Energetyka dla elektroników – rodzaje sieci energetycznych

Zgodnie z zapowiedzią poprzedniego artykułu SR504 zaczynamy omawiać rodzaje sieci energetycznych. Najpopularniejsze sieci TN-C oraz TN-C-S omówimy w kolejnym odcinku, a w tym zapoznamy się z mniej popularnymi sieciami IT oraz TT.

Rodzaje sieci energetycznych

Doszliśmy do rodzajów sieci energetycznych, określanych skrótowo za pomocą 2…4-literowego kodu, gdzie pierwsza litera (T lub I) określa związek między układem sieci a ziemią i gdzie druga litera (N lub T) określa związek między ziemią a częściami przewodzącymi niepozostającymi w warunkach normalnej pracy pod napięciem (metalowymi obudowami). Ewentualna trzecia i czwarta litera (C lub/oraz S) określają układ przewodów neutralnych i ochronnych.

Pierwsza litera nazwy sieci energetycznej (T, I) wskazuje sposób połączenia z ziemią punktu neutralnego transformatora energetycznego:

T (terra – ziemia) – jest bezpośrednie połączenie

I (isolate – izolowane) – brak bezpośredniego połączenia.

Druga litera nazwy oznacza w praktyce sposób połączenia z ziemią metalowych obudów odbiorników:

T – oddzielnie dla każdego odbiornika

N (neutrum – neutralny) – przez sieć zasilającą.

Warto podkreślić, że w niektórych źródłach w Internecie znaczenie drugiej litery jest określane nieprecyzyjnie, bo mówi się o dołączeniu do ziemi odbiorników. W zasadzie to prawda, ale nie chodzi o dołączanie do ziemi jakiegoś punktu czy punktów obwodu roboczego, gdzie płynie prąd obciążenia, prąd pracy. Obwody robocze są identyczne we wszystkich rodzajach sieci. Różnice dotyczą tylko obwodów uziemienia i zachowania w sytuacjach awaryjnych.  Kluczową sprawą jest mające związek z bezpieczeństwem przeciwporażeniowym dołączanie do ziemi części przewodzących dostępnych, czyli m.in. metalowych obudów sprzętu I klasy ochronności.

Omówmy teraz kolejno poszczególne rodzaje sieci.

Sieci IT

Rysunek 12 pokazuje przykłady sieci energetycznej IT. W sieciach IT metalowe obudowy wszystkich dołączonych do niej urządzeń są uziemiane indywidualnie. W wersji z rysunku 12a punkt neutralny transformatora trójfazowego nie jest połączony z ziemią bezpośrednio, tylko za pomocą iskiernika, który normalnie stanowi przerwę, a przewodzi prąd (ulega przebiciu), gdy napięcie na nim nadmiernie wzrośnie. W wersji z rysunku 12b punkt neutralny transformatora jest dołączony do ziemi przez rezystancję o bardzo dużej wartości powyżej 50 kiloomów. Taka rezystancja po części może być rezystancją upływu izolacji, a w każdym razie na bieżąco rozładowuje ona ewentualne ładunki, jakie mogłyby gromadzić się w pojemnościach pokazanych na wcześniejszym rysunku 5. Sieci IT bywają wykorzystywane np. w kopalniach i… szpitalach.

W świetle wcześniej podanych informacji może się wydawać, że brak uziemienia sieci typu I jest poważną wadą i radykalnie zmniejsza bezpieczeństwo. Sprawa nie jest jednak taka prosta. Sieć rzeczywiście nie powinna „wisieć w powietrzu” w sposób niekontrolowany. Jednak w rzeczywistości przedstawione na wcześniejszym rysunku 5 zagrożenie ładunkami statycznymi, gromadzonymi w pojemnościach sieci względem ziemi, jest poważne tylko wtedy, gdy między siecią a ziemią izolacja jest znakomita i nie występuje upływność (rezystancja), a jedynie duża pojemność rozległej sieci. Problem ten ma znikome znaczenie, jeżeli nie chodzi o rozległą sieć na dużym obszarze, tylko o małą lokalną sieć w kopalni czy szpitalu. Aby w żadnym przypadku nie dopuścić do wystąpienia nadmiernego napięcia sieci względem ziemi, stosuje się iskierniki według rysunku 12a lub funkcję taką pełni duża nawet rezystancja upływu.

Taka mała, izolowana od ziemi sieć IT okazuje się, bezpieczniejsza i bardziej niezawodna od sieci uziemianych.

Jak pokazuje uproszczony rysunek 13, dotyczący sieci jednofazowej, gdy człowiek (mający połączenie z ziemią) dotknie przewodu pod napięciem, to dzięki izolacji sieci od ziemi przez jego ciało popłynie stosunkowo mały prąd. Wytworzy się dzielnik napięcia, w skład którego wejdzie rezystancja ciała ludzkiego (R_B) rzędu 1 kilooma lub trochę więcej, rezystancja gruntu (R_G) do 100 omów oraz reaktancja pojemnościowa X_C między nieuziemionym przewodem, powiedzmy środkowym, neutralnym, i ewentualnie rezystancja rozładowująca R – upływność. Jeżeli taka sieć IT jest niewielka, na przykład na oddziale intensywnej terapii w szpitalu, to jej pojemność C do ziemi jest mała, a więc jej reaktancja X_C – duża, a to da niewielki prąd płynący przez taki dzielnik i wystąpienie na rezystancji ciała ludzkiego napięcia rażeniowego znacznie mniejszego niż napięcie fazowe, co ilustruje rysunek 13b.

W przypadku większych sieci IT, na przykład w kopalniach, pojemności i upływności są większe i tam podstawową zaletą jest fakt, że w nieuziemionej sieci IT pojedyncze zwarcie jakiegokolwiek punktu sieci do ziemi nie powoduje przepływu znaczących prądów zwarcia i co ważne, nie powoduje zadziałania bezpieczników – wyłączników nadprądowych. Jeśli takie pojedyncze zwarcie nastąpi, wtedy dołączone mierniki – czujniki kontrolne wykryją ten fakt i obsługa może poszukać zwarcia i je usunąć bez przerywania dostawy prądu, co na przykład właśnie w kopalniach i niektórych innych zakładach przemysłowych jest ogromnie ważne. Sieci o układzie IT dają większe bezpieczeństwo i niezawodność zasilania dzięki temu, że pojedyncze zwarcia do ziemi, stanowiące ogromną większość wszelkich zwarć, nie muszą być natychmiast wyłączane z uwagi na mały prąd płynący podczas takiego zwarcia. W sieciach IT mniejsze jest też zagrożenie pożarowe (i wybuchowe), bo moc wydzielana w miejscu ewentualnego zwarcia jest mała. Stąd zastosowanie np. w szpitalach, kopalniach, obiektach zagrożonych wybuchem, a także w energetycznych instalacjach tymczasowych.

Jak widać, uziemienie, powszechnie uważane za zwiększające bezpieczeństwo, w pewnych przypadkach okazuje się wadą. Niemniej we wszystkich dużych, a więc także domowych sieciach energetycznych 230V środek transformatora NN jest uziemiony, więc przy dotknięciu przewodu fazowego wystąpi zdecydowanie bardziej niekorzystna sytuacja z rysunku 14. Szczegółowa analiza w dalszej części artykułu. A na razie pozostałe rodzaje sieci.

Sieci TT

Rysunek 15 pokazuje schemat sieci TT. Różnicą względem IT (rysunku 12) jest tylko dołączenie sieci, a konkretnie punktu neutralnego transformatora do ziemi, co zrealizowane jest w jednym punkcie – przy transformatorze. Natomiast i w sieci IT, i w sieci TT, obudowy odbiorników są dołączane do ziemi (mówiąc w pewnym uproszczeniu) – indywidualnie, lokalnie. Inaczej jest w sieciach TN, które omawiamy w następnym artykule SR506.

Piotr Górecki