Классификация электрических сетей: типы, схемы и режимы нейтрали

Содержание страницы

1. Классификация по размещению и конструктивному исполнению
2. Классификация по назначению и иерархическому уровню
3. Классификация по роду тока
4. Классификация по числу проводов и фазности
5. Классификация по топологии (архитектуре построения)
6. Классификация по величине напряжения
7. Классификация по обеспечению электробезопасности (Режимы нейтрали)
8. Физика изоляции и схема замещения сети
9. Сводный сравнительный анализ режимов работы нейтрали
10. Интересные факты об электрических сетях
11. Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Заключение

Электрическая энергия является фундаментом современной цивилизации, невидимой силой, приводящей в движение промышленность, транспорт и инфраструктуру городов. От момента её генерации на электростанциях до конечного потребления в бытовых приборах или высокоточных станках, энергия проходит сложный путь через разветвленные инженерные сооружения, именуемые электрическими сетями.

История развития этих сетей берет свое начало с конца XIX века, с момента знаменитой «Войны токов» между Томасом Эдисоном (апологетом постоянного тока) и Джорджем Вестингаузом (сторонником переменного тока). Победа систем переменного тока предопределила структуру современной мировой энергетики, позволив передавать огромные мощности на тысячи километров с минимальными потерями благодаря трансформации напряжения.

Сегодня электрическая сеть — это сложнейший киберфизический комплекс, включающий в себя силовое оборудование, системы релейной защиты, автоматики, телемеханики и учета. Правильная, системная классификация сетей необходима не только для академического понимания, но и является критически важной базой для проектирования, эксплуатации и обеспечения норм электробезопасности (ЭБ). В данном материале мы детально разберем все аспекты классификации электрических сетей, опираясь на действующие нормативные документы (ПУЭ 7-го издания, ГОСТ 29322-2014, ГОСТ 32144-2013) и современную инженерную практику, систематизируя данные от архитектуры построения до физики переходных процессов.

1. Классификация по размещению и конструктивному исполнению

Первичным признаком, определяющим физический облик электрической сети, является среда, в которой она проложена, и конструктивные особенности токоведущих частей. Это деление (см. рис. 1) диктует выбор изоляционных материалов, способов защиты от внешних воздействий и методов обслуживания.

Рис. 1. Классификация электрических сетей. Схема демонстрирует иерархическую структуру разделения сетей по пяти ключевым признакам: роду тока, числу проводов, размещению, назначению и обеспечению электробезопасности.

1.1. Наружные электрические сети

К этой категории относятся сети, проложенные на открытом воздухе. Они подвержены полному спектру климатических и техногенных воздействий: перепадам температур (от -50°C до +50°C), ветровым нагрузкам, гололеду, грозовым перенапряжениям и ультрафиолетовому излучению.
В зависимости от исполнения они делятся на:

Воздушные линии (ВЛ): Традиционно выполняются неизолированными (голыми) проводами. Наиболее распространенные марки — АС (сталеалюминиевые), где стальной сердечник несет механическую нагрузку, а алюминиевая рубашка проводит ток. Провод крепится к опорам (железобетонным, металлическим или деревянным) через стеклянные, фарфоровые или полимерные изоляторы. Главное преимущество — относительная дешевизна строительства и высокая ремонтопригодность.
Кабельные линии (КЛ): Прокладываются в земляных траншеях, кабельных каналах, тоннелях, коллекторах или по эстакадам. Обеспечивают высокую надежность, не зависят от ветра и гололеда, сохраняют эстетику городской среды, но значительно дороже в строительстве и сложнее в поиске мест повреждений.

Примечание: В последние десятилетия в распределительных сетях 0,4–35 кВ происходит глобальная модернизация — массовый переход на самонесущие изолированные провода (СИП). Это технологическое решение сочетает простоту монтажа воздушных линий с надежностью кабельных. Изоляция из сшитого полиэтилена исключает короткие замыкания при схлестывании проводов ветром и практически исключает возможность несанкционированного подключения (воровства) энергии.

1.2. Внутренние электрические сети

Это сети, расположенные внутри зданий, сооружений и технологических помещений. Специфика их проектирования определяется категорией помещения по пожаро- и взрывоопасности, а также влажностью и наличием химически активных сред.

Шинопроводы: Жесткие токопроводы (пакеты шин в металлическом кожухе), используемые в цехах промышленных предприятий и высотных зданиях для передачи больших токов (до 4000–6300 А) и гибкого распределения энергии.
Электропроводка: Выполняется изолированными проводами и кабелями (например, марок ВВГнг-LS, NYM) в лотках, стальных или ПВХ трубах, кабель-каналах или скрыто в штробах стен.

2. Классификация по назначению и иерархическому уровню

Энергетическая система строго иерархична. В зависимости от выполняемых функций, передаваемой мощности и уровня напряжения, сети делятся на следующие функциональные классы:

2.1. Местные электрические сети

Это «капилляры» энергосистемы напряжением до 35 кВ включительно. Их задача — доставка энергии непосредственно к потребителю на «последней миле». Характеризуются небольшой протяженностью (от сотен метров до десятков километров) и высокой плотностью нагрузки. В эту категорию входят городские кабельные сети, поселковые воздушные линии и сети промышленных предприятий.

2.2. Районные электрические сети

Охватывают крупные административные районы, мегаполисы или промышленные кластеры. Как правило, это сети напряжением 110 кВ и выше (иногда встречаются участки 35 кВ). Они связывают крупные узловые подстанции (ЦП — центры питания) с местными сетями распределения. Районные сети могут быть:

Автономными (изолированными) — питающимися от одной локальной электростанции.
Входящими в состав Единой энергетической системы — имеющими связь с несколькими генерирующими центрами для повышения надежности.

2.3. Линии электропередачи (ЛЭП) межсистемных связей

Это магистрали сверхвысокого напряжения (220, 330, 500, 750 и 1150 кВ). Их стратегическая задача — транспорт колоссальных потоков мощности между региональными энергосистемами (например, связь ОЭС Центра и ОЭС Урала). Наличие таких связей позволяет реализовывать системный эффект: перебрасывать мощность в зоны пиковых нагрузок из часовых поясов, где нагрузка снижена, или утилизировать избыток дешевой генерации (например, во время паводка на ГЭС), что оптимизирует топливный баланс страны.

2.4. Питающие линии

Линии, передающие энергию от центра питания (ЦП, например, ГПП 110/10 кВ) к распределительным пунктам (РП) без промежуточного отбора мощности. Их главная функция — эффективный транспорт энергии с минимальными потерями напряжения.

2.5. Распределительные электрические сети

Сети, в которых происходит дробление (разветвление) потоков мощности. Энергия распределяется от РП к трансформаторным подстанциям (ТП 10/0,4 кВ) и далее непосредственно к электроприемникам потребителей.

Аналогия из биологии: Представьте энергосистему как кровеносную систему человека. Межсистемные связи и районные сети — это аорта и крупные артерии, несущие огромный объем крови под большим давлением. Питающие линии — это артерии среднего калибра, идущие к конкретным органам. Распределительные и местные сети — это густая сеть капилляров, доставляющая кислород (энергию) к каждой отдельной клетке (розетке).

3. Классификация по роду тока

3.1. Электрические сети переменного тока (AC)

Абсолютно доминирующий тип сетей в мировой практике. Стандартная частота в России, Европе и большей части Азии — 50 Гц (в США, Канаде и ряде других стран — 60 Гц). Основное физическое преимущество — простота изменения уровня напряжения с помощью электромагнитной индукции (трансформаторов). Это позволяет передавать энергию на большие расстояния с малыми потерями, увеличивая напряжение и, соответственно, уменьшая ток (тепловые потери пропорциональны квадрату тока: \( P_{loss} = I^2 R \)).

3.2. Электрические сети постоянного тока (DC)

Хотя исторически они появились первыми, сегодня они занимают специфические, но важные технологические ниши:

Электрический транспорт (трамваи, троллейбусы, метрополитен, магистральные электровозы).
Энергоемкие промышленные технологии (электролиз алюминия, гальваника).
Системы передачи постоянного тока высокого напряжения. У постоянного тока отсутствуют реактивные потери мощности и скин-эффект (вытеснение тока на поверхность проводника). Это делает DC экономически выгоднее переменного тока при передаче сверхбольших мощностей на дистанции свыше 1000 км или при прокладке кабельных линий по дну морей (где емкость кабеля переменного тока создавала бы паразитные токи утечки).

4. Классификация по числу проводов и фазности

Количество проводников в линии определяет не только экономику (расход цветных металлов), но и схему заземления, а значит — уровень безопасности людей. Рассмотрим основные типологии, представленные на рисунках 2 и 3.

Рис. 2. Виды электрических сетей по числу проводов (двухпроводные и четырехпроводные):
а, б — двухпроводные (однофазные) сети постоянного или переменного тока; \(R_q\) — сопротивление заземляющего устройства нейтрали источника тока;
в, г — четырехпроводные (трехфазные) сети.
Обозначения деталей: А, В, С — фазные проводники соответственно фаз А, В, С; N — нулевой рабочий проводник; 1, 2 — проводники однофазной сети.

4.1. Двухпроводные электрические сети

Используются в сетях постоянного тока (полярности «плюс» и «минус») или в однофазных ответвлениях сетей переменного тока.
Как показано на схемах (рис. 2, а, б), источник питания может иметь изолированный вывод или заземленный. В быту это привычная нам пара «фаза» (L) и «рабочий ноль» (N), используемая в старом жилом фонде, либо «фаза» и «фаза» (L1-L2) при питании линейным напряжением.

4.2. Трехпроводные электрические сети

Здесь возможны принципиально разные варианты (см. рис. 3):

Однофазные трехпроводные (а, б): Современный стандарт безопасной бытовой проводки (евростандарт). Включает фазу (L), рабочий ноль (N) и защитный проводник (PE). Наличие отдельного PE-проводника критически важно для срабатывания защиты (УЗО) и предотвращения удара током при пробое изоляции на корпус электроприбора.
Трехфазные трехпроводные (д): Классическая схема высоковольтных линий передачи (например, 6, 10, 35, 110 кВ) и промышленных сетей с изолированной нейтралью (IT-системы). Используются только три фазы (A, B, C), нулевой провод отсутствует, так как нагрузка (трансформаторы, двигатели) обычно симметрична.

Рис. 3. Виды электрических сетей по числу проводов (однопроводные, трехпроводные и пятипроводные):
а, б — трехпроводные однофазные сети (современный стандарт бытовой розетки);
в, г — пятипроводные сети (трехфазные с разделенными N и PE);
д — трехпроводная (трехфазная) сеть без нуля;
е — однопроводная сеть (с заменой одного провода «землей»);
\(R_s\) — сопротивление защитного ЗУ (заземляющего устройства); РЕ — нулевой защитный проводник.

4.3. Четырехпроводные электрические сети

Классическая схема советского и российского распределения напряжения 0,4 кВ (система заземления TN-C). Сеть состоит из трех фазных проводов (A, B, C) и одного совмещенного нулевого проводника PEN (выполняет функции и рабочего N, и защитного PE). См. рис. 2 (в, г). Данная система экономически выгодна (меньше проводов), но обладает существенным недостатком: при обрыве PEN-проводника на корпусах зануленного оборудования может появиться опасное фазное напряжение.

4.4. Пятипроводные сети

Современный, наиболее безопасный стандарт для трехфазных сетей (система TN-S или TN-C-S после точки разделения). В них (см. рис. 3 в, г) функции рабочего нуля (N, по которому течет ток нагрузки) и защитного заземления (PE, по которому ток течет только при аварии) разделены физически во всей сети. Это исключает появление опасного потенциала на корпусах приборов при обрыве или отгорании рабочего нуля.

4.5. Сети с заменой одного провода «землей» (Однопроводные)

Специфическая инженерная система (рис. 3, е), где роль второго проводника выполняет земля (грунт) или рельсовые пути. Широко применяется в системах тягового электроснабжения железных дорог и в некоторых удаленных сельских сетях (система SWER — Single Wire Earth Return), позволяя существенно экономить цветной металл. Однако такие сети создают значительные электромагнитные помехи и зоны шагового напряжения.

5. Классификация по топологии (архитектуре построения)

Надежность электроснабжения (категория надежности) напрямую зависит от топологии — схемы соединения линий и подстанций. Различают разомкнутые (древовидные) и замкнутые конфигурации (рис. 4).

Рис. 4. Виды электрических сетей по построению:
а — магистральная разомкнутая;
б — радиальная разомкнутая;
в — радиальная замкнутая (с резервированием);
г — магистральная замкнутая (петлевая/кольцевая);
ИП — источник питания; В — выключатель.

5.1. Разомкнутые сети

Магистральная (а): Одна мощная линия последовательно («гирляндой») питает несколько трансформаторных подстанций или потребителей. Экономична по расходу кабеля, но обладает низкой надежностью: авария в головном участке магистрали обесточивает всех последующих потребителей.
Радиальная (б): Каждая подстанция или цеховая нагрузка питается отдельной выделенной линией, идущей прямо от центра питания (шин ГПП). Повреждение одной линии никак не влияет на работоспособность других. Требует большого расхода кабельной продукции, но обеспечивает высокую селективность защиты.

5.2. Замкнутые сети

Радиальная замкнутая (в): К ответственному потребителю прокладывают две независимые линии (основная и резервная) от разных источников или секций шин. В нормальном режиме работает одна, при аварии автоматика (АВР) мгновенно переключает питание на вторую. Применяется для больниц, дата-центров, опасных производств (потребители I и II категорий).
Петлевая (кольцевая) (г): Линии образуют замкнутый контур, соединяя ряд подстанций. В нормальном эксплуатационном режиме кольцо часто держат разомкнутым в одной точке (для упрощения токов КЗ и релейной защиты), но при аварии на любом участке диспетчер имеет возможность запитать потребителей с другой стороны кольца, локализовав поврежденный сегмент. Это «золотой стандарт» городских кабельных сетей.

6. Классификация по величине напряжения

Напряжение — ключевой параметр, определяющий изоляционные расстояния, габариты оборудования и класс допуска персонала. Согласно современным стандартам (в т.ч. ГОСТ 29322-2014), сети делятся на три укрупненные группы:

6.1. Сети низкого напряжения (НН, до 1 кВ)

Основной стандарт — 400/230 В (ранее 380/220 В). Это уровень конечного потребления, безопасный для квалифицированной эксплуатации в быту. В промышленности также встречаются сети 660 В (для мощных двигателей).

6.2. Сети среднего (СН) и высокого (ВН) напряжения (от 1 до 330 кВ)

Включают классы: 6, 10, 20, 35 кВ (распределительные сети среднего напряжения) и 110, 220 кВ (сети высокого напряжения). Используются для распределения энергии внутри города, района и питания крупных заводов.

6.3. Сети сверхвысокого напряжения (СВН, 330 кВ и выше)

Классы 330, 500, 750, 1150 кВ. Предназначены для магистрального транспорта. Для таких линий характерно физическое явление короны — ионизации воздуха вокруг провода под действием сверхсильного электрического поля. Это вызывает потери энергии и радиопомехи, поэтому каждую фазу расщепляют на несколько проводов (2, 3, 4, 5 или 8 проводов в пучке), чтобы увеличить эффективный радиус и снизить напряженность поля.

7. Классификация по обеспечению электробезопасности (Режимы нейтрали)

Это, пожалуй, наиболее сложный и ответственный для инженера раздел. Режим заземления нейтрали определяет величины токов короткого замыкания (КЗ), требования к изоляции и, главное, тактику защиты людей от поражения электрическим током. Правила устройства электроустановок (ПУЭ) жестко регламентируют эти режимы в зависимости от напряжения и назначения сети (см. рис. 5).

Рис. 5. Виды электрических сетей по обеспечению электробезопасности в зависимости от способа заземления нейтрали:
а — с глухозаземленной и эффективно заземленной нейтралью;
б — с глухозаземленной нейтралью до 1 кВ (система TN);
в — с изолированной нейтралью до 1000 В (система IT);
г — с изолированной нейтралью выше 1000 В;
L — дугогасящая катушка (реактор); \(L_1\) — заземляющий реактор.

Теоретические основы режима нейтрали

Нейтраль (нейтральная точка) — это общая точка соединения обмоток трансформатора или генератора, соединенных в схему «звезда».
Если эта точка соединена с заземляющим устройством, она называется нулевой точкой. Проводник, идущий от неё — нулевым или нейтральным (рис. 6).

Рис. 6. Нейтрали обмоток источников тока:
а — сети, изолированные от земли (нейтраль «висит» в воздухе);
б — сети с глухозаземленной нейтралью (жесткая связь с землей);
1 — нейтральная точка (нейтраль); 2 — нейтральный провод; 3 — нулевая точка (заземленная); 4 — нулевой провод.

Важно! Выбор режима нейтрали — это всегда инженерный компромисс между надежностью бесперебойного электроснабжения, стоимостью изоляции оборудования и безопасностью человека. Не существует универсальной «идеальной» системы заземления.

Типы сетей по режиму нейтрали согласно ПУЭ:

7.1. Сети с эффективно заземленной нейтралью (110 кВ и выше)

В сетях высокого напряжения (110–220 кВ и выше) нейтрали трансформаторов заземляют наглухо. Это экономическое решение. При замыкании одной фазы на землю в такой сети происходит полноценное короткое замыкание (однофазное КЗ), но напряжение на здоровых фазах относительно земли не повышается выше фазного (с коэффициентом не более \( 1,4 U_{\text{ф}} \)). Это позволяет значительно облегчить изоляцию ЛЭП и трансформаторов, удешевляя строительство на 10–15%.
Особенность защиты: Любое замыкание на землю — это авария с огромным током, поэтому релейная защита должна мгновенно отключить поврежденный участок линии.

7.2. Сети с изолированной нейтралью (6–35 кВ)

В России и на постсоветском пространстве сети среднего напряжения (6, 10, 35 кВ) традиционно эксплуатируются с изолированной нейтралью.
Физика процесса: Так как нейтраль не имеет связи с землей, при падении одной фазы на землю (ОЗЗ — однофазное замыкание на землю) цепь короткого замыкания не образуется. Ток замыкания замыкается через распределенную емкость двух других неповрежденных фаз на землю (емкостный ток). Он обычно невелик (единицы или десятки ампер).
Плюсы: Сеть может продолжать работу даже с одной фазой, лежащей на земле (обычно допускается работа до 2-х и более часов для поиска места повреждения), что резко повышает надежность для потребителей.
Минусы: Напряжение на двух здоровых фазах относительно земли подскакивает до линейного значения (увеличивается в \(\sqrt{3} \approx 1.73\) раза). Это создает риск пробоя изоляции в «слабом месте» и перехода в двойное замыкание на землю. Кроме того, при горении дуги возможны перенапряжения до \(3.5 U_{\text{ф}}\).

7.3. Сети с резонансно-заземленной нейтралью (компенсированные)

Для сетей 6–35 кВ с большими емкостными токами (разветвленные кабельные сети городов) применяют заземление нейтрали через дугогасящий реактор (катушку Петерсена). Индуктивность катушки \(L\) настраивается в резонанс с емкостью сети \(C\), чтобы компенсировать емкостный ток в месте замыкания:
\( I_L \approx I_C \)
Это позволяет электрической дуге в месте пробоя самопогасать, предотвращая разрушение оборудования и развитие аварии.

7.4. Сети с глухозаземленной нейтралью до 1 кВ (TN-системы)

Наиболее распространенные сети (0,4 кВ).
Принцип: Нейтраль трансформатора соединена с землей. Это позволяет использовать два уровня напряжения: линейное (380 В) для мощных нагрузок и фазное (220 В) для освещения и бытовой техники.
Безопасность: Замыкание фазы на заземленный корпус превращается в однофазное КЗ с большим током, что вызывает мгновенное срабатывание автоматического выключателя или перегорание предохранителя. Для защиты от малых токов утечки (прикосновение человека) используют УЗО.

7.5. Сети с изолированной нейтралью до 1 кВ (IT-системы)

Используются там, где недопустимо отключение питания даже при первом аварийном замыкании: в операционных залах больниц (чтобы не отключился аппарат ИВЛ), в подземных шахтах (из-за опасности искры и взрыва газа), на судах.
Особенность: Корпуса приборов заземлены, но нейтраль источника изолирована. Прикосновение человека к токоведущей части менее опасно, так как ток через тело ограничен высоким сопротивлением изоляции проводов. Однако такие сети требуют обязательного постоянного автоматического контроля сопротивления изоляции.

8. Физика изоляции и схема замещения сети

Для глубокого понимания процессов электробезопасности необходимо рассматривать сеть не просто как проводники, а как сложную электрическую цепь с распределенными параметрами. Опасность поражения током зависит не только от напряжения источника, но и от параметров изоляции фаз относительно земли (см. рис. 7).

Рис. 7. Структура изоляции сети и схема ее замещения:
а — физическая модель изолированного проводника над землей;
б — электрическая схема замещения;
1 — проводник (металл); 2 — диэлектрик (изоляция); \(S\) — площадь поверхности проводника; \(d\) — расстояние между проводником и землей; \(I\) — ток утечки через микродефекты изоляции.

Полное сопротивление (импеданс) изоляции \( Z_{\text{из}} \) любой сети относительно земли состоит из двух параллельных ветвей:
1. Активное сопротивление \( R_{\text{из}} \): Характеризует реальные пути утечки тока сквозь толщу диэлектрика и по его поверхности (через загрязнения). Оно не постоянно и снижается из-за старения материала, увлажнения, нагрева и механических микротрещин.
2. Емкостное сопротивление \( X_C \): Любой проводник, находящийся под напряжением и отделенный диэлектриком от земли, образует конденсатор. Емкость \( C \) зависит от геометрических размеров линии и диэлектрической проницаемости изоляции \( \varepsilon \).

Математически полное сопротивление изоляции фазы относительно земли выражается комплексной формулой: \( Z_{\text{из}} = \frac{R_{\text{из}} \cdot (-j X_C)}{R_{\text{из}} — j X_C} = \frac{R_{\text{из}}}{1 + j \omega C R_{\text{из}}} \)

Общая схема замещения реальной сети представлена на рис. 8, где дополнительно учитываются продольные параметры линии (активное сопротивление \( R \) и индуктивность \( L \) самих токоведущих жил).

Рис. 8. Общий вид схемы замещения сети:
R, L — продольное активное сопротивление и индуктивность проводников сети, распределенные по длине;
Поперечные ветви (R-C цепочки) характеризуют состояние изоляции (резистивную и емкостную составляющие утечки на землю).

Влияние емкости на безопасность:
В коротких сетях 0,4 кВ (например, в пределах одной квартиры или небольшого цеха) емкостью проводов можно пренебречь (\( C \to 0 \), а значит \( X_C \to \infty \)), и безопасность определяется исключительно качеством изоляции \( R_{\text{из}} \).
Однако в протяженных кабельных линиях и высоковольтных сетях емкость играет решающую роль.

Рассмотрим данные таблицы 1. В кабельных линиях, где жилы находятся очень близко к заземленной металлической оболочке и разделены изоляцией с высокой диэлектрической проницаемостью, емкость достигает значительных величин.

Таблица 1. Зависимость удельной емкости трехжильного кабеля с бумажной изоляцией напряжением 1000 В от сечения жилы

Сечение провода, мм²	Емкость одной фазы относительно земли, мкФ/км
10	0,15
25	0,19
50	0,28
95	0,33
150	0,37
240	0,45

Вывод: С ростом протяженности сети и сечения кабелей емкостное сопротивление \( X_C = \frac{1}{\omega C} \) падает.
Это приводит к опасному эффекту: даже если активное сопротивление изоляции идеально (бесконечно велико, \( R_{\text{из}} \to \infty \)), через человека, прикоснувшегося к одной фазе в сети с изолированной нейтралью, пойдет ток, замыкающийся через емкости двух других фаз на землю.
Именно поэтому в сетях напряжением выше 1000 В прикосновение к токоведущим частям считается смертельно опасным вне зависимости от режима нейтрали, и основным средством защиты является организационное и техническое недопущение такого прикосновения (ограждения, блокировки, высота подвеса).

9. Сводный сравнительный анализ режимов работы нейтрали

Выбор режима заземления нейтрали является фундаментальным решением при проектировании электрической сети. Это всегда поиск баланса между тремя конфликтующими факторами: надежностью электроснабжения (возможностью работать при аварии), безопасностью персонала и стоимостью изоляции. Ниже представлена детальная матрица сравнения основных применяемых в отечественной и мировой практике систем.

Таблица 2. Сравнительная характеристика электрических сетей в зависимости от режима нейтрали

Параметр сравнения	Изолированная нейтраль (I) (IT-сети, 6–35 кВ)	Резонансно-заземленная (компенсированная) (6–35 кВ)	Эффективно заземленная нейтраль (110 кВ и выше)	Глухозаземленная нейтраль (до 1 кВ, TN-системы)
I. Физика аварийных процессов (Однофазное замыкание на землю — ОЗЗ)
Ток в месте повреждения	Малый емкостный ток \( I_C \). Зависит от протяженности сети. Обычно 5–30 А.	Минимальный остаточный ток. Индуктивность реактора компенсирует емкость: \( I_{\text{res}} \approx 0 \).	Критически высокий. Ток короткого замыкания (кА), ограниченный только сопротивлением трансформатора и линии.	Высокий. Ток однофазного КЗ, достаточный для срабатывания автоматов.
Напряжение на неповрежденных фазах	Возрастает до линейного: \( U_{\text{ф}} \cdot \sqrt{3} \). Риск пробоя ослабленной изоляции.	Возрастает до линейного: \( U_{\text{ф}} \cdot \sqrt{3} \).	Не превышает \( 1.4 \cdot U_{\text{ф}} \) (коэффициент замыкания на землю).	Практически не изменяется (при качественном повторном заземлении PEN).
Характер дуги	Прерывистая, нестабильная. Высокий риск перенапряжений до \( 3.5 U_{\text{ф}} \).	Дуга самопогасает благодаря компенсации тока. Перенапряжения ограничены.	Мощная силовая дуга, не способная к самопогасанию.	Дуговой разряд в замкнутом объеме (щитке), риск пожара.
II. Эксплуатация, релейная защита и автоматика (РЗиА)
Действие релейной защиты	На сигнал. Отключение не требуется. Персонал имеет время (до 2 ч) на поиск места аварии.	На сигнал. Сеть работает устойчиво даже при металлическом замыкании на землю.	Мгновенное отключение. Работа сети с «землей» недопустима ни секунды.	Мгновенное отключение. Срабатывает электромагнитный расцепитель или плавкая вставка.
Надежность электроснабжения	Максимальная. Потребитель не замечает возникновения однофазного замыкания.	Высокая. Исключаются ложные отключения при кратковременных пробоях.	Средняя. Любое касание провода земли ведет к отключению линии (нужен АВР).	Средняя. Поврежденный участок немедленно обесточивается.
Требования к изоляции оборудования	Высокие. Изоляция должна длительно выдерживать линейное напряжение \( U_{\text{л}} \).	Высокие. Рассчитывается на линейное напряжение.	Сниженные. Изоляция рассчитывается на фазное напряжение (экономия ~15-20%).	Стандартные (класс напряжения 0.66/1 кВ).
III. Электробезопасность и Экономика
Опасность прикосновения к фазе	Высокая (определяется емкостью сети). В коротких сетях — условно безопасна.	Высокая (ток через тело человека не компенсируется реактором).	Смертельно опасно. Ток КЗ через тело человека.	Смертельно опасно. Требуется УЗО (30 мА) для защиты.
Шаговое напряжение в месте аварии	Малое (из-за малого тока замыкания). Опасно лишь в непосредственной близости.	Минимальное (ток в земле практически отсутствует).	Экстремально высокое. Требует выравнивания потенциалов на подстанциях.	Локально высокое, но кратковременное (до момента отключения).
Экономическая целесообразность	Оптимально для разветвленных распределительных сетей средней мощности.	Требует дорогих плунжерных реакторов и автоматики настройки.	Выгодна для магистральных ЛЭП (дешевле трансформаторы и опоры).	Самая дешевая система для массового потребителя (экономия на 4-м проводе в TN-C).

Аналитический вывод по таблице:
Нельзя сказать, что одна система «лучше» другой.

Для бесперебойности производственных процессов (нефтедобыча, металлургия) незаменимы сети с изолированной или компенсированной нейтралью.
Для экономичной передачи энергии на сотни километров (системные связи) безальтернативна сеть с эффективно заземленной нейтралью.
Для быта и офисов, где важна простота защиты от пожара и удара током, стандартом де-факто является глухозаземленная нейтраль (TN).

10. Интересные факты об электрических сетях

Электроэнергетика скрывает множество инженерных нюансов, которые часто остаются незамеченными, но играют ключевую роль в физике передачи энергии.

Скин-эффект. Переменный ток высокой частоты имеет свойство вытесняться на поверхность проводника, практически не протекая через его сердцевину. Именно поэтому в высоковольтных проводах ЛЭП (марки АС) сердечник делают из стали (для прочности, он ток почти не несет), а внешнюю «рубашку» — из алюминия (для проводимости).
Скорость электричества. Распространенное заблуждение, что электроны бегут по проводам со скоростью света. На самом деле дрейфовая скорость самих электронов составляет доли миллиметра в секунду. Мгновенно (со скоростью, близкой к скорости света) распространяется лишь электромагнитное поле, которое приводит электроны в движение по всей длине цепи одновременно.
Уникальный рекорд СССР. Единственная в мире промышленная линия электропередачи ультравысокого напряжения 1150 кВ «Экибастуз — Центр» была построена в СССР. Опоры этой линии сравнимы с небоскребами, а напряжение настолько велико, что для предотвращения коронного разряда каждую фазу пришлось расщеплять на 8 проводов.
«Птица на проводе». Птицы спокойно сидят на проводах под напряжением не из-за особых лап, а из-за малой емкости своего тела и отсутствия разности потенциалов. Птица касается провода в одной точке, и ток через нее не идет. Опасность возникает только если крупная птица (аист или орел) заденет крылом соседний провод или заземленную траверсу опоры, создав короткое замыкание.
Гул трансформатора. Характерное гудение подстанций вызвано явлением магнитострикции. Листовая сталь сердечника трансформатора микроскопически изменяет свои размеры (сжимается и разжимается) в такт изменению магнитного поля. При частоте тока 50 Гц это происходит 100 раз в секунду, порождая низкочастотный звук.

11. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем разница между заземлением и занулением?

Это разные меры защиты. Заземление — это преднамеренное электрическое соединение корпуса прибора с землей (через контур заземления), чтобы снизить напряжение прикосновения. Зануление — это соединение корпуса с глухозаземленной нейтралью источника (через PEN или N-проводник). Цель зануления — превратить пробой на корпус в короткое замыкание, чтобы автомат мгновенно отключил питание. В современных системах (TN-S) эти меры комбинируются.

Почему в розетке 220 вольт (230 В), а не 100 или 500?

Это исторический компромисс. Напряжение ниже 100 В потребовало бы слишком толстых проводов для передачи той же мощности (большие токи). Напряжение выше 300-400 В слишком опасно для жизни при бытовом использовании и требует дорогой толстой изоляции. Значение 220–240 В оказалось «золотой серединой» между экономией меди и безопасностью.

Почему провода ЛЭП провисают, а не натянуты как струна?

Это инженерный расчет на температурное расширение. Металл расширяется в жару и сжимается в холод. Если натянуть провод как струну летом, то зимой при -30°C металл сожмется, и колоссальное механическое напряжение либо порвет провод, либо повалит железобетонную опору. Инженеры рассчитывают «стрелу провеса» так, чтобы линия выдержала любые перепады температур.

Зачем нужны шары-маркеры на проводах ЛЭП?

Яркие (обычно красные или белые) шары на проводах — это сигнальные маркеры для малой авиации. Они устанавливаются в местах пересечения ЛЭП с автомобильными трассами, реками или рядом с аэродромами, чтобы пилоты вертолетов и самолетов могли издалека заметить тонкие провода, которые иначе практически невидны на фоне земли.

Почему нельзя тушить электропроводку водой?

Обычная водопроводная вода — отличный проводник электричества из-за растворенных в ней солей. Если направить струю воды на горящий щиток под напряжением, ток по струе мгновенно ударит человека, держащего ведро или шланг. Электроустановки под напряжением тушат только углекислотными или порошковыми огнетушителями (класса E).

Заключение

Классификация электрических сетей — это прикладной инструмент в руках инженера-энергетика. Глубокое понимание различий между системами заземления (TN-C, TN-S, IT), осознание роли емкостных токов в высоковольтных сетях и грамотный выбор топологии сети (радиальная или кольцевая) позволяют проектировать надежные, экономичные и, самое главное, безопасные системы электроснабжения. Современные тренды энергетики ведут к усложнению сетей: появлению распределенной генерации, активных потребителей и умных сетей (Smart Grid), однако фундаментальные физические принципы классификации и безопасности остаются незыблемыми.

Нормативно-техническая база

Правила устройства электроустановок (ПУЭ), Издание 7.
ГОСТ 29322-2014 (IEC 60038:2009) «Напряжения стандартные». Устанавливает номинальные напряжения для электрических систем переменного и постоянного тока, определяя границы низкого, среднего и высокого напряжения.
ГОСТ 30331.1-2013 (IEC 60364-1:2005) «Электроустановки низковольтные. Часть 1. Основные положения, оценка общих характеристик, термины и определения». Именно этот стандарт детально описывает и классифицирует системы заземления (TN-C, TN-S, TN-C-S, TT, IT), упомянутые в статье.
ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». Определяет требования к параметрам сети, включая частоту и отклонения напряжения.
ГОСТ 24291-90 «Электрическая часть энергосистемы и электрические сети. Термины и определения». Базовый терминологический стандарт, дающий строгие определения понятий «электрическая сеть», «линия электропередачи», «нейтраль» и др.

Список рекомендуемой литературы

Справочник по проектированию электрических сетей / под ред. Д.Л. Файбисовича. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: ЭНАС, 2012.
Герасименко А.А., Федин В.Т. Передача и распределение электрической энергии: Учебное пособие. — 2-е изд. — Ростов н/Д: Феникс, 2008.
Идельчик В.И. Электрические системы и сети: Учебник для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1989 (и стереотипные переиздания).