[haloczymnieslychac]

#elektryka
Nauczyłem się tego z czatem GPT w ciągu 3 dni dyskutując, dopytując o szczegóły, porównując ze źródłami...
AI to zbawienie ludzkości.

Układy sieci energetycznych
Wyjdźmy od analizy układu TN-C. Termin TN-C oznacza, że punkt neutralny źródła (punkt gwiazdowy transformatora w stacji transformatorowej) jest uziemiony. Uzwojenia transformatora po stronie niskiego napięcia (0,4 kV) są połączone w gwiazdę. Z tak uziemionego punktu styku uzwojeń wyprowadza się przewód neutralno-ochronny PEN, którym powracają niezbalansowane prądy robocze z przewodów fazowych. Prądy zbalansowane powracają przewodami fazowymi.

Dzięki połączeniu w gwiazdę, napięcie fazowe F-PEN wynosi 230 V, a międzyfazowe F-F 400 V.
Przewód PEN posiada potencjał bliski ziemi, dlatego dotknięcie go nawet gdy przewodzi prądy robocze nie grozi porażeniem. Niebezpieczna jest natomiast sytuacja, kiedy dochodzi do przerwania przewodu PEN. W zależności od tego, gdzie przewód PEN został przerwany, mamy do czynienia z różnymi scenariuszami zagrożenia.

Jeżeli przewód PEN został przerwany przed rozdzielnicą odbiorcy, wtedy przewód PEN od strony odbiorcy staje się potencjalnie niebezpiecznym punktem odniesienia (tzw. pływający N). Dochodzi do przesunięcia punktu neutralnego i niesymetrii napięć fazowych: jedne odbiorniki mogą otrzymać napięcie znacznie poniżej 230 V, a inne znacznie powyżej 230 V, nawet zbliżone do 400 V (mówimy tutaj o napięciach poszczególnych faz względem pływającego N), co grozi uszkodzeniem urządzeń oraz pojawieniem się wysokich napięć na ich obudowach. Potencjał takiego pływającego N względem ziemi może wynosić od 0 do 230 V.

Jeżeli natomiast przewód PEN został przerwany przy gnieździe (lub w jego obwodzie końcowym), sytuacja dotyczy głównie tego jednego obwodu: przewód neutralny po stronie odbiornika „pływa”, a ponieważ w wyzerowanym gnieździe przewód N połączony jest z bolcem ochronnym, potencjał pływającego N przenosi się na bolec i obudowę urządzenia. W rezultacie obudowa może znaleźć się na potencjale od 0 do 230 V względem ziemi - zależnie od impedancji odbiornika i wszelkich upływów do ziemi. Jest to jeden z najgroźniejszych stanów awaryjnych w układzie TN-C, ponieważ metalowe obudowy mogą stać się częściami czynnymi.

Czy jeżeli dotknę obudowy, która jest pod napięciem fazowym 230 V stojąc w gumowych butach, to zostanę porażony prądem? – Przepływający przeze mnie prąd będzie minimalny. Nie poczuję nic, ponieważ jestem na potencjale obudowy, odizolowany od ziemi przez podeszwę, która jest dobrym izolatorem. Tak samo jak ptaki siadające na przewodach. Inaczej, gdy ściągnę buty i stanę na ceramicznych kafelkach: płytka, fuga, podłoże - to układ, który przewodzi. W efekcie prąd może iść: moja stopa, wilgotna fuga, klej, beton, ziemia, uziemienie budynku, transformator (tutaj powraca 100% prądu, który mnie razi).

Czy zastosowanie zabezpieczenia różnicowoprądowego RCD w sieci TN-C ma sens? – Nie. Jest to rozwiązanie dające złudne poczucie bezpieczeństwa. Zadaniem RCD jest rozłączenie prądu w momencie pojawienia się różnicy niezbalansowanych prądów pomiędzy przewodem N oraz L1+L2+L3 – w sytuacji przebicia fazy na obudowę, prąd wróci przewodem PEN i RCD nie zadziała, natomiast gdy prąd upływowy pobiegnie do ziemi, RCD rzeczywiście zadziała.

Dlaczego w sieci TN-C przeprowadza się tzw. zerowanie gniazdek? – Zerowanie gniazdka polega na połączeniu przewodu PEN z punktem uziemiającym wtyczkę. Punkt uziemiający połączony jest natomiast z obudową urządzenia klasy I. W przypadku gdy dojdzie do przebicia fazy na obudowę urządzenia, prąd popłynie przez PEN i spowoduje zadziałanie zabezpieczenia nadprądowego (ale tylko w przypadku gdy popłynie prąd większy od prądu zadziałania zabezpieczenia np. 6, 8, 10 A – przypomnijmy, że dla człowieka niebezpieczny jest już prąd
o natężeniu 10 mA). Podstawowym zadaniem zabezpieczeń nadprądowych nie jest ochrona człowieka, ale ochrona sieci przed przeciążeniem, przegrzaniem, a w konsekwencji pożarem.

Po co uziemia się listwę PE podczas rozdziału PEN? – Dzięki temu prądy upływu mają krótszą drogę do uziemienia budynku niż do uziemienia transformatora. Dodatkowo przewód PEN posiada spadki potencjału na swoich fragmentach w zależności od obciążenia na danym fragmencie – napięcia urządzeń pozycjonują się więc względem PE, a nie PEN. Przykładowo, spadek napięcia na przewodzie PEN 1 mm2 o długości 50 m przy przepływie prądu 10 A, może wynosić nawet 9 V. Dlatego zaleca się uziemiać przewód PEN co kilkadziesiąt metrów.

Wiemy, że prąd może wracać do transformatora zarówno przewodem neutralnym, jak
i przewodami fazowymi. W jaki więc sposób RCD analizuje czy w układzie nie ma prądów upływu? – Przez przewód neutralny płynie tylko niezbalansowana część prądu fazowego. Zabezpieczenie RCD sprawdza czy ta niezbalansowana część podawana przez fazy równa jest prądowi przepływającemu przez przewód neutralny.

Co dzieje się w przypadku zerwania przewodu N w układzie TN-C-S, w którym zainstalowane jest zabezpieczenie RCD? – Niezbilansowany prąd fazowy popłynie poprzez przewód PE
z odbiorników, jeżeli nastąpi na nich przebicie z fazy na obudowę i zadziała zabezpieczenie RCD.

Jak zbudowany jest transformator w stacji transformatorowej po stronie średniego napięcia? – Transformator SN/nn po stronie górnej posiada potencjał 15, 20 lub 30 kV. Strona górna nie posiada wyprowadzonego punktu neutralnego, ale punkt gwiazdowy bywa uziemiony. Najczęstszym układem strona górna / strona dolna jest gwiazda / gwiazda, ale nie jest to regułą, ponieważ zdarzają się połączenia w trójkąt lub mieszane.

Układy sieci TNS, TT oraz IT
Oprócz omówionych układów TN-C oraz TN-C-S istnieją także układy sieci zwane jako TNS, TT oraz IT.

W sieci TNS od uziemionego punktu gwiazdowego wyprowadzany jest dodatkowy przewód PE – dzięki temu ani przewód PE ani N nie musi być lokalnie uziemiany, jak ma to miejsce w sieci TN-C-S.

W sieci TT mamy do czynienia z brakiem uziemienia punktu gwiazdowego transformatora. Odbiorcy otrzymują dostęp tylko do przewodów fazowych oraz przewodu neutralnego. Po ich stronie zachodzi konieczność utworzenia lokalnego uziomu w budynku, od którego prowadzi się do rozdzielnicy przewód ochronny. Z uwagi na fakt, że lokalny uziom może uzyskać napięcie względem ziemi, konieczne jest stosowanie zabezpieczeń RCD, które w takim przypadku bardzo szybko rozłączą przewody robocze i zapobiegną zjawisku powstawania prądów błądzących w okolicy uziomu.

W sieci IT mamy do czynienia z punktem gwiazdowym odizolowanym od ziemi lub uziemionym przez wysoką impedancję. Odbiorcy nie otrzymują przewodu neutralnego. Przewodem neutralnym staje się przewód poprowadzony od lokalnego uziomu. Prąd wraca do transformatora od uziemienia głównie przez pojemności do ziemi i dalej do impedancyjnie uziemionego punktu neutralnego transformatora. Sieć IT stosowana jest głównie w infrastrukturze krytycznej – np. w szpitalach - tam, gdzie ciągłość w dostawie prądu jest krytycznie ważna. Pierwsze zwarcie do ziemi nie powoduje odłączenia całej sieci, bo prąd jest bardzo mały. Sieć może dalej działać, a odbiorniki nie tracą zasilania. Dopiero drugie zwarcie do ziemi w innej fazie tworzy klasyczny prąd międzyfazowy, który wymaga interwencji. Dlatego w sieci IT nie stosuje się zabezpieczeń RCD.

Czy w sieci IT odbiornik jednofazowy podłączony jest do trzech przewodów? – Nie. Podłączony jest tylko do przewody fazowego oraz neutralnego. Przewód neutralny połączony jest dalej z uziomem. W takim układzie prąd płynie od transformatora poprzez fazę do urządzenia, dalej do przewodu neutralnego, dalej do uziemienia i wraca przez wysoką impedancję punktu gwiazdowego transformatora.

Dlaczego w sieci IT punkt gwiazdowy transformatora jest uziemiony przez wysoką impedancję? – Aby ograniczyć prądy zwarciowe płynące do transformatora. Bez odpowiednio wysokiej impedancji, np. przy przebiciu fazy na odbiorniku, prąd płynący przez człowieka, który dotknie obudowy byłby śmiertelnie niebezpieczny.

Dlaczego w sieci IT dopiero drugie zwarcie do ziemi jest niebezpieczne? – Precyzując, chodzi o drugie zwarcie na innej fazie. W takim scenariuszu, prąd popłynie do transformatora nie poprzez wysoką impedancję, ale od jeden do drugiej fazy – dodatkowo, będzie to prąd międzyfazowy o napięciu 400 V.

Którędy powraca prąd, jeżeli w sieci IT punkt gwiazdowy transformatora nie jest impedancyjnie uziemiony? – W takich sieciach zasilane są jedynie urządzenia trójfazowe, gdzie prądy fazowe są całkowicie zbalansowane.

[Akira]

@haloczymnieslychac: ja często kończę konwersacje promptem typu „a teraz pofantazjujmy i zastanówmy się co będzie za 5-15-50 lat w powyższym temacie”