Системи заземлення TN-C, TN-S, TN-C-S і TT: що обрати

Правильно обрана система заземлення для будинку визначає, чи спрацює захисна автоматика під час пробою ізоляції на корпус електроприладу та чи не з’явиться на ньому небезпечний потенціал із зовнішньої мережі. Стандарти серії IEC 60364 та Глава 1.7 ПУЕ регламентують чотири основні конфігурації низьковольтних мереж для житлового й комерційного сектору: TN-C, TN-S, TN-C-S та TT. Нижче наведено технічний розбір кожної схеми, правила організації вузла поділу PEN-провідника у ввідно-розподільчому щиті (ВРЩ) та критерії вибору конфігурації залежно від стану живильної лінії.

Як розшифровуються літери: класифікація систем заземлення за IEC 60364

Міжнародна класифікація будується на буквеному коді, де кожен символ описує гальванічний зв’язок між трансформаторною підстанцією (ТП), відкритими провідними частинами електроустановки та землею.

• Перша літера визначає характер заземлення джерела живлення (нейтралі трансформатора). Літера T (від фр. Terre — земля) означає безпосереднє приєднання нейтралі трансформатора до глухозаземленого контуру підстанції. Літера I (Isolé — ізольований) вказує на те, що всі струмовідні частини ізольовані від землі або приєднані до неї через великий опір (використовується в операційних блоках лікарень та на промислових об’єктах, у побуті не застосовується).
• Друга літера описує стан відкритих провідних частин будівлі (металевих корпусів щитів, пральних машин, бойлерів, котлів) відносно землі. Літера N (Neutre — нейтраль) вказує на прямий металевий зв’язок корпусів обладнання з глухозаземленою нейтраллю трансформатора через нульові захисні провідники. Літера T на другій позиції означає, що відкриті провідні частини заземлені безпосередньо у споживача через локальний контур, який електрично не пов’язаний із нейтраллю джерела живлення.
• Літери після дефіса уточнюють конфігурацію нульових робочих (N — Neutral) та захисних (PE — Protective Earth) провідників у системах класу TN. Індекс C (Combined) означає, що функції робочого нуля та захисного заземлення об’єднані в одному суміщеному провіднику PEN на всій довжині мережі. Індекс S (Separated) свідчить про повне фізичне розділення провідників N і PE від самої підстанції. Комбінація C-S вказує на те, що в магістральній частині мережі функції суміщені у провіднику PEN, але починаючи з певної точки (зазвичай на вводі в будівлю) вони розділяються на незалежні шини PE та N.

Принцип роботи та схеми систем: TN-C, TN-S, TN-C-S і TT

Кожна система заземлення формує власний шлях проходження аварійного струму при однофазному замиканні на корпус і висуває різні вимоги до апаратів захисту.

TN-C — застаріла чотирипровідна (у трифазному виконанні: L1, L2, L3, PEN) або двопровідна однофазна мережа старого житлового фонду. Окремий провідник PE тут відсутній: корпуси електроустановок приєднуються безпосередньо до робочого нуля («занулення»). Головна небезпека схеми полягає в тому, що при обриві або відгоранні провідника PEN у магістралі на всіх металевих корпусах приладів, увімкнених після місця обриву, миттєво з’являється фазна напруга до 230 В відносно землі, і жоден автоматичний вимикач на цю аварію не реагує. У новому будівництві та при реконструкції мереж система TN-C заборонена.

TN-S — найбільш безпечна п’ятипровідна трифазна (L1, L2, L3, N, PE) або трипровідна однофазна схема. У системі TN-S провідники N і PE розділені на всій протяжності від трансформатора до споживача, що повністю виключає протікання робочих струмів навантаження по захисних корпусах і забезпечує мінімальний рівень електромагнітних завад (GT Engineering — TN Systems: the basics). Навіть у разі обриву робочого нуля N потенціал на захисному провіднику PE залишається рівним потенціалу землі. Основний недолік — висока вартість кабельної інфраструктури з п’ятижильними магістралями.

TN-C-S — базова рекомендована схема для сучасної міської забудови та котеджних містечок з оновленими лініями електропередач. Від ТП до ввідного щита будівлі йде чотирижильний кабель або повітряна лінія з провідником PEN. У ВРЩ споживача виконується поділ PEN на окремі провідники PE та N з обов’язковим приєднанням головної заземлювальної шини (ГЗШ) до повторного заземлювача будинку. Усередині будівлі розводка виконується вже за п’яти- або трипровідною схемою. Уразливим місцем залишається ділянка магістралі до точки поділу: у разі аварійного обриву PEN на повітряній лінії струм небалансу фаз усієї вулиці може піти через повторний заземлювач конкретного будинку.

Система TT передбачає, що нейтраль трансформатора на підстанції глухо заземлена, але до споживача приходять лише фазні провідники та робочий нуль N. Захисне заземлення будинку (PE) підключається до власного локального заземлювального пристрою, який не має гальванічного зв’язку з нульовим провідником мережі. Завдяки цьому аварії на зовнішній лінії (обрив PEN, нахльостування проводів) не можуть винести небезпечний потенціал на корпуси побутової техніки. Проте через відносно високий опір локального контуру (одиниці або десятки Ом) струм замикання фази на корпус недостатній для миттєвого спрацювання електромагнітного розчіплювача автомата, тому експлуатація системи TT без пристроїв захисного відключення (ПЗВ) категорично заборонена.

Порівняльна таблиця характеристик систем заземлення

Вибір оптимальної конфігурації для проєкту вимагає оцінки трьох факторів: струму однофазного короткого замикання на землю, захищеності від зовнішніх аварій та електромагнітної сумісності (EMC) для серверного, медичного або чутливого телекомунікаційного обладнання.

З таблиці видно фундаментальну різницю у фізиці процесу: у системах групи TN замикання фази на заземлений корпус перетворюється на металеве однофазне коротке замикання зі струмом у сотні ампер, що викликає миттєве відключення лінії автоматом за частки секунди. У системі TT струм замикання проходить крізь товщу ґрунту між заземлювачем будинку та заземлювачем підстанції; при сумарному опорі контурів, наприклад, 20 Ом струм витоку при 230 В складе лише 11,5 А, чого недостатньо навіть для теплового розчіплювача автомата C16, але достатньо для миттєвого спрацювання ПЗВ з уставкою 30–300 мА.

Вузол поділу PEN на PE і N у ввідному щиті: правила монтажу з клемами ONKA

При реалізації схеми TN-C-S поділ суміщеного провідника виконується у ввідно-розподільчому щиті до ввідного комутаційного апарата або паралельно йому (для фаз). ПУЕ дозволяє виконувати поділ лише за умови, що переріз ввідного PEN-провідника становить не менше 10 мм² за міддю або 16 мм² за алюмінієм. Для однофазних і трифазних щитів вузол поділу зручно збирати на латунних шинах або спеціалізованих клемних блоках на DIN-рейку.

Головне правило комутації стосується пріоритету захисного кола: при реалізації вузла поділу PEN у ввідно-розподільчому щиті вхідний PEN-провідник повинен підключатися безпосередньо до клеми або шини захисного заземлення (PE), від якої встановлюється перемичка на робочу нульову шину (N), а не навпаки (Schneider Electric Cahier Technique no. 172). До цієї ж шини PE під’єднується провідник від локального контуру повторного заземлення будинку. Якщо зробити навпаки (спочатку завести PEN на шину N, а з неї кинути перемичку на PE), то у разі ослаблення або відгорання перемички будинок втратить захисне заземлення, хоча електроприлади продовжать працювати у штатному режимі.

Для побудови надійного вузла поділу у щитах автоматики та ВРЩ застосовуються гвинтові клеми ONKA на DIN-рейку та розподільчі латунні шини:

• При використанні відкритих шин встановлюють дві окремі латунні планки нульової шини N/PE ONKA: наприклад, на струм до 80 А (переріз 6,5×9 мм, артикули 1080101–1080105 на 5–15 отворів) або для потужних вводів до 160 А (переріз 7×12 мм, артикули 1080115–1080118) та 250 А (10×15 мм, артикули 1080123–1080126). Детальніше про вибір матеріалу шин читайте у статті про провідність латуні та міді у шинах N/PE.
• При збиранні щита на модульних клемах відхідні провідники PE заводять на жовто-зелені гвинтові клеми заземлення ONKA серії MRK відповідного перерізу: 10 мм² (арт. 1010221), 16 мм² (арт. 1010532) або 35 мм² (арт. 1010533). Їхня сталева ніжка при затягуванні гвинта створює прямий гальванічний контакт із профілем оцинкованої сталевої DIN-рейки ONKA (наприклад, 35×7,5 мм арт. 1100092 або посиленої 35×15 мм арт. 1100106), тож рейка теж з’єднана з PE. Проте струм PEN через рейку пускати не варто: вхідний PEN, провідник заземлювача і перемичку на N заводять на латунну шину PE.
• Поруч встановлюють групу синіх прохідних клем ONKA для робочого нуля N (наприклад, на 10 мм² арт. 1010045 або 16 мм² арт. 1010055), які ізольовані від DIN-рейки. Перемичку від шини PE на шину N виконують мідним проводом перерізом, не меншим за переріз ввідного PEN, а сині клеми N між собою об’єднують штатними гребінчастими перемичками ONKA (для клем 10 мм² — арт. 1060121 на 2 полюси, для 16 мм² — арт. 1060154 на 4 полюси).
• Щоб чітко ідентифікувати вузол у щиті, на клеми встановлюють маркування ONKA 5×5 мм із символами: «PE» (арт. 1060268), значок заземлення «⏚» (арт. 1060266) та «N» (арт. 1060285), а по краях клемної збірки монтують торцеві фіксатори на DIN-рейку (арт. 1060014 або 1060005).

Під час монтажу необхідно суворо дотримуватися двох нормативних заборон. По-перше, згідно з ПУЕ України (Глава 1.7, п. 1.7.158), забороняється включати комутаційні та розчіплювальні апарати в кола захисних провідників PE і суміщених PEN; комутація нейтралі допускається лише за умови одночасного відключення фазних ліній або в колах N вже після точки поділу PEN (ПУЕ України, Глава 1.7). Тобто ввідний PEN не можна заводити у полюс три- чи чотириполюсного автомата до його фізичного розділення на шині PE. По-друге, відповідно до IEC 60364-5-54 (п. 543.4.3) та ПУЕ (п. 1.7.147), якщо в будь-якій точці електроустановки нейтральний (N) та захисний (PE) провідники розділені з провідника PEN, їхнє повторне об’єднання далі за ходом розподілу енергії суворо заборонено (Schneider Electric ECT172).

Що вибрати: рекомендації для квартири та приватного будинку

Вибір системи заземлення ніколи не робиться довільно — він продиктований станом зовнішньої розподільчої мережі та конструкцією ввідного стояка будівлі.

Багатоквартирні будинки. У новобудовах проєктом зазвичай вже закладена система TN-C-S (поділ PEN виконано у загальнобудинковому ВРЩ у підвалі або електрощитовій) чи TN-S, і до поверхового щитка приходить п’ять провідників (3L + N + PE). У будинках старого фонду з чотирипровідним стояком TN-C робити індивідуальний поділ PEN у своєму поверховому щитку не можна: при перерізі старих алюмінієвих стояків та відсутності системи зрівнювання потенціалів будівлі відгорання нуля у підвалі призведе до того, що струм усього під’їзду піде через захисні контакти ваших розеток на водопровідні труби чи арматуру. При капітальному ремонті у такій квартирі прокладають трижильний кабель (L, N, PE), але жовто-зелений провідник PE у щитку залишають ізольованим і непідключеним до моменту офіційної реконструкції загальнобудинкового стояка, а захист людей забезпечують встановленням ПЗВ на 10–30 мА.

Приватний будинок. Якщо котедж підключений підземним кабелем або сучасною повітряною лінією із самонесучим ізольованим проводом (СІП) з повторними заземленнями на опорах, базовим рішенням є система TN-C-S з поділом PEN у ввідному щиті (місце поділу — до чи після лічильника — погоджують з обленерго в технічних умовах). Конструктивні особливості організації локального контуру при роботі з резервними джерелами ми вже розбирали у статті «Заземлення генератора в приватному будинку».

Перехід на систему TT для приватного будинку потрібен у двох випадках:

1. Вулична лінія виконана неізольованими алюмінієвими проводами малого перерізу на дерев’яних або старих залізобетонних опорах без повторних заземлювачів, де високий ризик обриву або схльостування проводів.
2. Тимчасові споруди, будівельні майданчики або об’єкти з підвищеними вимогами до відсутності мережевих завад на шині заземлення.

При виборі схеми TT життєво необхідно реалізувати мінімум двоступеневий диференційний захист (оскільки відмова єдиного ПЗВ залишить будинок взагалі без захисту від замикання на землю): на вводі у щит ставлять селективне протипожежне ПЗВ (тип S) зі струмом витоку 100–300 мА, а на групові лінії — швидкодіючі ПЗВ або дифавтомати на 10–30 мА.

Часті запитання

Чому не можна об’єднувати нуль (N) і заземлення (PE) у розетках або підщитках після їх розділення?

Якщо після точки поділу у ВРЩ знову з’єднати N та PE (наприклад, у поверховому щитку або розетці), частина робочого струму навантаження почне постійно текти по захисному провіднику PE і металевих корпусах приладів. Це призведе до хибного спрацювання всіх ПЗВ на лінії, появи електромагнітних завад і блукаючих струмів на трубах та корпусах техніки.

Чи можна ділити PEN-провідник після ввідного автомата або лічильника?

Згідно з п. 1.7.158 ПУЕ у колі PEN-провідника заборонено встановлювати будь-які комутаційні апарати, тому розривати PEN однополюсним або чотириполюсним автоматом до точки його поділу на PE та N не можна. Після лічильника ділити PEN можна: головне, щоб до точки поділу в колі PEN не було автоматів, рубильників чи реле. Місце поділу погоджують з обленерго в технічних умовах на приєднання.

Який мінімальний переріз кабелю допускається для поділу PEN у системі TN-C-S?

Поділ суміщеного PEN-провідника на окремі шини PE і N дозволяється лише тоді, коли його переріз становить не менше 10 мм² для мідних жил або не менше 16 мм² для алюмінієвих. Якщо до будинку підходить старий кабель меншого перерізу, реалізовувати схему TN-C-S заборонено — необхідно переходити на систему заземлення TT з обов’язковим встановленням ПЗВ.

Чи спрацює звичайний автоматичний вимикач при пробої фази на корпус у системі TT?

Ні, у більшості випадків не спрацює. Через опір локального контуру заземлення споживача та контуру трансформатора струм замикання на землю становить лише десятки ампер, чого недостатньо для миттєвого відключення автомата, тому в системі TT захист від ураження струмом забезпечують виключно ПЗВ (диференційні реле).

Джерела

• GT Engineering — TN Systems: the basics (IEC 60364-1)
• Schneider Electric Cahier Technique no. 172 — System earthing in LV
• ПУЕ України (Глава 1.7) — Заземлення і захисні заходи електробезпеки