Системы заземления (TN-C, TN-S, TN-C-S, TT и IT): виды, схемы

Содержание страницы

1. Физический смысл и классификация систем заземления
2. Глубокий анализ системы с изолированной нейтралью (Архитектура типа I)
3. Системы с глухозаземленной нейтралью (Архитектура типа Т)
4. Сравнительный анализ и матрица выбора систем заземления
5. Интересные факты о заземлении
6. Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Заключение

История развития электроэнергетики неразрывно связана с эволюцией систем электробезопасности. В конце XIX века, во времена «войны токов» между Томасом Эдисоном и Джорджем Вестингаузом, первые электрические сети постоянного тока часто вообще не имели организованного заземления. Изоляция проводов была примитивной (каучук, пропитанная ткань), а защита от токов утечки отсутствовала как класс. С ростом напряжений и переходом на переменный ток стало очевидно: отсутствие связи с «землей» превращает любую неисправность изоляции в смертельную ловушку. Инженерная мысль прошла долгий путь от простейших заземлителей в виде закопанных ведер до сложных контуров с активным химическим заземлением и микропроцессорной защитой.

В данном техническом руководстве мы детально разберем классификацию систем заземления согласно актуальным стандартам Международной электротехнической комиссии (МЭК/IEC) и действующим в РФ нормативным документам (ПУЭ, ГОСТ), проанализируем физику протекания токов замыкания и рассмотрим нюансы выбора той или иной архитектуры сети.

1. Физический смысл и классификация систем заземления

Системы электроснабжения классифицируются Международной электротехнической комиссией (МЭК / IEC) и российским стандартом ГОСТ 30331.1-2013 в зависимости от двух фундаментальных параметров: способа заземления источника питания (распределительной сети) и применяемых мер защиты от поражения электрическим током на стороне потребителя. Глобально распределительные сети подразделяются на два класса: сети с заземленной нейтралью и сети с изолированной нейтралью.

Стандарт МЭК-364 (и его современные итерации серии IEC 60364) подразделяет распределительные сети, питающие здания и сооружения, в зависимости от конфигурации токоведущих проводников. Сюда включаются фазные проводники (L), нулевой рабочий (нейтральный) проводник (N) и защитные проводники (PE). Для унификации технического языка используются следующие буквенные обозначения, раскрывающие суть архитектуры безопасности.

1.1. Первая буква: Связь источника с землей

Первая буква кода характеризует режим нейтрали источника питания (трансформатора или генератора) по отношению к земле:

I (от англ. Isolate — изолированный) — показывает, что все токоведущие проводники полностью изолированы от земли, либо нейтральная точка соединена с землей через прибор с очень высоким полным сопротивлением (импедансом). Это могут быть разрядники, ограничители перенапряжения или специальные компенсирующие реакторы.
T (от лат. Terra — земля) — показывает, что токоведущие проводники (обычно нейтраль) хотя бы одной точкой жестко связаны с землей. Это называется «глухозаземленная нейтраль».

1.2. Вторая буква: Заземление потребителя

Вторая буква характеризует связь с землей Открытых Проводящих Частей (ОПЧ) и Сторонних Проводящих Частей (СПЧ) непосредственно на объекте:

T — показывает, что ОПЧ и СПЧ связаны с землей (заземлены) через местное заземляющее устройство, электрически независимое от заземления источника питания.
N (от англ. Neutral — нейтральный) — показывает, что ОПЧ и СПЧ связаны с заземленной точкой сети (нейтралью источника) посредством металлических проводников. Это могут быть нулевой рабочий (N) или нулевой защитный (РЕ) проводники. При этом предполагается, что возможно совмещение в одном проводнике функций нулевого рабочего и нулевого защитного проводников (PEN-проводник).

1.3. Последующие буквы: Конфигурация нулевых проводников

Если после буквы N следуют другие буквы, они описывают, как именно организованы функции рабочего и защитного нулей во всей системе:

S (от англ. Selective — разделенный) — функции нулевого защитного (PE) и нулевого рабочего (N) проводников обеспечиваются физически раздельными проводниками. Это наиболее безопасный и современный вариант.
С (от англ. Complete — общий) — функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников объединены в одном проводнике (PEN-проводник). Это наследие старых систем, имеющее ряд существенных недостатков.

Терминологическая точность:

Под Сторонними Проводящими Частями (СПЧ) будем понимать проводящие части, которые не являются частью электроустановки (ЭУ), но на них может появиться электрический потенциал при определенных условиях (например, металлические трубопроводы, строительная арматура).

Открытые Проводящие Части (ОПЧ) — это нетоковедущие части (НТВЧ) электроустановки, доступные прикосновению (корпуса, кожухи, рамы), которые могут оказаться под напряжением при нарушении основной изоляции токоведущих частей (ТВЧ).

2. Глубокий анализ системы с изолированной нейтралью (Архитектура типа I)

Расшифруем детально обозначения и физический смысл систем, которые исторически были первыми в электротехнике и сегодня занимают узкую, но критически важную нишу. Речь идет о системах, где связь токоведущих частей с землей отсутствует намеренно.

Первая буква I (Isolé). Означает, что все токоведущие части (ТВЧ) сети — фазные проводники и нейтраль — полностью изолированы от земли, либо одна точка сети (обычно нейтраль трансформатора) связана с землей через специальное устройство с очень большим полным сопротивлением (импедансом). Этим устройством может быть:

Пробивной предохранитель или разрядник (для защиты от перехода высшего напряжения).
Высокоомный резистор (для гашения колебательных процессов).
Дугогасящий реактор (катушка Петерсена) — для компенсации емкостных токов.

2.1. Физика «плавающей» нейтрали и емкостная связь

Многие ошибочно полагают, что в изолированной сети ток на землю не течет вовсе. Это опасное заблуждение. Даже если нет прямого металлического соединения, между каждым проводом линии и землей (а также заземленными конструкциями, трубами, броней кабеля) существует распределенная электрическая емкость.

Аналогия: Представьте проводники как камеры внутри большого зала (Земли), отделённые от него тонкой мембраной. Отверстий нет — прямого контакта нет.
Мембрана — это емкость между проводом и землёй.
Когда давление в камере меняется (переменное напряжение), мембрана колеблется и передаёт воздействие залу — возникает ток через поле.
При постоянном давлении движения нет, и тока на землю нет. Чем длиннее кабель, тем больше площадь мембраны и тем сильнее связь.

В нормальном режиме работы напряжения фаз относительно земли симметричны и равны фазному напряжению $ U_{ph} $. Векторная сумма токов утечки через емкости фаз равна нулю.
Ток замыкания на землю $ I_d $ в такой сети определяется не законом Ома для резистивной цепи (как в TN), а исключительно емкостью фазных проводов относительно земли $ C_{network} $ и сопротивлением утечки изоляции.

Математическая модель тока замыкания: При металлическом замыкании одной фазы на землю в системе IT ток определяется формулой: $$ I_d \approx 3 \cdot U_{ph} \cdot \omega \cdot C_{0} $$ Где: \( U_{ph} \) — фазное напряжение сети; \( \omega = 2\pi f \) — угловая частота сети; \( C_{0} \) — емкость одной фазы относительно земли (Ф/км). В кабельных сетях этот ток значительно выше, чем в воздушных, из-за плотной компоновки жил и близости заземленной брони. Однако в сетях 0.4 кВ он обычно составляет от единиц миллиампер до нескольких ампер (редко более 10-15 А), что не вызывает срабатывания автоматических выключателей.

Рис. 1. Электрическая сеть с системой заземления IT:
а — изолированная от земли (классическая схема);
б — с заземлением через большое сопротивление $ R $ или заземляющий реактор $ L $ (для компенсации емкостных токов);
1 — ОПЧ (корпуса Электроустановок);
2 — заземление корпусов электроустановки (местное защитное заземление);
3 — заземляющий реактор или импеданс, изолирующий токоведущие проводники сети от земли.

2.2. Поведение системы при аварии: Смещение нейтрали

Что происходит при замыкании одной фазы (например, L1) на землю (или на корпус прибора)?

Потенциал поврежденной фазы L1 относительно земли становится равен нулю.
Потенциал нейтрали источника, который ранее был равен нулю, смещается и становится равен фазному напряжению $ U_{ph} $.
Самое критичное: Потенциалы здоровых фаз (L2 и L3) относительно земли возрастают в $ \sqrt{3} $ раз и становятся равны линейному напряжению $ U_{line} $.

Опасность для изоляции: В системе 230/400 В при замыкании на землю изоляция здоровых фаз начинает испытывать напряжение 400 В относительно земли вместо штатных 230 В. Длительная работа в таком режиме приводит к ускоренному старению изоляции кабелей и оборудования.

2.3. Классификация и области применения (от истории к современности)

Сети с изолированной нейтралью (I) классифицируются по масштабу, назначению и уровню напряжения:

Малые локальные сети (БСНН / SELV): Системы Безопасного Сверхнизкого Напряжения (до 50 В переменного тока). Здесь электрическое отделение от земли и первичной сети выполняется через разделительные трансформаторы. Используются в особо влажных помещениях, внутри котлов, бассейнов, в детских игрушках.
Средние промышленные сети: Используются для питания ответственных цехов (металлургия, химпром), где внезапная остановка конвейера или насоса недопустима.
Городские распределительные сети (исторический аспект): В прошлом (например, в Европе 1930-х годов) широко использовалась система IT напряжением 220 В (линейное). Однако с ростом нагрузок она была практически полностью вытеснена.

Почему мир отказался от IT в массовом сегменте?
Существует несколько фундаментальных причин для замены IT на TN (заземленную нейтраль):

Проблема перенапряжений: Самый страшный враг IT-сети — «дуговое замыкание». Если контакт с землей нестабилен (искрит), возникает эффект перемежающейся дуги. Сеть, обладающая индуктивностью и емкостью, превращается в колебательный контур. Дуга работает как коммутатор, раскачивая этот контур. Перенапряжения могут достигать величин $ 3.5 \dots 4 \cdot U_{ph} $, что мгновенно выжигает современную полупроводниковую электронику и пробивает изоляцию двигателей.
Сложность поиска повреждения: Найти место первого замыкания в разветвленной сети завода без отключения потребителей — сложнейшая инженерная задача, требующая дорогостоящего оборудования.

Норвежский феномен: Норвегия остается уникальным исключением, где система IT широко используется в бытовом секторе (дома, квартиры). Это обусловлено геологией: страна стоит на скальных породах (гранит). Удельное сопротивление гранита колоссально, и создать качественное заземляющее устройство для системы TN (чтобы добиться низкого сопротивления растеканию) там либо невозможно, либо астрономически дорого. В IT требования к сопротивлению заземления ниже. Однако с приходом электромобилей Норвегия столкнулась с массовыми проблемами при их зарядке, так как многие зарядные станции требуют чистого нуля и TN-системы.

2.4. Где применение IT обязательно и сегодня?

Несмотря на недостатки, система IT незаменима там, где надежность электроснабжения и пожаробезопасность стоят выше стоимости эксплуатации:

Медицинские IT-системы: Операционные, реанимационные залы. Если во время операции на сердце произойдет пробой изоляции аппарата ИВЛ, он не должен отключиться (пациент умрет). Система IT лишь выдаст светозвуковой сигнал тревоги врачам, а оборудование продолжит работу. Кроме того, токи утечки в IT минимальны, что снижает риск микрошока для пациента.
Горнодобывающая промышленность (Шахты): Главная опасность в шахте — взрыв метана. Мощная искра короткого замыкания (как в системе TN) гарантированно приведет к взрыву. В системе IT ток первого замыкания (единицы ампер) имеет гораздо меньшую энергию искрообразования.
Взрывоопасные производства: Нефтепереработка, мукомольные заводы, покрасочные цеха.
Судовые электросети: Автономные сети кораблей выполняются изолированными для живучести судна.

2.5. Алгоритм эксплуатации: Одно повреждение — работа, два — авария

Ключевое свойство IT: система продолжает полноценно функционировать при возникновении одного повреждения изоляции (замыкании фазы на землю/корпус).

Однако эксплуатация такой сети налагает жесткие требования:

Обязательный контроль: В сети должно быть установлено Устройство Контроля Изоляции (IMD — Insulation Monitoring Device), которое постоянно измеряет сопротивление сети относительно земли. Как только оно падает ниже уставки (обычно 50 кОм), подается сигнал дежурному персоналу.
Оперативность персонала: Электрики обязаны найти и устранить первое повреждение в кратчайшие сроки. Почему? Потому что если произойдет второе замыкание (на другой фазе), система перейдет в режим двухфазного короткого замыкания через землю.
$$ I_{kz(2)} = \frac{\sqrt{3} \cdot U_{line}}{Z_{loop}} $$
Этот ток будет огромен, что приведет к мгновенному отключению обоих поврежденных фидеров и полной остановке производства.

3. Системы с глухозаземленной нейтралью (Архитектура типа Т)

Первая буква Т (от лат. Terra — Земля) в маркировке системы указывает на фундаментальное инженерное решение: наличие прямой, гальванической связи, по меньшей мере, одной точки токоведущей части источника питания с землей. В подавляющем большинстве случаев этой точкой является нейтраль (нулевой вывод) вторичной обмотки понижающего трансформатора или генератора, соединенная по схеме «звезда».

В современной электроэнергетике стандартом де-факто является трехфазная распределительная сеть с глухозаземленной нейтралью напряжением 230/400 В (исторически и в обиходе — 220/380 В). В такой сети нейтральный вывод трансформатора на подстанции (ТП) соединяется с заземляющим устройством (ЗУ) через шину с ничтожно малым сопротивлением. Это обеспечивает фиксацию потенциала нейтрали на уровне потенциала земли, что критически важно для стабилизации фазных напряжений при несимметричной нагрузке.

Историческая справка: Переход с системы 127/220 В на 220/380 В (а ныне 230/400 В) был обусловлен необходимостью повышения пропускной способности сетей без увеличения сечения проводов. Однако это потребовало ужесточения мер безопасности, так как напряжение 220 В относительно земли является безусловно смертельным, в отличие от 127 В, где шансы на выживание при прямом прикосновении были выше. Глухое заземление нейтрали стало основным методом контроля перенапряжений.

3.1. Система ТТ: Независимая земля («Островная» безопасность)

Вторая буква кода (Т или N) определяет философию защиты на стороне потребителя. В системе ТТ вторая буква Т означает Terra — прямое соединение между открытыми проводящими частями (ОПЧ), сторонними проводящими частями (СПЧ) и локальной землей. Ключевая особенность: это заземление физически и электрически независимо от рабочего заземления нейтрали источника питания.

Электрическая сеть системы ТТ имеет точку (нейтраль трансформатора), непосредственно связанную с землей, однако эта связь не передается потребителю в виде защитного проводника. ОПЧ (корпуса электроустановок, каркасы щитов) заземляются исключительно посредством местного защитного заземления $ R_A $, которое никак не связано с нулем сети $ N $.

Рис. 2. Электрическая сеть с системой заземления ТТ:
1 — рабочее заземление источника питания (на подстанции);
2 — ОПЧ (корпуса ЭУ потребителя);
3 — заземление корпуса электроустановки (местное защитное заземление).

Физика аварийного режима в системе ТТ

Почему система ТТ требует особого подхода к защите? Рассмотрим путь тока при замыкании фазы $ L $ на заземленный корпус прибора. Ток $ I_{d} $ (ток замыкания на землю) должен пройти длинный и тернистый путь:

От фазы трансформатора по линии к месту замыкания.
Через место пробоя на корпус прибора.
Через заземляющий проводник потребителя в его местный заземлитель $ R_A $.
Далее ток растекается в толще земли и движется к заземлителю подстанции $ R_B $ (или $ R_n $).
Через заземлитель подстанции возвращается в нейтраль трансформатора.

Критическая особенность ТТ: Полное сопротивление этой цепи (петли замыкания) включает в себя сопротивление двух заземлителей ($ R_A $ и $ R_n $) и сопротивление грунта между ними.

В этой системе ток замыкания на корпус $ I_{kz} $ (или $ I_d $) ограничен суммой сопротивлений:
$$ I_{kz} = \frac{U_{ph}}{R_a + R_n + Z_{wires}} $$
Где:

$ U_{ph} $ — фазное напряжение (230 В).
$ R_a $ — сопротивление местного заземления (например, 30 Ом).
$ R_n $ — сопротивление нейтрали источника (обычно 4 Ом).

Расчет: При $ R_a = 10 $ Ом (хорошее заземление) ток составит всего $ I \approx 230 / (10+4) \approx 16.4 $ А.
Этого тока недостаточно для мгновенного электромагнитного расцепления даже обычного автомата на 16А (которому нужно 5-10 крат перегрузки, т.е. 80-160А), и тем более вводного автомата. Корпус прибора останется под опасным потенциалом длительное время.

Именно поэтому в системе ТТ обязательно (строго регламентировано ПУЭ 1.7.59) применение Устройств Защитного Отключения (УЗО/ВДТ) в качестве основной меры защиты при косвенном прикосновении.

Условие электробезопасности в системе TT описывается формулой:

$$ R_A \cdot I_{\Delta n} \leq 50 \text{ В} $$

Где $ I_{\Delta n} $ — номинальный отключающий дифференциальный ток УЗО. Это позволяет использовать заземлители с относительно высоким сопротивлением, так как УЗО реагирует на токи утечки (10-300 мА), а не на токи КЗ.

3.2. Семейство систем TN: Концепция единой нулевой сети

Наиболее распространенная в мире группа систем. Вторая буква N (Neutral) означает наличие прямой металлической связи между ОПЧ (корпусами оборудования) и глухозаземленной точкой (нейтралью) источника питания. Эта связь осуществляется посредством нулевых защитных проводников (PE) или совмещенных (PEN).

Суть защиты в системе TN: Превращение замыкания на корпус в однофазное короткое замыкание.
Так как корпус соединен с нейтралью металлическим проводом, сопротивление петли «фаза-нуль» $ Z_{L-PE} $ очень мало (доли Ома). При пробое изоляции возникает огромный ток (сотни и тысячи Ампер), который вызывает практически мгновенное срабатывание аппаратов защиты от сверхтоков (автоматических выключателей или предохранителей).

Аналогия: Если система ТТ — это попытка «погасить» аварию, слив ток в землю (как воду в песок), то система TN — это «короткий поводок». При аварии система создает настолько мощный рывок тока, что он выбивает защиту за доли секунды, обесточивая поврежденный участок.

Сетевое заземление (рабочее заземление нейтрали) и защитное заземление (заземление корпусов) здесь работают в тандеме. ТВЧ сети соединяются с землей не только для работы автоматики, но и для ограничения перенапряжений:

При прямых ударах молнии (ПУМ) в линию.
При индуцированных грозовых перенапряжениях.
При случайном контакте с высоковольтными линиями (например, падение провода 6/10 кВ на провода ВЛ 0.4 кВ).

Хотя в некоторых случаях (см. раздел IT) от заземления нейтрали отказываются:

Во избежание перерыва питания потребителя при единственном повреждении (критично для больниц, центров обработки данных, непрерывных производств).
Во избежание искрообразования во взрыво- и пожароопасных зонах (шахты, нефтегазовая отрасль).

3.2.1 Система TN-C (Terre-Neutral-Combined): Наследие прошлого

Система TN-C — исторически первая и самая простая реализация заземленной нейтрали. В ней функции нулевого рабочего (N — по которому течет ток нагрузки) и нулевого защитного (PE — который защищает человека) проводников объединены в одном проводнике PEN (Protective Earth Neutral) по всей длине сети.
Широко применялась в СССР и Европе до 90-х годов (так называемая «четырехпроводная схема»).

Рис. 3. Электрическая сеть с системой заземления TN-C (нулевой защитный и нулевой рабочий проводники объединены по всей длине сети):
1 — рабочее заземление источника питания;
2 — открытые проводящие части (корпуса ЭУ, присоединенные к PEN);
Al, A2 — электроустановки;
F — предохранители.

Преимущества: Экономия цветного металла (нужно всего 4 жилы в кабеле).
Недостатки: Высокий уровень электромагнитных помех (рабочие токи гуляют по металлоконструкциям здания). Но самый главный недостаток — смертельная опасность при обрыве.

Главная опасность TN-C — «Отгорание нуля»:
При обрыве PEN-проводника на питающей линии (до ввода в здание) связь корпусов электроприборов с землей исчезает. Более того, через включенные нагрузки в других фазах на изолированный участок PEN-проводника (а значит, и на все корпуса холодильников, стиральных машин, компьютеров в доме) выносится фазный потенциал.Векторная диаграмма напряжений смещается, возникает перекос фаз: на одних потребителях напряжение падает почти до нуля, на других — подскакивает до линейного (380-400 В), сжигая технику и создавая угрозу жизни. В чистой системе TN-C защита от этого сценария практически невозможна без дополнительных реле напряжения.

3.2.2 Система TN-S (Terre-Neutral-Separated): Эталон безопасности

Система TN-S — наиболее совершенная, дорогая и безопасная система. Разделение функций происходит прямо на подстанции. От источника к потребителю идут три (для однофазной сети) или пять (для трехфазной) проводников:

Фазные (L1, L2, L3);
Нулевой рабочий (N) — изолирован от земли на всем протяжении, по нему течет ток нагрузки;
Нулевой защитный (PE) — соединяет корпуса с землей подстанции, ток по нему течет только в момент аварии.

Нулевой рабочий и нулевой защитный проводники работают раздельно по всей длине сети (см. Рис. 4, а) или нулевой рабочий проводник не предусмотрен, а предусмотрен только нулевой защитный проводник (для питания трехфазных двигателей, см. Рис. 4, б).

Рис. 4. Электрическая сеть с системой заземления TN-S (НРП и НЗП работают раздельно):
а — сеть с нулевым рабочим (N) и защитным (РЕ) проводниками;
б — сеть только с нулевым защитным проводником (РЕ);
1 — рабочее заземление источника питания;
2 — ОПЧ (корпуса ЭУ);
А1, А2, A3 — электроустановки.

Преимущества TN-S:

Исключает вынос потенциала на корпуса при обрыве рабочего нуля (так как PE-проводник не несет нагрузки и вероятность его обрыва крайне мала).
Обеспечивает наилучшую электромагнитную совместимость (ЭМС) для работы чувствительной электроники, так как в защитном проводнике отсутствуют «грязные» токи перекоса фаз и гармоники.
Позволяет использовать УЗО без ложных срабатываний.

3.2.3 Система TN-C-S: Разумный компромисс

Повсеместный переход на TN-S требует полной замены всех городских кабельных сетей, что экономически невозможно. Решением стала система TN-C-S. В этой системе функции нулевого рабочего и нулевого защитного проводников объединены в одном проводнике (PEN) в части сети (обычно от подстанции до Вводно-Распределительного Устройства здания — ВРУ), а далее, начиная с главной заземляющей шины (ГЗШ), они разделяются на независимые N и PE.

Точка разделения: Это критически важный узел системы. Согласно ПУЭ, в точке разделения PEN-проводника на N и PE необходимо выполнить повторное заземление. Это делается для того, чтобы при обрыве PEN-проводника на линии со стороны улицы, потенциал на корпусах приборов не поднялся до опасных значений, а ток нагрузки замкнулся через повторный заземлитель.

Рис. 5. Электрическая сеть с системой заземления TN-C-S (вначале сети нулевой рабочий и нулевой защитный проводники объединены):
1 — рабочее заземление источника питания;
2 — открытые проводящие части (корпуса ЭУ);
Al, A2 — электроустановки;
F — предохранители;
PEN — совмещенный проводник (до точки разделения);
PE — защитный проводник (после разделения);
N — нейтральный рабочий проводник (после разделения).

Важнейшее правило монтажа системы TN-C-S: После точки разделения объединять нулевой рабочий и нулевой защитный проводники строго запрещено! Такое объединение приведет к протеканию рабочих токов по заземляющим проводникам, нарушению работы УЗО и риску пожара.

4. Сравнительный анализ и матрица выбора систем заземления

Выбор конкретной системы заземления — это решение, определяющее стратегию электробезопасности, надежности и электромагнитной совместимости (ЭМС) объекта на весь срок его эксплуатации. Инженеру приходится искать баланс между стоимостью монтажа, затратами на обслуживание и рисками, связанными с возможными авариями.

Ниже представлен детальный сравнительный анализ, который расширяет базовую классификацию МЭК, добавляя эксплуатационные параметры.

4.1. Сводная матрица характеристик

В данной таблице сведены ключевые параметры систем TN (в трех вариациях), TT и IT. Особое внимание уделено необходимости применения дифференциальной защиты (УЗО) и поведению системы при обрыве нулевого провода (N/PEN).

Критерий сравнения	TN-C	TN-C-S	TN-S	TT	IT
Статус нейтрали источника	Глухозаземленная (жесткая связь с землей)			Глухозаземленная	Изолированная (или через высокий импеданс)
Заземление корпусов (ОПЧ)	Через совмещенный PEN проводник	Через PE, разделенный на вводе	Через отдельный PE от подстанции	Через местный заземлитель (независимый)	Через местный заземлитель
Основной принцип защиты	Автоматическое отключение питания сверхтоком КЗ (петля «фаза-нуль»)			Обязательное отключение питания посредством УЗО	Сигнализация первого пробоя (контроль изоляции)
Ток замыкания на корпус $ I_{kz} $	Очень высокий (сотни Ампер, кА) $ I_{kz} \approx U_{ph} / Z_{loop} $			Низкий / Средний (десятки Ампер) $ I_{kz} \approx U_{ph} / (R_a+R_n) $	Ничтожно малый (мА) $ I_{d} \approx 3 U_{ph} \omega C $
Применение УЗО (RCD)	Невозможно (технически запрещено в 4-х проводной части)	Возможно и рекомендовано (после разделения)	Возможно и рекомендовано	Обязательно (основная мера защиты)	Применяется только для защиты при 2-м замыкании
Безопасность при обрыве нуля (PEN/N)	Критически опасно! (Фаза на корпусах)	Опасно до точки разделения. Требует повторного заземления.	Безопасно (PE не рвется)	Безопасно для людей (корпус на своей земле)	Безопасно (нет нуля как такового)
Электромагнитная совместимость (ЭМС)	Плохая (блуждающие токи по трубам/конструкциям)	Средняя (зависит от точки разделения)	Отличная («чистая» земля)	Хорошая (нет связи с нулем сети)	Хорошая (малые токи)
Стоимость реализации	Низкая (экономия 1 жилы)	Средняя (требует повторного заземления)	Высокая (5 жил кабеля от ТП)	Средняя (требует качественного местного контура и дорогих УЗО)	Очень высокая (нужны трансформаторы, реле контроля изоляции)

4.2. Критический разбор сценариев применения

Для инженера важно понимать не только «как» устроена система, но и «почему» выбирается та или иная конфигурация. Рассмотрим нюансы, которые часто остаются за скобками базовых описаний.

1. Дилемма «TN против TT» в частном секторе

В российских реалиях это самый частый предмет споров. Нормативная документация (ПУЭ 1.7.57) предписывает использовать систему TN как основную. Однако существует оговорка: «если условия электробезопасности в системе TN не могут быть обеспечены», следует применять TT.

Аналогия (Страховочный трос):

Система TN — это жесткая сцепка (трос) между вашим автомобилем (домом) и тягачом (подстанцией). Если тягач надежен, он вас вытянет. Но если трос (PEN) порвется на ходу, вас может выбросить на встречную полосу (потенциал на корпусе).

Система TT — это ситуация, когда вы отцепили трос и полагаетесь только на свои тормоза (свое заземление + УЗО). Это безопаснее, если тягач (сеть) старый и ржавый.

Почему выбирают TT? Если воздушная линия (ВЛ) выполнена неизолированным проводом, имеет множество скруток, деревья касаются проводов, а повторные заземления на столбах отсутствуют или сгнили — система TN-C-S становится смертельно опасной. При отгорании нуля на линии весь ток дисбаланса поселка потечет через ваше повторное заземление на вводе, что может вызвать пожар. В таких условиях TT — единственное спасение, так как она гальванически развязывает ноль сети и землю потребителя.

2. Эволюция от TN-C к TN-S: Проблема ЭМС

В системе TN-C рабочий ток течет по PEN-проводнику. Поскольку PEN многократно заземлен (на подстанции, на столбах, на вводах в здания), часть рабочего тока неизбежно ответвляется и течет по земле, трубам водопровода, металлоконструкциям здания, экранам информационных кабелей.

Это явление создает мощные низкочастотные магнитные поля и помехи. Для современного ЦОД (центра обработки данных), офиса с компьютерами или больницы система TN-C категорически неприемлема, даже если бы она была безопасной для людей. Блуждающие токи вызывают коррозию труб и сбои в передаче данных. Только TN-S (или участок TN-S после разделения в TN-C-S) обеспечивает «чистую землю», где по защитному проводнику в нормальном режиме ток не течет.

3. IT: Цена надежности

Почему систему IT не делают везде, если она позволяет работать при аварии?
Главная проблема — сложность эксплуатации.
В сети с изолированной нейтралью ток первого замыкания $ I_d $ определяется емкостью сети:

$$ I_d \approx 3 \omega C_{ph} U_{ph} $$

В небольшой сети (например, в пределах операционной) емкость $ C_{ph} $ мала, и ток составляет микроамперы. Но в масштабах района города емкость кабельных линий огромна, и ток замыкания на землю может достигать десятков ампер. Такая дуга не гаснет сама, но и не отключается автоматом. Она греет место пробоя, разрушает изоляцию и создает перенапряжения. Чтобы использовать IT в городе, пришлось бы ставить дугогасящие реакторы на каждой линии, что экономически нецелесообразно.

4.3. Выводы по разделу

TN-C-S — оптимальный выбор для массового строительства жилья и офисов при условии хорошего состояния питающих сетей (современные кабельные линии или ВЛИ с проводом СИП).
TN-S — идеальный выбор для промышленных объектов и зданий с насыщенной информационной инфраструктурой, проектируемых «с нуля».
TT — вынужденная, но эффективная мера для сельской местности, временных стройплощадок и сетей с высокой степенью износа.
IT — специализированное решение для объектов, где стоимость простоя превышает любые затраты на оборудование (больницы, шахты, непрерывные производства).

5. Интересные факты о заземлении

Эволюция цвета. Привычная нам желто-зеленая окраска защитного проводника (PE) была принята не сразу. В старых сетях Германии красный цвет использовался для фазы, а серый — для нуля, тогда как в Великобритании черный был нейтралью, а зеленый — землей. Желто-зеленая комбинация («зебра») была выбрана МЭК специально для того, чтобы этот проводник был различим даже дальтониками при любом освещении.
Коварство «чистой земли». В 90-е годы системные администраторы часто подключали серверные стойки к отдельному «компьютерному» заземлению, не связанному с основной сетью здания. Это приводило к выгоранию портов оборудования из-за разности потенциалов между «грязной» землей электросети и «чистой» землей IT-оборудования. Современные стандарты требуют объединения всех заземлителей в единую систему уравнивания потенциалов.
Шаговое напряжение. При падении высоковольтного провода на землю зона опасности распространяется концентрическими кругами до 8-20 метров. Интересный факт: корова погибает в такой зоне с гораздо большей вероятностью, чем человек. Из-за большого расстояния между передними и задними ногами животное попадает под большую разность потенциалов, чем человек с его коротким шагом.
Химия против физики. В пустынных районах (например, в ОАЭ или Аризоне) для достижения нормы сопротивления заземления 4 Ом иногда недостаточно забить сотни штырей. Инженеры используют «химическое заземление» — полые электроды, заполненные специальными электролитическими солями, которые, выщелачиваясь в грунт, искусственно повышают его электропроводность вокруг электрода на десятки лет.
Нулевой километр. В системе TN-C ток нагрузки течет по PEN-проводнику. В старых многоэтажках этот ток вызывает падение напряжения, из-за которого на верхних этажах «ноль» в розетке может иметь потенциал 5–10 Вольт относительно батареи отопления. Это явление часто становилось причиной легких ударов током при одновременном касании стиральной машины и водопроводного крана.
Космическая изоляция. На борту Международной космической станции (МКС) используется система, аналогичная IT (изолированная). Так как «земли» в космосе нет, корпусом служит металлическая оболочка станции. Это предотвращает электротравмы космонавтов, так как замкнутый контур через тело человека на «землю» невозможен без двойного пробоя изоляции.

6. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Можно ли просто забить штырь у дома и сделать систему TT, не согласовывая с сетями?

Технически это возможно, но крайне рискованно без расчетов. Главная проблема «самодельной» системы TT — это высокое сопротивление заземлителя. Если в системе TN ток замыкания достигает сотен ампер и выбивает автомат, то в TT при плохом заземлении ток может быть всего 10–20 А. Обычный автомат на это не среагирует, и корпус прибора останется под смертельным напряжением 220 В бесконечно долго. Использование УЗО в системе TT является строгим, обязательным требованием, игнорирование которого смертельно опасно.

2. Почему нельзя соединять N и PE после их разделения в щитке?

Это одна из грубейших ошибок монтажа. Если вы разделили PEN на N и PE, а где-то в розетке снова их перемкнули, часть рабочего тока нагрузки начнет протекать по защитному проводнику PE. Это приведет к двум последствиям: во-первых, на корпусах приборов появится электромагнитный фон и потенциал помех; во-вторых, любое УЗО (дифференциальная защита) будет воспринимать это как утечку и мгновенно отключать питание. Система станет неработоспособной.

3. Спасает ли качественное заземление от прямого удара молнии?

Это распространенный миф. Само по себе заземление не спасает технику при прямом ударе молнии (ПУМ) или мощном импульсном перенапряжении. Заземление лишь обеспечивает путь для стекания тока. Для защиты оборудования необходима установка УЗИП (Устройств Защиты от Импульсных Перенапряжений) классов 1, 2 и 3. Без УЗИП заземление может даже сыграть злую шутку: если молния ударит рядом с домом, высокий потенциал может «зайти» в дом именно через систему заземления (обратный пробой).

4. Что лучше для частного дома: TN-C-S или TT?

Согласно ПУЭ (п. 1.7.57), приоритетной является система TN-C-S. Она обеспечивает надежное срабатывание автоматов при КЗ. Однако, если питающая воздушная линия (ВЛ) старая, выполнена неизолированными проводами, имеет плохие повторные заземления на столбах — TN-C-S становится опасной (риск отгорания нуля на линии и выноса потенциала в дом). В этом случае технические условия предписывают переходить на систему TT, которая гальванически независима от состояния уличной сети, но требует обязательной и регулярной проверки работоспособности УЗО.

5. Допустимо ли использовать трубы водопровода или отопления в качестве заземления?

Категорически запрещено! (ПУЭ 1.7.123). Во-первых, стыки труб могут иметь уплотнения из льна или фум-ленты, которые являются изоляторами — цепь разрывается. Во-вторых, соседи снизу могут заменить часть стояка на пластик, и ваше «заземление» исчезнет. В-третьих, при пробое изоляции на корпусе вашей стиральной машины смертельный потенциал появится на батареях и кранах во всем подъезде, что может привести к гибели соседей, принимающих душ.

Заключение

Опасность поражения электрическим током существенно зависит и от типа помещения, в котором эксплуатируется ЭУ, что необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации электрических сетей и ЭУ. Существуют помещения с повышенной опасностью (влажность, токопроводящие полы, высокая температура) и особо опасные помещения.

Электрические сети до 1 кВ переменного тока могут выполняться с заземленной нейтралью (системы заземления TN-C, TN-C-S, TN-S) или с изолированной нейтралью (система заземления IT). ЭУ постоянного тока могут выполняться с заземленной средней точкой (аналоги систем TN) или с изолированной (система заземления IT). ЭУ с однофазными источниками тока — с одним заземленным выводом (системы заземления TN-S, TN-C или TN-C-S) или с обоими изолированными выводами (система заземления IT).

Важно по ПУЭ: В четырехпроводных сетях трехфазного тока и трехпроводных сетях постоянного тока заземление нейтрали или средней точки источников тока (создание системы типа TN) является обязательным, если нет специальных обоснований для использования IT.

Нормативная база и стандарты

Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 7-е издание. Глава 1.7 «Заземление и защитные меры электробезопасности». Основной документ для инженеров-проектировщиков и надзорных органов. Содержит ключевые определения, требования к сопротивлению заземляющих устройств и правилам выбора системы (TN/TT/IT).
ГОСТ 30331.1-2013 (IEC 60364-1:2005) «Электроустановки низковольтные. Часть 1. Основные положения, оценка общих характеристик, термины и определения».
Является аутентичным переводом международного стандарта МЭК. Именно этот документ ввел современную классификацию систем заземления (TN-S, TN-C-S и др.) в российское правовое поле, заменив устаревшие нормы.
ГОСТ Р 50571.5.54-2013 (IEC 60364-5-54:2011) «Электроустановки низковольтные. Часть 5-54. Выбор и монтаж электрооборудования. Заземляющие устройства, защитные проводники и защитные проводники уравнивания потенциалов». Технический регламент, описывающий, как физически выполнять заземление: материалы электродов, сечения проводников, методы соединения, защита от коррозии.
ГОСТ IEC 61140-2012 «Защита от поражения электрическим током. Общие положения для электроустановок и электрооборудования». Устанавливает фундаментальные принципы защиты людей и животных, классы защиты оборудования.

Системы заземления электрических сетей: схемы и расчет TN-C, TN-S, TN-C-S, TT и IT