskim:

T (terre) – ziemia,

N (neutre) – neutralny,

I (isolation) – izolowane,

C (combinè) – wspólny,

S (separè) – rozłączny.
3. System IT
Główną przesłanką skłaniającą projektanta lub inwestora do wyboru układu IT (rys.1)
w instalacji odbiorczej na ogół jest zwiększenie ciągłości zasilania dzięki temu, że
jednomiejscowe zwarcia doziemne, stanowiące ogromną większość wszelkich zwarć, nie
muszą być natychmiast wyłączane. Jest to możliwe, bo te zwarcia są małoprądowe. Pojęcie
małoprądowe jest względne, stąd wyjaśnia się, że prąd zwarcia doziemnego wynika tylko z
pojemności i upływności przewodów do ziemi, a nie z impedancji wzdłużnej przewodów
i rezystancji uziemień. Jego wartość zależy od rozległości sieci (jak w SN). Drugim polem
zastosowań są sytuacje, kiedy ważne jest ograniczenie zagrożenia pożarowego i/lub
wybuchowego dzięki małej mocy cieplnej wydzielanej w miejscu zwarcia doziemnego.
str.C-2
Referat C. Systemy sieci nN
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----Z tych powodów układ IT w Polsce stosuje się w podziemiach kopalń, w blokach
operacyjnych szpitali oraz oddziałach intensywnego nadzoru medycznego. Spotyka się go
również w wielu kombinatach chemicznych, na statkach i okrętach, a także w instalacjach
tymczasowych.
W sieciach ogólnodostępnych, także za granicą, układu nie stosuje się (być może
w Iraku i Iranie), kiedyś w Norwegii, ale tam został wycofany.
Musi być wyposażony w urządzenie (jedno!) do kontroli stanu izolacji instalowane
w pobliżu punktu N.
Zaleca się, aby w układzie IT nie stosować przewodu neutralnego. Jeżeli zatem w
układzie IT przewód neutralny naprawdę jest nieodzowny, to wolno go wyprowadzić pod
warunkiem, że:
- również w przewodzie neutralnym stosuje się detekcję przetężeń,
- w razie wykrycia przetężenia przewód neutralny jest przerywany razem z przewodami
fazowymi i zasada ta dotyczy również obwodów jednofazowych.
Rys.1. System IT
Nie należy stosować bezpieczników w układzie IT z rozprowadzonym przewodem
neutralnym N. W roli zabezpieczeń zwarciowych należy stosować wyłączniki nadprądowe
zapewniające pełnobiegunowe wyłączanie wszystkich przewodów czynnych (przewód N jest
przewodem czynnym), wyposażone w wyzwalacze nadprądowe również w biegunie
neutralnym. Od wymagania tego wolno odstąpić w obwodach zabezpieczonych wyłącznikiem
różnicowoprądowym o znamionowym różnicowym prądzie zadziałania nie większym niż
20% obciążalności długotrwałej przewodu neutralnego. Jeżeli podane wyżej warunki są
spełnione, to nie ma przeciwwskazań do rozprowadzania przewodu neutralnego N w układzie
IT.
3. System TT
Układ TT ma bezpośrednio uziemiony punkt neutralny źródła zasilania bądź inną
część czynną (rys. 2 i 3). W razie uszkodzenia izolacji podstawowej w zasilanym obwodzie,
pętla zwarcia doziemnego zamyka się przez ziemię i jest to cecha rozpoznawcza tego układu.
Prąd wpływa do ziemi przez uziemienie bądź zespół uziemień przewodu ochronnego RA
i wraca przez jedyne uziemienie funkcjonalne układu RB, które znajduje się przy stacji
zasilającej. W pętli zwarciowej są dwie szeregowo połączone rezystancje uziemienia (RA +
RB), rezystancja pętli zwarciowej wynosi co najmniej kilka omów, wskutek czego prąd
zwarciowy Ik1min w instalacji o napięciu Uo = 230 V na ogół jest znacznie mniejszy niż 50 A,
zbliża się nawet do 20 A. To powoduje, że mogą nie zadziałać zabezpieczenia przetężeniowe,
str.C-3
Referat C. Systemy sieci nN
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----a przynajmniej dostatecznie szybko. Nie stanowią one rezerwy dla wyłączników różnicowoprądowych, które uważa się za awaryjne. To jest pierwsza wada układu. Jest również problem
z ochroną przy uszkodzeniu w sieci rozdzielczej (liniach nN), ponieważ ochrona oparta na
kryterium prądowym może być zupełnie nieskuteczna.
W sytuacji jak na rys. 2 napięcie uziomowe części przewodzącej dostępnej przy
pierwszym uszkodzeniu izolacji podstawowej wynosi:
U E Uo
RA
R A  RB
i w niesprzyjającej sytuacji może w całości być napięciem dotykowym.
Ponieważ rezystancja uziemienia przewodu ochronnego RA zwykle jest wielokrotnie
większa niż rezystancja uziemienia funkcjonalnego RB, napięcie dotykowe utrzymujące się do
chwili samoczynnego wyłączenia zasilania może być zbliżone do napięciu układu względem
ziemi Uo. To druga zasadnicza wada układu TT. To z tego powodu norma wymaga w
układzie TT czasu samoczynnego wyłączania zasilania znacznie krótszego niż w układzie
TN.
Rys.2. System TT
Kolejna wada to możliwość powstania asymetrii napięć fazowych przy braku ciągłości
przewodu N. Napięcie fazowe to napięcie pomiędzy przewodem liniowym (fazowym) a
neutralnym. Przy asymetrycznym obciążeniu różnica pomiędzy napięciami fazowymi może
być znacząca i szczególnie groźna dla odbiorników zasilanych z tego, gdzie nastąpił wzrost
napięcia. Może to prowadzić do ich uszkodzenia. W sieci TN asymetria jest łagodzona przez
częste uziemianie przewodu PEN.
Jeszcze można dodać pewną właściwość, że trudno zachować „czystość” układy TT,
szczególnie na terenach zwartej zabudowy. Jeśli do uziemienia w stacji i uziemień
ochronnych zostaną wykorzystane uziomy naturalne, to może z nich utworzyć się ukryty
i niekontrolowany przewód PEN.
Jedyną zaletą układu TT jest to, poprzez przewód PE nie może przenieść się na części
przewodzące dostępne u odbiorcy napięcie zakłóceniowe z linii nN, bo – zostanie użyte
opisowe określenie – potencjał ochronny wytwarzany jest tuż przy urządzeniu elektrycznym,
np. uziomie fundamentowym czy innym znajdującym się tuż obok. Znane są rzadkie sytuacje,
str.C-4
Referat C. Systemy sieci nN
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----kiedy poprzez przewód PEN w sieci TN przeniesiony został potencjał ze stacji SN/nN lub
i doszło do śmierci zwierząt hodowlanych.
Rys.3. Sieć TT (rysunek wg normy N-SEP-E-001: Sieci elektroenergetyczne niskiego
napięcia. Ochrona przed porażeniem elektrycznym. 2012 r.).
Ta zaleta nie rekompensuje wielu wad i świat odchodzi od tego systemu. W Polsce
występuje na jednym obszarze dawnego ZE i wywołuje niepokój autora o bezpieczeństwo
tym bardziej, że jest mieszany z systemem TN.
4. System TN
W systemie TN prąd zwarciowy przy uszkodzeniu zamyka się głównie przewodami,
a tylko w pewnej niewielkiej części przez ziemię – nawet tylko do 1 % (rys.4).
Rys.4. System TN-C-S. Widoczny obwód zwarciowy, tylko niewielka część prądu zamyka
się przez ziemię.
str.C-5
Referat C. Systemy sieci nN
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----Wymaga się wielokrotnego uziemiania przewodu PE lub PEN. Dzięki temu, że prąd
zwarcia L-PE w układzie TN jest duży, do samoczynnego wyłączania zasilania mogą być
wykorzystane zabezpieczenia nadprądowe: wyłączniki nadprądowe lub bezpieczniki. To jest
bardzo korzystne, bo te zabezpieczenia i tak są stosowane w każdym obwodzie w celu
ograniczenia cieplnych i elektrodynamicznych skutków zwarć. Przypisanie im dodatkowej
funkcji nic nie kosztuje. W ten sposób rezerwują niepewne wyłączniki różnicowe.
W układzie TN także znajduje się pewne zagrożenie, które występuje w razie
przerwania przewodu ochronno-neutralnego w układzie TN-C. Mimo doskonałego stanu
izolacji podstawowej wywołuje ono groźną sytuację (rys. 5), na którą zabezpieczenia
nadprądowe nie reagują. Naruszona jest podstawowa reguła norm oznaczająca, że pojedyncze
uszkodzenie nie powinno wywoływać zagrożenia porażeniem. Na szczęście układ TN-C nie
jest stosowany z nowych obiektach.
Rys.5. Groźna sytuacja przy przerwaniu przewodu PEN w sieci TN-C
Na rys.6 przedstawiona jest rzeczywista sytuacja stwierdzona kilka lat temu w Polsce,
gdzie zginęły krowy leżące, a stojące przeżyły i co ciekawe, w nieuszkodzonej części sieci
nN. W sieci nie było żadnego zwarcia doziemnego, a uszkodzenie polegało na przerwaniu
przewodu PEN. W prawej części sieci była znaczna asymetria obciążenia, prawdopodobnie
rzędu 10 A. Zaznaczono to przez różne wielkości geometryczne odbiorników
w poszczególnych fazach. Prąd asymetrii Ias zamknął się do źródła przez uziemienie
przewodu PEN za miejscem uszkodzenia i punkt neutralny transformatora. Rezystancja
uziemienia przewodu PEN reszty sieci była około 5  (nie ocenia się w tym miejscu
prawidłowości tej rezystancji). Na punkcie neutralnym i przewodzie PEN nieuszkodzonej
części sieci powstało napięcie rzędu 50 V. Nie są znane właściwości instalacji w oborze, ale
pewnie nie była wyposażona w połączenia wyrównawcze. Powstały napięcia dotykowe, które
zabiły krowy leżące (mają mniejszą rezystancję przejścia do ziemi i niekorzystną drogę
przepływu prądu), krowy stojące przeżyły.
Wykonanie instalacji TN pokazane jest na rys.7 i 8. Na rys. 7 widać część instalacji
w układzie TN-C, już nie stosowanym.
Poprzednie przepisy (norma 60364 o różnych symbolach poprzedzających numer)
dopuszczały „wyspę TT w układzie TN”. W najnowszej wersji nie ma o tym wzmianki, ani
o dopuszczeniu, ani nie zabroniono tego rozwiązania. Autor nie interpretowałby tego jako
dopuszczenie do stosowania.
str.C-6
Referat C. Systemy sieci nN
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -----
Rys.6. Dziwny przypadek porażenia zwierząt przy braku uszkodzenia izolacji.
Rys.7. Zalecany i najczęściej stosowany sposób wykonania układu TN w Polsce.
str.C-7
Referat C. Systemy sieci nN
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----Autor spotkał się niedawno z zaleceniem dla sieci TN na przewodach izolowanych, że
należy uziemić przewodzącą obudowę rozłącznika. Zwraca się uwagę, że jest to duży błąd.
Obudowa ma być połączona z przewodem PEN sieci.
Źródło
Linia (sieć)
Instalacja
L1
L2
L3
N
PE
R BN
Uziemienie
przy źródle
R Bi
Uziemienie/-nia
w linii (sieci)
R MET
Uziemienie
instalacji
Rys.8. Sieć TN-C-S (rysunek wg normy N-SEP-E-001: Sieci elektroenergetyczne niskiego
napięcia. Ochrona przed porażeniem elektrycznym. 2012 r.).
5. Podsumowanie
Podsumowaniem będzie tablica 1, która pokazuje ocenę poszczególnych układów.
Tablica 1
Kryterium oceny
Układ
Uwagi
IT
TT
TN-C
TN-S
TT – bez związku z
Łatwość wprowadzenia
2
4
3
3
innymi
instalacjami
Łatwość rozbudowy
3
5
3
3
Niski koszt inwestycyjny
3
3
5
4
IT – I wył. na sygnał
Ciągłość zasilania
5
3
3
3
Skuteczność ochrony od
5
5)*
3
5
porażeń
4
W TN-C użycie
Możliwość rezerwowania
5
RCD
zabronione
RCD przez zab.
nadprądowe
IT – bardzo mały
Skuteczność ochrony od
5
4
2
3
prąd przy I uszkodz.
pożarów
Odporność na przepięcia
2
2
4
4
atmosferyczne
Znaczny wpływ
Kompatybilność
4
4
2
4
sposobu wykonania.
elektromagnetyczna
RCD – wyłącznik różnicowy,
Oceny: 5 – bardzo doby, 4 –dobry, 3 – dostateczny, 2 – dopuszczający, „-” – brak
właściwości.
* - autor niniejszego referatu nie zgadza się z oceną E. Musiała.
str.C-8
Referat C. Systemy sieci nN
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -----
Literatura:
Przy opracowaniu referatu (tablica 1 jest z niego przeniesiona) korzystano z artykułu:
Musiał E.: OCHRONA OD PORAŻEŃ W INSTALACJACH I SIECIACH NISKIEGO
NAPIĘCIA W ŚWIETLE AKTUALNYCH PRZEPISÓW I NORM. WSPÓŁDZIAŁANIE
DWÓCH RÓŻNYCH UKŁADÓW, W TYM TT I TN. Szkolenie dla członków PomorskoKujawskiej Izby Inżynierów Budownictwa Bydgoszcz – Toruń – Włocławek, 26-27 listopada
2012 r. Źródło: Strona Internetowa E. Musiała.