Павлов В. - Внедрение сетей типа «ТТ»: технические и нормативные предпосылки.

Владимир Павлов, руководитель Центра беопасности электроустановок и систем, член-корреспондент МАНЭБ Государственный технический университет С-Петербург

Современная практика применения систем электроснабжения жилых и общественных зданий в России в основном основана на использовании источников электроэнергии с глухозаземленной нейтралью. Это требование удовлетворяет условиям защиты от перехода высокого напряжения (системы канализации энергии напряжением выше 1000 В) на сторону низкого напряжения (системы распределения энергии с напряжением ниже 1000 В) в понижающих трансформаторах питающих подстанций. И, кроме того, этот режим нейтрали источника позволяет получить два уровня напряжения питания потребителей – фазное (для бытовых целей – в квартирах – между фазным и нулевым рабочим проводником) и линейное (для коммунальных целей – например для лифтового хозяйства, для вентиляции и отопления – между любыми двумя фазами трехфазной системы электроснабжения).
Рисунок 1
Принцип действия системы защиты в сетях типа ТТ с использованием УЗО

Использование таких сетей требует применения защитных мероприятий, которые защищают пользователей от поражения электрическим током. Если данный вид сетей используется в жилых и общественных зданиях, то необходимость применения различных защит определяется реальными условиями эксплуатации. При широком применении крупноблочного строительства и повсеместном использовании систем водяного отопления в условиях малометражных помещений большинство помещений следует отнести к помещениям с повышенной опасностью поражения электрическим током или даже особоопасным помещениям. Конструктивные меры защиты электроустановок (например закрытие радиаторов водяного отопления щитами из изоляционных материалов и удаленное от радиаторов системы отопления размещение розеток системы электроснабжения) либо труднореализуемы, либо ненадежны при эксплуатации системы неквалифицированными пользователями. Поэтому наряду с ужесточением требований к изделиям, которые предназначены для эксплуатации в таких помещениях (в части изоляции и качества защитных оболочек), к таким системам предъявляются определенные требования по построению схемных защит.
В сетях с глухозаземленной нейтралью и нулевым проводом (трехфазных четырехпроводных или однофазных двух-трехпроводных) «Правила Устройства Электроустановок» (п.1.7.39) рекомендуют применять зануление корпусов (оболочек электрооборудования) классов 1 и 01 как защитную меру схемотехнического плана. Напомню, что действие защитного зануления основано на переводе режима аварийного однополюсного снижения сопротивления изоляции токоведущих частей электротехнического изделия относительно металлического корпуса потребителя — в режим короткого замыкания в цепи фаза — ноль. Данный режим характеризуется протеканием в цепи токов КЗ, вызывающих срабатывание устройств защиты от токов КЗ. Критики данной системы защиты обоснованно указывают на ряд присущих ей органических недостатков и в качестве альтернативы предлагают использование апробированной на Западе системы защиты с использованием устройств защитного отключения. Действительно, к недостаткам зануления можно отнести слудующее:

зануление является достаточно грубым видом защиты и предназначено только для защиты от повреждения изоляции типа замыкание на корпус, но не защищает от повреждения кабелей, розеток и т.п. — т.е от частичного ухудшения сопротивления изоляции, когда защита еще не срабатывает, но уже могут протекать токи утечки опасной для человека величины;
сложность и пожароопасность испытаний системы зануления для реальных параметров аппаратов (перегрузка сети и выработка ресурса аппаратуры защиты) и проводников (измерение сопротивления цепи фаза — ноль), отсутствие встроенных в систему устройств проверки её работоспособности;
плохие эксплуатационные качества системы (использование “жучков” или способных “отказать” дешевых автоматических выключателей, неправильный выбор сечения нулевого защитного проводника, плохое качество контактов) ведёт к отказам системы защиты (увеличивает пожарную опасность режима) или её неселективной работе (подчас раньше, чем периферийные, срабатывает более надежный, но и дорогой групповой автоматический выключатель, отключающий несколько групп электроприёмников);
при отказе системы защиты все соединенные с нейтралью источника корпуса исправных электроприёмников окажутся под действием вынесенных потенциалов от неисправных потребителей и т.д.;
отсутствие в большинстве зданий старой постройки трехжильной проводки;
использование в части зданий в качестве устройств защиты от токов КЗ предохранителей, устанавливаемых в рассечку обоих проводов питающей сети (что недопустимо).

Основным же органическим недостатком такой системы защиты является невозможность действенного контроля за системой защиты со стороны органов надзора. Появление в системе одной некорректной защиты – неисправной или неверно настроенной системы зануления, или, что еще опаснее – выполнение одного случая заземления корпуса без выполнения зануления – может привести к появлению на корпусах всех зануленных и вполне исправных электроприемников опасного потенциала при неисправности в указанном, с неверно выбранной системой защиты.
Поэтому противники системы зануления рекомендуют, ссылаясь на зарубежный опыт, отказаться от системы защиты с использованием зануления корпусов. В качестве альтернативы чаще всего предлагается дополнить систему типа TN вспомогательной защитой с использованием устройств защитного отключения. Такое решение сейчас является общеизвестным и на нем не требуется заострять внимание читателя. Следует только отметить — при анализе таких систем выясняется, что это решение является половинчатым – хотя надежность системы защиты и возрастает, но большинство недостатков системы TN присущи и этой комбинированной системе, которая, к тому же, имеет и существенно более высокую стоимость.
Взамен автором предлагается совершить радикальный переход к системе защиты, в которой не используется зануление металлических корпусов электроприемников. Такие системы получили широкое распространение в европейских странах со схожими характеристиками системы электроснабжения при эксплуатации бытовых систем электроснабжения. Они имеют международное обозначение «ТТ», т.е. это системы с рабочим заземлением нулевой (нейтральной) точки источника электроэнергии, а в качестве защиты предлагается вместо зануления использовать независимое от рабочего заземления – защитное заземление металлических корпусов электроприемников в сочетании с обязательным применением устройств защитного отключения (УЗО). Применение таких сетей и такого способа защиты сейчас допущено стандартом РФ ГОСТ Р 50571. 2-94 «Электроустановки зданий.Часть 3. Основные характеристики».
Особое внимание следует обратить на этот стандарт, поскольку он частично дополняет и изменяет требования к мерам обеспечения электробезопасности электроустановок зданий по сравнению с требованиями «Правил Устройства Электроустановок». Расширенные требования к предлагаемой системе защиты регламентированы разделами ряда других нормативных документов:

ГОСТ Р 50571.3-94 (МЭК 364-4-41-92) Электроустановки зданий. Часть 4.
Требования по обеспечению безопасности. Защита от поражения электрическим током.
ГОСТ Р 50571.8-94 Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Общие требования по применению мер защиты для обеспечения безопасности. Требования по применению мер защиты от поражения электрическим током.
ГОСТ Р 50571.11-96 (МЭК 364-701-84) Электроустановки зданий. Часть 7. Требования к специальным электроустановкам. Раздел 701. Ванные и душевые помещения.
ГОСТ Р 50669-94 Электроснабжение и электробезопасность мобильных (инвентарных) зданий из металла или с металлическим каркасом для уличной торговли и бытового обслуживания населения. Технические требования.
ГОСТ Р 50807 (МЭК 755-83) Устройства защитные, управляемые дифференциальным (остаточным) током.
ППБ 01-93 Правила пожарной безопасности в РФ.
ВСН 59-88 Электрооборудование жилых и общественных зданий. Нормы проектирования. (Госкомархитектуры. — М., 1990).
НПБ 243-97 Устройства защитного отключения. Требования пожарной безопасности. Методы испытаний.
Временные указания по применению устройств защитного отключения в электроустановках жилых зданий (письмо Главгосэнергонадзора РФ № 42-6/9-ЭТ от 29.04.97 г.)
Частично эти изменения внесены и в «Правила устройства электроустановок» (Минэнерго СССР — 6-е изд., переработанное и дополненное, с изменениями — М.: Главгосэнергонадзор, 1998).

Действительно, применение УЗО (устройств защиты на дифференциальных остаточных токах) в сочетании с заземлением металлических корпусов электроприемников кажется предпочтительным. Принцип действия защиты в сетях типа ТТ ясен из Рисунков 1 и 2.

Рисунок 2
Опасные ситуации, защита от которых обеспечивается применением сетей типа «ТТ»

Отличительной особенностью данного вида сетей является возможность их «настройки» на обеспечение наибольшей эффективности защиты путем выбора величины сопротивления рабочего заземления нейтрали источника электроэнергии. Т.е. за счет замены сетей с глухим заземлением нейтрали источника – на сети с эффективным заземлением нейтрали.
Выбор настроек системы защиты с использованием УЗО ориентирован на поиск компромисса между безопасностью, надежностью и бесперебойностью электроснабжения. Как следует из кривых, приведенных на рисунке 3, наиболее безопасны сети с высокочувствительными УЗО, но возможность ложных срабатываний требует «загрубления» этого вида защит.

Рисунок 3
Выбор характеристик УЗО в соответствии с ГОСТ 12.1.038-82
(кривые 1 и 2: зависимости необходимого времени отключения тока через тело человека при аварийных режимах соответственно в бытовых и производственных электроустановках;
кривые 3 и 4: токовременные характеристики УЗО с уставками 10 и 30 мА соответственно (рекомендация ГОСТ Р 50807-95)

Поэтому наибольшее распространение получили в настоящее время УЗО с токами уставки по дифференциальному току срабатывания величиной 30 мА. Произведенный автором расчет дополнительного показателя безопасности, в качестве которого использовался показатель «количества электричества» через тело человека, показал, что даже если в сетях типа ТТ защитное заземление будет выполнено недостаточно корректно (сопротивление защитного заземления порядка 2000 – 3000 Ом, что соответствует сопротивлению заземления за счет естественного контакта корпуса электроприемника с бетонными строительными конструкциями современного здания), то оптимальная величина сопротивления рабочего заземления нейтрали источника для обеспечения минимальной величины принятого критерия безопасности должна иметь величину порядка 3000 Ом. Выйгрыш обеспечивается за счет снижения в таких системах величины тока через тело человека (за счет увеличения общего сопротивления цепи протекания этого тока), которое ведет к сравнительно незначительному увеличению времени срабатывания УЗО. Указанная величина сопротивления заземления нейтрали является оптимальной – дальнейшее увеличение этого сопротивления ведет к возрастанию опасности.
Анализ полученных результатов позволил сделать вывод, что при использовании УЗО с уставками по дифференциальному току срабатывания величиной 30 и 10 мА в сетях типа ТТ с указанными характеристиками настройки защит (по сопротивлению рабочего заземления) их срабатывание может быть обеспечено во всем диапазоне сопротивлений защитного заземления. Что позволяет строить многоуровневые системы защиты с возможностью обеспечения селективности срабатывания – см. Рис.4.

Рис.4 Способы обеспечения селективности работы нескольких УЗО

Таким образом, применение защит на основе УЗО в сетях типа ТТ дает существенные преимущества перед защитами в сетях TN:

во-первых: такие системы способны выявить незначительные снижения сопротивления изоляции потребителей и отключить последние не доводя дело до момента возникновения металлического замыкания токоведущих частей на корпус.
во-вторых: они способны защитить человека не только от замыкания на корпус потребителя, но и от непосредственного прикосновения к токоведущим частям сети. Их быстродействие оказывается достаточным для обеспечения уверенной защиты людей.
кроме того: такие системы обладают достаточной селективностью, что позволяет отключать участок сети с возникшим повреждением.

В то же время и системы защиты типа ТТ с использованием УЗО имеют ряд недостатков, определяемых особенностями поведения УЗО: например повышенная вероятность ложного срабатывания защиты (хотя ввиду большего сопротивления цепи протекания токов утечки эта вероятность ниже, чем в сетях типа TN), неуверенное поведение устройств при их эксплуатации в сетях, содержащих полупроводниковые преобразователи напряжения (а таких сетей сейчас большинство), сравнительная дороговизна системы защиты при использовании сложных устройств и недостаточная стабильность характеристик относительно дешевых УЗО.
В заключении хотелось бы остановиться не на технических, а на организационных проблемах быстрого внедрения сетей типа ТТ.
Такие сети, видимо целесообразно использовать как во вновь строящихся зданиях (возможно уже с учетом замечаний об использования систем электроснабжения с «эффективным заземлением нейтрали источника», так и при реконструкции систем электроснабжения зданий старой постройки – высокая чувствительность таких защит позволяет модернизировать электросистему одной квартиры, т.к. требованиями к заземляющей магистрали и заземляющим проводникам гораздо мягче, чем к проводникам защитного зануления, а эффективность защит от этого не страдает. Причем, если для целей заземления использовать магистрали водопровода, то это автоматически обеспечит и выравнивание потенциалов всех металлоконструкций, оболочек и корпусов в пределах одного или нескольких помещений — а это является дополнительной защитой, повышающей надежность всего комплекса защит.
Этот вид сетей видимо не имеет конкурентов при электроснабжении дачных и садовых построек – используемая двухпроводная система электроснабжения практически не требует переделок – УЗО и дешевое заземление встраиваются в сети конкретного потребителя.
Если проблема будет решаться, то встанет вопрос об оснащении квартир упомянутыми устройствами защитного отключения. Предложений продавцов в настоящее время достаточно много, но это в первую очередь образцы «западных» производителей. Их дороговизна препятствует сбыту, а отсутствие сбыта – не позволяет сформировать стабильный рынок и снижать цены. Выход видится в большем применении устройств отечественного производства. И тем более обидно, что Санкт-Петербург пока не представлен на рынке своей продукцией. Хотя производственные мощности для этого в городе существуют. По моим оценкам для отечественного рынка все таки более предпочтительны не просто УЗО, а дифференциальные автоматы, где функции УЗО сочетаются с функциями защиты сетей от коротких замыканий. При этом хорошо бы, чтобы стоимость таких изделий не превышала 20-25$ за единицу, т.к. для одной квартиры (домика) нужно, как минимум, 3-4 устройства. Особая проблема – тип устройства – электронное (более точное, но с проблемами надежности защиты) или электромеханическое (надежное, но с большим разбросом параметров). Это отдельная проблема, находящаяся за рамками настоящей статьи.
Организационное начало для решения проблемы также отсутствует. А ведь в Москве, да и в десятке других городов РФ разработана и действует программа внедрения УЗО за счет средств города и населения – а это значительный сегмент рынка оказания электротехнических услуг. Видимо в Северо – Западном регионе нет инициативных людей, способных поставить такую задачу. По моей экспертной оценке появление такой программы потребовало бы переоборудования в регионе за 4 — 6 лет не менее 800000 электроустановок и потребовало бы более 3 млн. единиц УЗО различного типа.