Системы заземления в электроснабжении: безопасность и функциональность.

Заземление электроустановок: безопасность и функциональность. Системы заземления по IEC/US стандартам, правила и нормы. Защита от поражения током.

21 мин чтения

100%

Источник: Earthing system — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Заземление для обеспечения безопасности или функционирования, системы заземления электроснабжения.

Система заземления (в Великобритании и по классификации МЭК) или система заземления (в США) соединяет определенные части электрической энергосистемы с землей, как правило, с проводящей поверхностью Земли, в целях безопасности и для обеспечения функциональности. Выбор системы заземления может влиять на безопасность и электромагнитную совместимость установки. Нормы и правила заземления различаются в разных странах, хотя большинство из них основываются на рекомендациях Международной электротехнической комиссии (МЭК). Нормативные документы могут предусматривать особые требования к заземлению в шахтах, в помещениях для ухода за пациентами или в взрывоопасных зонах промышленных предприятий. Помимо систем электроснабжения, заземление может требоваться для обеспечения безопасности или функциональности и других систем. Высокие сооружения могут быть оборудованы молниеотводами как частью системы защиты от ударов молнии. В телеграфных линиях Земля может использоваться в качестве одного из проводников цепи, что позволяет сэкономить на прокладке возвратного провода на больших расстояниях. Для работы радиоантенн может потребоваться специальное заземление, а также для контроля статического электричества и обеспечения защиты от молний.

Заземление системы

Заземление системы обеспечивает электрическую безопасность всей системы при нормальных условиях, не связанных с электрическими неисправностями. Его основная задача – предотвращение накопления статического электричества и защита от импульсных перенапряжений, вызванных ударами молнии вблизи или коммутационными процессами. Статическое электричество, возникающее, например, из-за трения, как при обдуве ветром радиомачты, отводится в землю. В случае перенапряжения, устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП), молниеотвод или SPD направляют избыточный ток в землю до того, как он достигнет оборудования. Заземление системы также обеспечивает возможность выравнивания потенциалов всех металлических конструкций для предотвращения разности потенциалов между ними. Использование земли в качестве общей точки отсчета ограничивает разность потенциалов в электрической системе напряжением питания.

Заземление оборудования

Заземление оборудования предназначено для обеспечения электробезопасности при возникновении электрической неисправности. Его основная задача – предотвратить повреждение оборудования и опасность поражения электрическим током. Строго говоря, это не является соединением с землей. Когда ток протекает от фазного проводника к заземляющему проводнику, как это происходит при контакте фазного проводника с заземленной поверхностью в приборе класса I, устройство автоматического отключения питания (ADS), например, автоматический выключатель или УЗО, автоматически разомкнет цепь для устранения неисправности.

Функциональное заземление

Функциональное заземление выполняет функции, отличные от обеспечения электробезопасности. К примерам таких функций относятся фильтрация электромагнитных помех (EMI) в EMI-фильтре и использование Земли в качестве обратного проводника в системе распределения с однопроводным заземлением.

Системы низкого напряжения

В сетях низкого напряжения, которые распределяют электрическую энергию среди широкого круга конечных потребителей, основной задачей при проектировании систем заземления является обеспечение безопасности потребителей, использующих электроприборы, и их защита от поражения электрическим током. Система заземления, в сочетании с защитными устройствами, такими как предохранители и устройства остаточного тока (УЗО), должна в конечном итоге гарантировать, что человек не вступит в контакт с металлическим объектом, потенциал которого относительно потенциала человека превышает безопасный порог, обычно устанавливаемый на уровне около 50 В.

В большинстве развитых стран розетки на 220 В, 230 В или 240 В с заземленными контактами были внедрены либо непосредственно перед, либо вскоре после Второй мировой войны, хотя и с существенными национальными различиями. Однако в Соединенных Штатах и Канаде, где напряжение сети составляет всего 120 В, розетки, установленные до середины 1960-х годов, как правило, не имели заземляющего штыря. В развивающихся странах местная электропроводка может как предусматривать, так и не предусматривать соединение с землей. В низковольтных электрических сетях с фазным и нейтральным напряжением, превышающим 240–690 В, которые в основном используются в промышленности, горнодобывающем оборудовании и машинах, а не в общедоступных сетях, проектирование системы заземления имеет такое же значение с точки зрения безопасности, как и для бытовых потребителей. С 1947 по 1996 год для плит (включая отдельные варочные панели и духовки) и с 1953 по 1996 год для сушильных машин Национальный электротехнический кодекс США (NEC) разрешал использовать нейтральный провод питания в качестве соединения корпуса оборудования с землей, если цепь начиналась в главной распределительной панели. Это допускалось как для подключаемого, так и для стационарно подключенного оборудования. Нормальные дисбалансы в цепи создают небольшое напряжение между оборудованием и землей, а повреждение нейтрального провода или соединений может привести к появлению на оборудовании полного напряжения в 120 В относительно земли, что представляет смертельную опасность. В изданиях NEC 1996 года и более поздних эта практика больше не допускается. По аналогичным причинам большинство стран теперь требуют обязательного использования выделенных защитных заземлений в потребительской электропроводке, которые в настоящее время почти повсеместно распространены. В распределительных сетях, где количество соединений меньше и они менее уязвимы, многие страны разрешают использовать один проводник для земли и нейтрали. Если путь утечки тока между случайно обесточенными объектами и соединением питания имеет низкое сопротивление, ток утечки будет настолько велик, что устройство защиты от перегрузки по току (предохранитель или автоматический выключатель) сработает и разомкнет цепь. Если система заземления не обеспечивает низкоомный металлический проводник между корпусами оборудования и возвратом питания (например, в системе TT с отдельно заземленным питанием), токи утечки будут меньше и не обязательно приведут к срабатыванию устройства защиты от перегрузки по току. В этом случае устанавливается УЗО для обнаружения тока утечки на землю и отключения цепи.

In most developed countries, 220 V, 230 V, or 240 V sockets with earthed contacts were introduced either just before or soon after World War II, though with considerable national variation. However in the United States and Canada, where the supply voltage is only 120 V power outlets installed before the mid 1960s generally did not include a ground (earth) pin. In the developing world, local wiring practice may or may not provide a connection to an earth. On low voltage electricity networks with a phase to neutral voltage exceeding 240 V to 690 V, which are mostly used in industry, mining equipment and machines rather than publicly accessible networks, the earthing system design is equally important from safety point of view as for domestic users. From 1947 to 1996 for ranges (including separate cook tops and ovens) and 1953 to 1996 for clothes dryers, US National Electrical Code allowed the supply neutral wire to be used as the equipment enclosure connection to ground if the circuit originated in the main service panel. This was permitted for plug in equipment and permanently connected equipment. Normal imbalances in the circuit would create small equipment to ground voltages, a failure of the neutral conductor or connections would allow the equipment to go to full 120 volts to ground, an easily lethal situation. The 1996 and newer editions of the NEC no longer permit this practice. For similar reasons, most countries have now mandated dedicated protective earth connections in consumer wiring that are now almost universal. In the distribution networks, where connections are fewer and less vulnerable, many countries allow the earth and neutral to share a conductor. If the fault path between accidentally energized objects and the supply connection has low impedance, the fault current will be so large that the circuit over current protection device (fuse or circuit breaker) will open to clear the ground fault. Where the earthing system does not provide a low impedance metallic conductor between equipment enclosures and supply return (such as in a TT separately earthed system), fault currents are smaller, and will not necessarily operate the over current protection device. In such case a residual current device is installed to detect the current leaking to ground and interrupt the circuit.

Типы сетей ТН

В системе заземления TN одна из точек генератора или трансформатора соединена с землей, обычно это точка звезды в трехфазной системе. Корпус электрического устройства соединен с землей через это заземление в трансформаторе. Эта схема является современным стандартом для жилых и промышленных электрических систем, особенно в Европе. Проводник, соединяющий открытые металлические части электроустановки потребителя, называется защитным заземлением (PE; см. также: Земля). Проводник, который соединяется со звездной точкой в трехфазной системе или который несет возвратный ток в однофазной системе, называется нейтралью (N). Различают три варианта систем TN: TN−S – PE и N являются отдельными проводниками, которые соединены друг с другом только вблизи источника питания. TN−C – Комбинированный проводник PEN выполняет функции как PE, так и N проводника (в системах 230/400 В, обычно используемых только для распределительных сетей). Часть системы использует комбинированный проводник PEN, который в какой-то момент разделяется на отдельные линии PE и N. Комбинированный проводник PEN обычно используется между подстанцией и точкой ввода в здание, а земля и нейтраль разделяются в вводном устройстве. В Великобритании эта система также известна как защитное многократное заземление (PME), из-за практики подключения комбинированного нейтрального и заземляющего проводника по кратчайшему возможному пути к местным заземлителям в источнике и с интервалами вдоль распределительных сетей в каждом помещении, чтобы обеспечить как заземление системы, так и заземление оборудования в каждом из этих мест. Подобные системы в Австралии и Новой Зеландии обозначаются как многократно заземленная нейтраль (MEN), а в Северной Америке – как многократно заземленная нейтраль (MGN). Возможно использование как TN-S, так и TN-C-S питания от одного и того же трансформатора. Например, оболочки некоторых подземных кабелей подвергаются коррозии и перестают обеспечивать хорошее заземление, поэтому дома, где обнаружены "плохие земли" с высоким сопротивлением, могут быть преобразованы в TN-C-S. Это возможно только в сети, где нейтраль достаточно устойчива к повреждениям, и преобразование не всегда осуществимо. Проводник PEN должен быть надлежащим образом усилен для защиты от повреждений, поскольку разрыв в проводнике PEN может привести к появлению полного фазного напряжения на любом открытом металле, подключенном к системе заземления после точки разрыва. Альтернативой является устройство местного заземления и переход к системе TT. Основное преимущество сети TN заключается в том, что низкое сопротивление заземляющего контура обеспечивает легкое автоматическое отключение (АДО) при коротком замыкании линии на PE, поскольку один и тот же автоматический выключатель или предохранитель сработает как при коротком замыкании L-N, так и L-PE, и не требуется УЗО для обнаружения токов утечки на землю.

In a TN earthing system, one of the points in the generator or transformer is connected with earth, usually the star point in a three phase system. The body of the electrical device is connected with earth via this earth connection at the transformer. This arrangement is a current standard for residential and industrial electric systems particularly in Europe. The conductor that connects the exposed metallic parts of the consumer's electrical installation is called protective earth (PE; see also: Ground). The conductor that connects to the star point in a three phase system, or that carries the return current in a single phase system, is called neutral (N). Three variants of TN systems are distinguished:
TN−S PE and N are separate conductors that are connected together only near the power source. TN−C A combined PEN conductor fulfills the functions of both a PE and an N conductor. (on 230/400 V systems normally only used for distribution networks)
Part of the system uses a combined PEN conductor, which is at some point split up into separate PE and N lines. The combined PEN conductor typically occurs between the substation and the entry point into the building, and earth and neutral are separated in the service head. In the UK, this system is also known as protective multiple earthing (PME), because of the practice of connecting the combined neutral and earth conductor via the shortest practicable route to local earth rods at the source and at intervals along the distribution networks to each premises, to provide both system earthing and equipment earthing at each of these locations. Similar systems in Australia and New Zealand are designated as multiple earthed neutral (MEN) and, in North America, as multi grounded neutral (MGN). It is possible to have both TN S and TN C S supplies taken from the same transformer. For example, the sheaths on some underground cables corrode and stop providing good earth connections, and so homes where high resistance "bad earths" are found may be converted to TN C S. This is only possible on a network when the neutral is suitably robust against failure, and conversion is not always possible. The PEN must be suitably reinforced against failure, as an open circuit PEN can impress full phase voltage on any exposed metal connected to the system earth downstream of the break. The alternative is to provide a local earth and convert to TT. The main attraction of a TN network is the low impedance earth path allows easy automatic disconnection (ADS) on a high current circuit in the case of a line to PE short circuit as the same breaker or fuse will operate for either L N or L PE faults, and an RCD is not needed to detect earth faults.

Сеть ТТ

В системе заземления ТТ (лат. terra terra) защитное заземление потребителя обеспечивается местным заземляющим электродом (иногда называемым Terra Firma) и другим, независимо установленным на генераторе. Между ними отсутствует соединительный проводник заземления. Импеданс петли замыкания на землю выше, и если импеданс электрода действительно очень низок, установка ТТ всегда должна иметь УЗО (GFCI) в качестве первого устройства отключения. Главным преимуществом системы заземления ТТ является снижение проводимых помех от подключенного оборудования других пользователей. ТТ всегда предпочтительнее для специальных применений, таких как объекты телекоммуникаций, которым требуется заземление без помех. Кроме того, сети ТТ не представляют серьезной опасности в случае обрыва нейтрали. Также, в местах, где электроснабжение осуществляется воздушными линиями, проводники заземления не рискуют оказаться под напряжением в случае повреждения воздушного распределительного провода, например, упавшим деревом или веткой. До появления УЗО система заземления ТТ была непрактичной для общего использования из-за сложности обеспечения надежного автоматического отключения (АДО) при коротком замыкании на корпус (по сравнению с системами ТN, где один и тот же автоматический выключатель или предохранитель сработает как при замыкании фазы на ноль, так и при замыкании фазы на корпус). Однако, поскольку устройства защитного отключения (УЗО) устраняют этот недостаток, система заземления ТТ стала более привлекательной, при условии, что все цепи питания переменного тока защищены УЗО. В некоторых странах (например, в Великобритании) ТТ рекомендуется в ситуациях, когда создание эквипотенциальной зоны с низким импедансом путем уравнивания потенциалов нецелесообразно, при наличии значительной наружной проводки, например, для подключения мобильных домов и некоторых сельскохозяйственных объектов, или когда высокий ток короткого замыкания может представлять другие опасности, например, на топливных базах или в маринах. Система заземления ТТ используется повсеместно в Японии, с УЗО в большинстве промышленных объектов и даже в жилых домах. Это может предъявлять дополнительные требования к частотно-регулируемым приводам и импульсным источникам питания, которые часто оснащены значительными фильтрами, пропускающими высокочастотные помехи на проводник заземления.

In a TT (Latin: terra terra) earthing system, the protective earth connection for the consumer is provided by a local earth electrode, (sometimes referred to as the Terra Firma connection) and there is another independently installed at the generator. There is no 'earth wire' between the two. The fault loop impedance is higher, and unless the electrode impedance is very low indeed, a TT installation should always have an RCD (GFCI) as its first isolator. The big advantage of the TT earthing system is the reduced conducted interference from other users' connected equipment. TT has always been preferable for special applications like telecommunication sites that benefit from the interference free earthing. Also, TT networks do not pose any serious risks in the case of a broken neutral. In addition, in locations where power is distributed overhead, earth conductors are not at risk of becoming live should any overhead distribution conductor be fractured by, say, a fallen tree or branch. In pre RCD era, the TT earthing system was unattractive for general use because of the difficulty of arranging reliable automatic disconnection (ADS) in the case of a line to PE short circuit (in comparison with TN systems, where the same breaker or fuse will operate for either L N or L PE faults). But as residual current devices mitigate this disadvantage, the TT earthing system has become much more attractive providing that all AC power circuits are RCD protected. In some countries (such as the UK) TT is recommended for situations where a low impedance equipotential zone is impractical to maintain by bonding, where there is significant outdoor wiring, such as supplies to mobile homes and some agricultural settings, or where a high fault current could pose other dangers, such as at fuel depots or marinas. The TT earthing system is used throughout Japan, with RCD units in most industrial settings or even at home. This can impose added requirements on variable frequency drives and switched mode power supplies which often have substantial filters passing high frequency noise to the ground conductor.

Сеть ИТ

В ИТ-сети (isolé terre) система распределения электроэнергии не имеет соединения с землей вообще, или имеет только соединение с очень высоким импедансом.

Другие терминологии

В то время как национальные правила электропроводки для зданий во многих странах соответствуют терминологии IEC 60364, в Северной Америке (Соединенные Штаты и Канада) термин "проводник заземления оборудования" относится к заземлению оборудования и заземляющим проводам в ответвлениях цепей, а "проводник заземления электрода" используется для проводников, соединяющих заземляющий стержень, электрод или аналогичный элемент с вводным щитом. "Местный" заземляющий электрод обеспечивает "системное заземление" в каждом здании, где он установлен. Токопроводящий проводник, являющийся "нейтралью", является "нейтралью" системы. Австралийские и новозеландские стандарты используют модифицированную систему защитного многократного заземления (PME), называемую системой с многократно заземленной нейтралью (MEN). Нейтраль заземляется (заземляется) в каждой точке подключения потребителя, тем самым эффективно сводя к нулю разность потенциалов нейтрали по всей длине линий низкого напряжения. В терминологии IEC 60364 это называется TN-C-S. В Северной Америке используется термин "система с многократным заземлением нейтрали" (MGN). В Великобритании и некоторых странах Содружества используется термин "PNE", обозначающий фазу, нейтраль и землю, для указания того, что используются три (или более для не однофазных соединений) проводника, то есть PN-S.

Нейтральный сопротивление-заземленный (Индия)

В Индии при добыче полезных ископаемых используется система заземления с сопротивлением, как это предписано Правилами Центрального управления электроэнергией. Вместо прямого соединения нейтрали с землей используется нейтральный заземляющий резистор (НЗР) для ограничения тока утечки на землю до величины менее 750 мА. Это повышает безопасность на газовых шахтах благодаря ограничению тока короткого замыкания на землю. Поскольку ток утечки на землю ограничен, устройства защиты от утечки могут быть настроены на срабатывание при токе менее 750 мА. Для сравнения, в системе с глухим заземлением ток утечки на землю может достигать величины доступного тока короткого замыкания. Нейтральный заземляющий резистор контролируется для обнаружения обрыва цепи заземления и автоматического отключения питания при обнаружении неисправности.

Защита от утечки земли

Для предотвращения случайного поражения электрическим током используются схемы контроля тока утечки на источнике питания, которые отключают питание при превышении допустимого уровня тока утечки. Для этой цели применяются устройства защитного отключения (УЗО, РКД или GFCI). Ранее использовались автоматические выключатели с защитой от тока утечки на землю. В промышленных приложениях используются реле контроля тока утечки на землю в сочетании с разделительными измерительными трансформаторами тока. Эта защита реагирует на токи утечки в диапазоне от миллиампер и может быть настроена в пределах от 30 мА до 3000 мА.

Проверка связи с Землей

В дополнение к заземляющему проводу, от системы распределения и питания оборудования прокладывается отдельный сигнальный провод для контроля целостности цепи. Он применяется в кабелях питания мобильной горнодобывающей техники. В случае обрыва заземляющего провода, сигнальный провод позволяет устройству контроля на питающем конце отключить электропитание машины. Такая схема обязательна для переносного тяжелого электрооборудования (например, LHD (машина погрузки, выгрузки и транспортировки)) при работе в подземных шахтах.

Стоимость

Сети TN снижают стоимость низкоимпедансного заземления в каждой точке подключения потребителя. Такое соединение (заземленная металлическая конструкция) необходимо для обеспечения защитного заземления в системах IT и TT. Сети TN-C позволяют избежать затрат на дополнительный проводник, необходимый для раздельных соединений N и PE. Однако для снижения риска обрыва нейтрали требуются специальные типы кабелей и большое количество соединений с землей. Сети TT требуют обязательной установки устройств защитного отключения (УЗО).

Безопасность

В системе TN изолирующее повреждение с высокой вероятностью приведет к току короткого замыкания, который сработает автоматический выключатель или предохранитель и отключит проводники L. В системах TT петлевое сопротивление заземления может быть слишком высоким для этого, или слишком высоким для срабатывания в требуемое время, поэтому обычно используется УЗО (ранее ЭЛКБ). Более ранние установки TT могут быть лишены этой важной функции безопасности, что может привести к длительному пребыванию под напряжением CPC (проводник защитного заземления или PE) и, возможно, связанных с ним металлических частей, доступных для прикосновения (открытые проводящие части и посторонние проводящие части), что представляет реальную опасность. В системах TN S и TT (и в TN C S после точки разделения) устройства остаточного тока могут использоваться для дополнительной защиты. При отсутствии повреждений изоляции в потребительском устройстве выполняется уравнение IL1+IL2+IL3+IN = 0, и УЗО может отключить питание, как только эта сумма достигнет порогового значения (обычно 10 мА – 500 мА). Повреждение изоляции между L или N и PE с высокой вероятностью вызовет срабатывание УЗО. В сетях IT и TN C устройства остаточного тока гораздо менее вероятно обнаружат повреждение изоляции. В системе TN C они также будут очень уязвимы к ложным срабатываниям из-за контакта между заземляющими проводниками цепей, подключенных к разным УЗО, или с реальной землей, что делает их использование непрактичным. Кроме того, УЗО обычно отключают нейтральный проводник. Поскольку это небезопасно делать в системе TN C, УЗО, установленные в системе TN C, должны быть подключены только для отключения фазного проводника. В однофазных системах с объединенными нейтралью и землей (TN C и часть систем TN C S, использующих объединенный нейтральный и заземляющий проводник), при проблемах с контактом в проводнике PEN все части системы заземления за пределами места разрыва поднимутся до потенциала фазного проводника L. В несбалансированной многофазной системе потенциал заземления будет смещаться в сторону наиболее нагруженного фазного проводника. Такое повышение потенциала нейтрали за пределами места разрыва известно как инверсия нейтрали. Поэтому соединения TN C не должны проходить через соединения вилки/розетки или гибкие кабели, где вероятность проблем с контактом выше, чем при стационарной проводке. Существует также риск повреждения кабеля, который можно снизить за счет использования концентрической конструкции кабеля и нескольких заземляющих электродов. Из-за (небольшого) риска повышения потенциала "заземленных" металлических конструкций до опасного уровня при потере нейтрали, в сочетании с повышенным риском поражения электрическим током из-за близости к хорошему контакту с землей, использование систем TN C S запрещено в Великобритании для стоянок автодомов и электроснабжения судов, и настоятельно не рекомендуется для использования на фермах и строительных площадках. В таких случаях рекомендуется выполнять всю наружную проводку по схеме TT с УЗО и отдельным заземляющим электродом. В системах IT одиночное повреждение изоляции вряд ли вызовет опасный ток, протекающий через тело человека, контактирующего с землей, поскольку не существует цепи с низким сопротивлением для протекания такого тока. Однако первое повреждение изоляции может фактически преобразовать систему IT в систему TN, а затем второе повреждение изоляции может привести к опасному току, проходящему через тело человека. Хуже того, в многофазной системе, если один из фазных проводников коснется земли, это приведет к повышению потенциала других фазных проводников до межфазного напряжения относительно земли, а не до фазно-нейтрального напряжения. Системы IT также подвержены большим переходным перенапряжениям, чем другие системы. В системах TN C и TN C S любое соединение между объединенным нейтральным и заземляющим проводником и корпусом заземления может нести значительный ток в нормальных условиях и еще больший ток при обрыве нейтрали. Поэтому основные выравнивающие проводники должны быть рассчитаны с учетом этого. Использование TN C S нецелесообразно в таких местах, как автозаправочные станции, где сочетаются большие объемы подземных металлических конструкций и взрывоопасные газы.

In TN, an insulation fault is very likely to lead to a high short circuit current that will trigger an overcurrent circuit breaker or fuse and disconnect the L conductors. With TT systems, the earth fault loop impedance can be too high to do this, or too high to do it within the required time, so an RCD (formerly ELCB) is usually employed. Earlier TT installations may lack this important safety feature, allowing the CPC (Circuit Protective Conductor or PE) and perhaps associated metallic parts within reach of persons (exposed conductive parts and extraneous conductive parts) to become energized for extended periods under fault conditions, which is a real danger. In TN S and TT systems (and in TN C S beyond the point of the split), a residual current device can be used for additional protection. In the absence of any insulation fault in the consumer device, the equation IL1+IL2+IL3+IN = 0 holds, and an RCD can disconnect the supply as soon as this sum reaches a threshold (typically 10 mA – 500 mA). An insulation fault between either L or N and PE will trigger an RCD with high probability
In IT and TN C networks, residual current devices are far less likely to detect an insulation fault. In a TN C system, they would also be very vulnerable to unwanted triggering from contact between earth conductors of circuits on different RCDs or with real ground, thus making their use impracticable. Also, RCDs usually isolate the neutral core. Since it is unsafe to do this in a TN C system, RCDs on TN C should be wired to only interrupt the line conductor. In single ended single phase systems where the Earth and neutral are combined (TN C, and the part of TN C S systems which uses a combined neutral and earth core), if there is a contact problem in the PEN conductor, then all parts of the earthing system beyond the break will rise to the potential of the L conductor. In an unbalanced multi phase system, the potential of the earthing system will move towards that of the most loaded line conductor. Such a rise in the potential of the neutral beyond the break is known as a neutral inversion. Therefore, TN C connections must not go across plug/socket connections or flexible cables, where there is a higher probability of contact problems than with fixed wiring. There is also a risk if a cable is damaged, which can be mitigated by the use of concentric cable construction and multiple earth electrodes. Due to the (small) risks of the lost neutral raising 'earthed' metal work to a dangerous potential, coupled with the increased shock risk from proximity to good contact with true earth, the use of TN C S supplies is banned in the UK for caravan sites and shore supply to boats, and strongly discouraged for use on farms and outdoor building sites, and in such cases it is recommended to make all outdoor wiring TT with RCD and a separate earth electrode. In IT systems, a single insulation fault is unlikely to cause dangerous currents to flow through a human body in contact with earth, because no low impedance circuit exists for such a current to flow. However, a first insulation fault can effectively turn an IT system into a TN system, and then a second insulation fault can lead to dangerous body currents. Worse, in a multi phase system, if one of the line conductors made contact with earth, it would cause the other phase cores to rise to the phase phase voltage relative to earth rather than the phase neutral voltage. IT systems also experience larger transient overvoltages than other systems. In TN C and TN C S systems, any connection between the combined neutral and earth core and the body of the earth could end up carrying significant current under normal conditions, and could carry even more under a broken neutral situation. Therefore, main equipotential bonding conductors must be sized with this in mind; use of TN C S is inadvisable in situations such as petrol stations, where there is a combination of much buried metalwork and explosive gases.

Электромагнитная совместимость

В системах TN S и TT потребитель имеет заземление с низким уровнем помех, которое не подвержено влиянию напряжения, возникающего на проводнике N из-за возвратных токов и сопротивления этого проводника. Это особенно важно для некоторых видов телекоммуникационного и измерительного оборудования. В системах TT каждый потребитель имеет собственное заземление и не ощущает токи, которые могут быть вызваны другими потребителями в общей линии PE.

Регламенты

В Национальном электрическом кодексе США и Канадском электрическом кодексе подача от распределительного трансформатора использует комбинированный нейтральный и заземляющий проводник, но внутри сооружения используются отдельные нейтральные и защитные заземляющие проводники (TN-C-S). Нейтраль должна быть соединена с землей только на стороне ввода отключающего устройства потребителя. В Аргентине, Франции (TT) и Австралии (TN-C-S) потребители должны обеспечивать собственные заземления. Электроприборы в Японии должны соответствовать закону PSE, а в большинстве строительных установок используется система заземления TT. В Австралии используется система заземления с многократным заземлением нейтрали (MEN), описанная в разделе 5 стандарта AS/NZS 3000. Для потребителя низкого напряжения (LV) это система TN-C от трансформатора на улице до помещения (нейтраль заземляется несколько раз на этом участке) и система TN-S внутри установки, от главной распределительной панели и ниже. В целом, это система TN-C-S. В Дании, согласно постановлению о высоком напряжении (Stærkstrømsbekendtgørelsen), и в Малайзии, согласно Electricity Ordinance 1994 года, все потребители должны использовать заземление TT, хотя в редких случаях допускается TN-C-S (используется аналогично США). Правила отличаются для крупных предприятий. В Индии, согласно правилу 41 Регламента Центрального управления электроэнергетикой (CEAR), 2010 года, предусмотрено заземление нейтрального провода трехфазной четырехпроводной системы и дополнительного третьего провода двухфазной трехпроводной системы. Заземление должно выполняться двумя отдельными соединениями. Система заземления также должна иметь минимум два или более заземляющих контура (электродов) для обеспечения надежного заземления. Согласно правилу 42, установка с подключенной нагрузкой более 5 кВт и напряжением свыше 250 В должна быть оснащена подходящим устройством защитного отключения (УЗО) для отключения нагрузки при замыкании на землю или утечке тока.

Примеры применения

В районах Великобритании, где распространена подземная прокладка кабелей, часто используется система TN S. В Индии электроснабжение низкого напряжения (LT) обычно осуществляется по системе TN S. Нейтраль заземляется дважды на каждом распределительном трансформаторе. Нейтральный и защитный проводники прокладываются раздельно на воздушных линиях электропередач. Для заземления используются отдельные проводники для воздушных линий и броня кабелей. Дополнительные заземляющие электроды/ямы устанавливаются на каждом объекте потребителя для обеспечения резервного пути заземления. Большинство современных домов в Европе используют систему заземления TN C S. Объединение нейтрали и защитного проводника происходит между ближайшей трансформаторной подстанцией и вводным устройством защиты (предохранитель перед счетчиком). После этого во всей внутренней проводке используются отдельные защитный и нейтральный проводники. В старых городских и пригородных домах Великобритании часто встречаются системы TN S, где заземление обеспечивается через свинцовую оболочку подземного свинцово-бумажного кабеля. Система IT с напряжением 230 В между фазами широко используется в Норвегии. По оценкам, 70% всех домохозяйств подключены к сети через систему IT. Однако новые жилые районы в основном строятся с использованием TN C S, что во многом обусловлено тем, что трехфазное оборудование для потребительского рынка, такое как зарядные станции для электромобилей, разрабатывается для европейского рынка, где преобладают системы TN с напряжением 400 В между фазами. Некоторые старые дома, особенно построенные до изобретения устройств защитного отключения (УЗО) и проводных домашних сетей, используют внутреннюю систему TN C. Эта практика больше не рекомендуется. Лабораторные помещения, медицинские учреждения, строительные площадки, ремонтные мастерские, передвижные электроустановки и другие объекты, питаемые от двигателей-генераторов, где существует повышенный риск повреждения изоляции, часто используют систему заземления IT с использованием разделительных трансформаторов. Для снижения риска двойных неисправностей в системах IT разделительные трансформаторы должны питать лишь небольшое количество нагрузок и быть защищены устройством контроля изоляции (обычно используемым только в медицинских, железнодорожных или военных системах IT из-за высокой стоимости). В отдаленных районах, где стоимость дополнительного проводника PE превышает стоимость местного заземления, в некоторых странах часто используются сети TT, особенно в старых зданиях или в сельской местности, где безопасность может быть нарушена обрывом воздушного проводника PE, например, упавшей веткой дерева. Подключение TT к отдельным объектам также встречается в основном в системах TN C S, когда отдельный объект считается неподходящим для подключения TN C S. В Австралии, Новой Зеландии и Израиле используется система TN C S; однако правила электромонтажа требуют, чтобы каждый потребитель также обеспечивал отдельное соединение с землей через выделенный заземляющий электрод. (Все металлические водопроводные трубы, входящие на территорию потребителя, также должны быть "заземлены" к точке заземления на распределительном щите/панели.) В Австралии и Новой Зеландии соединение между защитной шиной заземления и нейтральной шиной на главном щите/панели называется многократно заземленным нейтральным соединением или MEN-соединением. Это MEN-соединение может быть удалено для проведения испытаний установки, но при нормальной эксплуатации соединяется либо с помощью блокирующей системы (например, контргаек), либо двумя или более винтами. В системе MEN целостность нейтрали имеет первостепенное значение. В Австралии новые установки также должны заземлять арматуру бетонного фундамента под влажными помещениями к защитному проводнику заземления (AS3000), обычно увеличивая размер заземления (т.е. уменьшая сопротивление) и обеспечивая выравнивание потенциалов в таких помещениях, как ванные комнаты. В старых установках часто встречается только заземление водопроводных труб, и его можно оставить без изменений, но дополнительный заземляющий электрод должен быть установлен при любых работах по модернизации. Входящий защитный проводник земля/нейтраль подключается к нейтральной шине (расположенной на стороне потребителя от нейтрального соединения счетчика электроэнергии), которая затем через MEN-соединение потребителя подключается к шине заземления – после этой точки защитный и нейтральный проводники разделяются.

In the areas of UK where underground power cabling is prevalent, the TN S system is common. In India LT supply is generally through TN S system. Neutral is double grounded at each distribution transformer. Neutral and earth conductors run separately on overhead distribution lines. Separate conductors for overhead lines and armoring of cables are used for earth connection. Additional earth electrodes/pits are installed at each user end to provide redundant path to earth. Most modern homes in Europe have a TN C S earthing system. The combined neutral and earth occurs between the nearest transformer substation and the service cut out (the fuse before the meter). After this, separate earth and neutral cores are used in all the internal wiring. Older urban and suburban homes in the UK tend to have TN S supplies, with the earth connection delivered through the lead sheath of an underground lead and paper cable. The IT system with 230V between the phases is quite extensively used in Norway. It is estimated that 70% of all households are connected to the grid via the IT system. Newer residential areas are however mostly built with TN C S, in a large degree driven by the fact that three phase products for the consumer market such as electric vehicle charging stations are developed for the European market where TN systems with 400V between the phases dominate. Some older homes, especially those built before the invention of residual current circuit breakers and wired home area networks, use an in house TN C arrangement. This is no longer recommended practice. Laboratory rooms, medical facilities, construction sites, repair workshops, mobile electrical installations, and other environments that are supplied via engine generators where there is an increased risk of insulation faults, often use an IT earthing arrangement supplied from isolation transformers. To mitigate the two fault issues with IT systems, the isolation transformers should supply only a small number of loads each and should be protected with an insulation monitoring device (generally used only by medical, railway or military IT systems, because of cost). In remote areas, where the cost of an additional PE conductor outweighs the cost of a local earth connection, TT networks are commonly used in some countries, especially in older properties or in rural areas, where safety might otherwise be threatened by the fracture of an overhead PE conductor by, say, a fallen tree branch. TT supplies to individual properties are also seen in mostly TN C S systems where an individual property is considered unsuitable for TN C S supply. In Australia, New Zealand and Israel the TN C S system is in use; however, the wiring rules state that, in addition, each customer must provide a separate connection to earth, via a dedicated Earth electrode. (Any metallic water pipes entering the consumer's premises must also be "bonded" to the Earthing point at the distribution Switchboard/Panel.) In Australia and New Zealand the connection between the protective earth bar and the neutral bar at the main Switchboard/Panel is called the multiple earthed neutral Link or MEN Link. This MEN link is removable for installation testing purposes, but is connected during normal service by either a locking system (locknuts for instance) or two or more screws. In the MEN system, the integrity of the neutral is paramount. In Australia, new installations must also bond the foundation concrete re enforcing under wet areas to the protective earth conductor (AS3000), typically increasing the size of the earthing (i. e. reducing resistance), and providing an equipotential plane in areas such as bathrooms. In older installations, it is not uncommon to find only the water pipe bond, and it is allowed to remain as such, but the additional earth electrode must be installed if any upgrade work is done. The incoming protective earth/neutral conductor is connected to a neutral bar (located on the customer's side of the electricity meter's neutral connection) which is then connected via the customer's MEN link to the earth bar – beyond this point, the protective earth and neutral conductors are separate.

Нейтральный твердоземляющий

В системах с твердо заземленным или непосредственно заземленным нейтральным, звездная точка трансформатора напрямую соединена с землей. В этом случае обеспечивается путь низкого сопротивления для тока короткого замыкания на землю, что приводит к его значениям, сопоставимым с токами трехфазного короткого замыкания. Системы с изолированным нейтральным могут продолжать работу и обеспечивать непрерывное электроснабжение даже при возникновении короткого замыкания на землю. Продолжительное существование короткого замыкания на землю может представлять серьезную опасность: при токе более 4–5 А возникает электрическая дуга, которая может поддерживаться даже после устранения неисправности.

Заземляющие стержни

Согласно стандартам IEEE, заземляющие стержни изготавливаются из материалов, таких как медь и сталь. При выборе заземляющего стержня следует учитывать несколько критериев, включая: коррозионную стойкость, диаметр, зависящий от тока короткого замыкания, проводимость и другие параметры. Существуют различные типы стержней, изготовленные из меди и стали: медные, обмедненные, из нержавеющей стали, цельномедные, оцинкованные. В последние десятилетия были разработаны химические заземляющие стержни для создания заземления с низким импедансом, содержащие природные электролитические соли, а также заземляющие стержни из нано-углеродного волокна.

Коннекторы заземления

Коннекторы для заземляющих устройств обеспечивают соединение между различными элементами заземления и систем молниезащиты (заземлители, заземляющие проводники, токоотводы, шины и т.д.). Для высоковольтных установок для подземных соединений применяется экзотермическая сварка.

Сопротивление почвы

Сопротивление грунта является важным аспектом при проектировании и расчете системы заземления/заземляющей установки. Его величина определяет эффективность отвода нежелательных токов к нулевому потенциалу (земле). Сопротивление геологического материала зависит от нескольких факторов: наличия металлических руд, температуры геологического слоя, наличия археологических или строительных объектов, содержания растворенных солей и загрязняющих веществ, пористости и проницаемости. Существует несколько основных методов измерения сопротивления грунта. Измерение выполняется с использованием двух, трех или четырех электродов. Методы измерения включают: метод двух полюсов, метод двух диполей, метод полюс-диполь, метод Веннера и метод Шлюмберже.