Kompleksowy przewodnik po systemach uziemienia

System uziemienia, znany również jako system ziemny, łączy określone części systemu energetycznego z ziemią, zwykle przewodzącą powierzchnią Ziemi, w celach bezpieczeństwa i funkcjonalnych. Wybór systemu uziemienia może wpłynąć na bezpieczeństwo i elektromagnetyczną zgodność instalacji. Przepisy dotyczące systemów uziemienia różnią się między krajami, choć większość kieruje się zaleceniami Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC). W tym artykule wyjaśnimy różne typy systemów uziemienia, ich zalety i wady oraz jak je projektować i instalować.

Co to jest system uziemienia?

System uziemienia definiuje się jako zestaw przewodników i elektrod, które zapewniają niskoprzeciwstawowy szlak dla prądu elektrycznego, aby płynął do ziemi w przypadku awarii lub nieprawidłowości. Jest to ważne z kilku powodów:

• Ochrona sprzętu: System uziemienia pomaga chronić urządzenia elektryczne przed uszkodzeniami spowodowanymi nadmiernym napięciem lub zwarciami. Zapobiega również nagromadzeniu ładunku statycznego i skokom napięcia wywołanym pobliskimi uderzeniami piorunów lub operacjami przełączania.

• Ochrona ludzi: System uziemienia pomaga zapobiegać zagrożeniom porażeniem elektrycznym, zapewniając, że odsłonięte części metalowe instalacji elektrycznej są w tym samym potencjale co ziemia. Ułatwia także działanie urządzeń ochronnych, takich jak automaty zabezpieczające lub urządzenia ochronne przeciwko resztowemu prądowi (RCD), które mogą odłączyć zasilanie w przypadku awarii.

• Punkt odniesienia: System uziemienia zapewnia punkt odniesienia dla obwodów elektrycznych i urządzeń, dzięki czemu mogą one działać na bezpiecznym poziomie napięcia względem Ziemi. Zapewnia to, że każda energia elektryczna, która nie jest zużyta przez obciążenie, jest bezpiecznie odprowadzana do ziemi.

Typy systemów uziemienia

BS 7671 wymienia pięć typów systemów uziemienia: TN-S, TN-C-S, TT, TN-C i IT. Litery T i N oznaczają:

• T = Ziemia (z francuskiego słowa Terre)

• N = Neutral

Litery S, C i I oznaczają:

• S = Oddzielny

• C = Połączony

• I = Izolowany

Typ systemu uziemienia zależy od tego, jak źródło energii (np. transformator lub generator) jest podłączone do ziemi oraz jak terminal uziemienia użytkownika jest podłączony do źródła lub do lokalnej elektrody uziemienia.

System TN-S

System TN-S, pokazany na Rysunku 1, ma neutralne źródło energii podłączone do ziemi tylko w jednym miejscu, przy lub jak najbliżej źródła. Terminal uziemienia użytkownika jest zazwyczaj podłączony do metalowej osłony lub pancerza kabla dystrybutora dostarczanego do obiektu.

Rysunek 1: System TN-S

Zalety systemu TN-S to:

• Zapewnia niskoprzeciwstawowy szlak dla prądów zwarcia, co gwarantuje szybkie działanie urządzeń ochronnych.

• Unika jakiejkolwiek różnicy potencjału między neutralnym a ziemią w obrębie lokalu użytkownika.

• Zmniejsza ryzyko elektromagnetycznych zakłóceń spowodowanych prądami wspólnego trybu.

Wady systemu TN-S to:

• Wymaga oddzielnego przewodu ochronnego (PE) obok przewodów zasilających, co zwiększa koszty i złożoność instalacji drutów.

• Może być dotknięty korozją lub uszkodzeniem metalowej osłony lub pancerza kabla dystrybutora, co może kompromitować jego skuteczność.

System TN-C-S

System TN-C-S, pokazany na Rysunku 2, ma neutralny przewód zasilający głównego dystrybutora podłączony do ziemi w źródle i w odstępach wzdłuż jego biegu. Ta konfiguracja jest zazwyczaj nazywana wielokrotnym uziemieniem ochronnym (PME). Dzięki temu, neutralny przewód dystrybutora służy również do bezpiecznego powrotu prądów zwarcia z instalacji użytkownika do źródła. Aby to osiągnąć, dystrybutor zapewni terminal uziemienia użytkownika, który jest połączony z przychodzącym przewodem neutralnym.

Rysunek 2: System TN-C-S

Zalety systemu TN-C-S to:

• Zmniejsza liczbę przewodów wymaganych do zasilania, co obniża koszty i złożoność instalacji.

• Zapewnia niskoprzeciwstawowy szlak dla prądów zwarcia, co gwarantuje szybkie działanie urządzeń ochronnych.

• Unika jakiejkolwiek różnicy potencjału między neutralnym a ziemią w obrębie lokalu użytkownika.

Wady systemu TN-C-S to:

• Może stworzyć ryzyko porażenia elektrycznego, jeśli wystąpi przerwa w przewodzie neutralnym między dwoma punktami uziemienia, co może spowodować wzrost napięcia dotykowego na odsłoniętych częściach metalowych.

• Może spowodować niepożądane prądy płynące w metalowych rurach lub strukturach, które są podłączone do ziemi w różnych miejscach, co może prowadzić do korozji lub zakłóceń.

System TT

System TT, pokazany na Rysunku 3, ma zarówno źródło, jak i instalację użytkownika podłączone do ziemi poprzez osobne elektrody. Te elektrody nie mają bezpośredniego połączenia między sobą. Ten typ systemu uziemienia stosuje się zarówno do trójfazowych, jak i jednofazowych instalacji.

Rysunek 3: System TT

Zalety systemu TT to:

• Eliminuje ryzyko porażenia elektrycznego spowodowane przerwą w przewodzie neutralnym lub kontaktu między przewodami żywymi a metalowymi częściami uziemionymi.

• Unika niepożądanych prądów w metalowych rurach lub strukturach, które są podłączone do ziemi w różnych miejscach.

• Zapewnia większą elastyczność w wyborze lokalizacji i rodzaju elektrod uziemienia.

Wady systemu TT to:

• Wymaga skutecznej lokalnej elektrody uziemienia dla każdej instalacji, co może być trudne lub kosztowne do osiągnięcia w zależności od warunków glebowych i dostępności miejsca.

• Wymaga dodatkowych urządzeń ochronnych, takich jak RCD lub ELCB sterowane napięciem, aby zapewnić niezawodne odłączenie w przypadku awarii.

• Może prowadzić do wyższego napięcia dotykowego na odsłoniętych częściach metalowych ze względu na wyższą impedancję pętli uziemienia.

System TN-C

System TN-C, pokazany na Rysunku 4, ma funkcje neutralne i ochronne połączone w jednym przewodzie przez cały system. Ten przewód nazywa się PEN (ochronno-neutralny). Terminal uziemienia użytkownika jest bezpośrednio podłączony do tego przewodu.

Rysunek 4: System TN-C

Zalety systemu TN-C to:

• Zmniejsza liczbę przewodów wymaganych do zasilania, co obniża koszty i złożoność instalacji.

• Zapewnia niskoprzeciwstawowy szlak dla prądów zwarcia, co gwarantuje szybkie działanie urządzeń ochronnych.

Wady systemu TN-C to:

• Stwarza ryzyko porażenia elektrycznego, jeśli wystąpi przerwa w przewodzie PEN lub jeśli