Energetyka dla elektroników – najpopularniesze sieci TN-C i TN-C-S

Po omówieniu w poprzednim artykule mniej popularnych sieci IT oraz TT, w tym artykule zajmiemy się najpopularniejszymi sieciami TN, w których odbiorniki nie są łączone z ziemią (uziemiane) indywidualnie, lokalnie, tylko za pośrednictwem sieci energetycznej.

Sieci TN

Zgodnie z definicją, w sieciach TN (terra, neutrum) obudowy odbiorników mają być i są dołączane do ziemi przez sieć zasilającą. Nie ma więc sieci typu IN, bo jeżeli sieć nie jest uziemiona (I), to nie może służyć do uziemienia obudów urządzeń.

W Polsce domowe sieci energetyczne NIE są sieciami ani IT, ani TT, tylko sieciami TN, ponieważ odbiorniki nie są (nie powinny być) połączone z ziemią indywidualnie, lokalnie, tylko za pośrednictwem sieci zasilającej. Dawniej były to sieci TN-C, obecnie mamy coraz więcej sieci TN-S. Dodatkowa literka określa wariant prowadzenia obwodu uziemienia w sieci TN:

C – (common – wspólny, łączony),

S – (separate – rozłączny, rozdzielony).

W prostszej sieci TN-C funkcję przewodu ochronnego PE (Protective Earth – dosłownie „ziemia ochronna”) i neutralnego N pełni jeden przewód, oznaczany PEN (PE + N) – rysunek 16.

I do tego przewodu PEN dołączone są „bolce uziemiające” w gniazdkach, jak pokazał wcześniejszy rysunek 10 i fotografia 11. A więc stare sieci w domach budowanych przed wielu laty są typu TN-C. Obecnie ogólnie biorąc, przepisy nie pozwalają na realizację w budynkach mieszkalnych sieci TN-C (ewentualnie pod warunkiem, że przewód PEN byłby bardzo gruby – miedź 10mm² lub więcej), jednak nadal w użytku jest mnóstwo domowych sieci TN-C w dawniej budowanych obiektach.

Za doskonalszą uznawana jest sieć TN-S zrealizowana według rysunku 17.

Punkt neutralny transformatora jest skutecznie uziemiony (przez dołączenie do dużych metalowych przedmiotów zakopanych tam w ziemi). Od transformatora, oprócz trzech przewodów fazowych (L1, L2, L3) i przewodu neutralnego (N), w całej sieci prowadzony jest dodatkowy piąty przewód ochronny PE . Prądy robocze płyną tylko w przewodach L1, L2, L3, N. Natomiast do przewodu ochronnego PE dołączone są tylko metalowe obudowy różnych odbiorników – w praktyce przez „bolce uziemiające” w gniazdkach. W sieci TN-S do każdego domowego gniazdka doprowadzone są trzy przewody (fazowy L, neutralny N i ochronny PE).

Zaletą starych (przestarzałych) sieci TN-C jest prostota, wadą TN-S są zwiększone koszty materiału obwodu PE. Dziś domowe sieci energetyczne realizuje się w naszym kraju zwykle w pośrednim wariancie TN-C-S. Tu od transformatora do, powiedzmy, budynku, prowadzi czteroprzewodowa sieć TN-C z przewodem PEN, a w budynku (lub w skrzynce na posesji) linia PEN zostaje rozdzielona na PE i N. W budynku mamy sieć TN-S, a poza budynkiem TN-C. Ponadto punkt rozdzielenia przewodów N, PE na wejściu do budynku jest lokalnie uziemiony według uproszczonego rysunku 18.

O ile tylko dostępne są też inne skuteczne uziemienia, to zaleca się uziemiać i przewód PEN, i przewody ochronne PE wszędzie tam, gdzie to tylko możliwe, by w razie uszkodzenia (przerwy w tym obwodzie) potencjał przewodu ochronnego był możliwie bliski potencjału ziemi.

Wspomnijmy jeszcze o dość ważnym szczególe. Popularne są sieci TN-C-S według rysunku 18. Od roku 1992 w normie (60364-5-54) jest zapis, że jeżeli w torze zasilania rozdzieli się funkcje przewodu PEN na dwa przewody PE i N, to tych przewodów raz rozdzielonych nie wolno ponownie łączyć. Obwód sieci może mieć układ TN-C-S, ale sytuacja odwrotna, układ TN-S-C czy też TN-C-S-C, jest niedopuszczalna, jak pokazuje przekreślony rysunek 19. To jest w miarę jasne i logiczne, ale dość często mówi się o wyspach TT.

Wyspa TT

Wyspa TT powstaje wtedy, gdy z sieci TN wydzielony zostaje fragment, gdzie metalowe obudowy odbiorników, czyli obwód PE, nie są dołączone do uziemienia przez przewód sieci, tylko lokalnie. Ilustruje to w sposób uproszczony rysunek 20.

Tak, tylko rysunek 20 nie odzwierciedla realiów. Po pierwsze, nasuwa się pytanie, czy rzeczywiście każde urządzenie z osobna ma mieć indywidualne uziemienie? Czy raczej obwód uziemienia PE ma być wspólny dla całej wyspy TT według rysunku 21.

A jeżeli tak, to dlaczego nie zrealizować układu TN-C-S, bo przecież różnica między rysunkiem 21 a wcześniejszym 18 to tylko jedno połączenie. A co z wyspą TT w przypadku sieci nie TN-C, tylko TN-S?

Czy to ma sens? Takie pytania są zasadne. Na forach można znaleźć liczne dyskusje o wyspach TT, gdzie poruszane są jeszcze inne aspekty zagadnienia. Są to problemy nie dla „elektryków domowych”, tylko  dla zawodowych energetyków, zajmujących się sieciami przemysłowymi, a nie domowymi.

Najkrócej mówiąc, w domowych sieciach 230V praktycznie nie ma wysp TT, choć w nielicznych szczególnych przypadkach zakład energetyczny może zaproponować sieć TT także w gospodarstwie domowym, a nie w zakładzie przemysłowym. Ogólnie biorąc, w obrębie domu sieć energetyczna prowadząca do gniazdek ma być trzyprzewodowa typu TN-S (choć na drodze od transformatora zasilającego może być siecią TN-C).

Nasuwają się też różne inne pytania, dotyczące nie tylko wyspy TT, ale i sieci TN-C i TN-S. Po co ta cała komplikacja obwodów uziemienia? Czy nie jest to dzielenie włosa na czworo? Jakie to ma realne znaczenie dla użytkownika?

W Internecie na forach można znaleźć wiele wątków z dyskusjami o różnych szczegółach realizacji sieci, co w praktyce dotyczy połączeń obwodów PEN, PE, N. Trzeba podkreślić, że część z nich dotyczy instalacji domowych, a część przemysłowych, gdzie przepisy i praktyka są inne. Wiele takich dyskusji na forach ma charakter teoretyczny, akademicki, a zdarzają się dyskusje  na niskim szkolnym poziomie, dotyczące elementarnych podręcznikowych schematów. Tylko część takich ma jakikolwiek sens praktyczny i tylko część ma związek z przepisami oraz normami, a niestety w tym zakresie sytuacja często wcale nie jest jasna. Nie tylko elektronik, ale przeciętny elektryk może zgubić się w tego rodzaju mniej i bardziej sensownych dyskusjach. Nietrudno też zauważyć, że znaczna część takich dyskusji wynika z ambicji jej uczestników, co nie zawsze łączy się z wiedzą i doświadczeniem. Lektura takich wątków zniechęca i potrafi więcej zamieszać w głowie, niż wyjaśnić.

Omówione w tym i poprzednich pięciu artykułach podstawowe zasady i schematy wydają się proste, przynajmniej na papierze. W praktyce zdarza się jednak, że trudno ściśle określić typ sieci, sprzeczne i mylące bywają oznaczenia, opisy, tabliczki znamionowe, a nawet informacje z zakładów energetycznych. Przepisy nie tylko nie uwzględniają wszystkich dziedzin i przypadków, ale też niektóre przepisy i normy są nieścisłe lub wręcz niemożliwe do spełnienia w praktyce. Uwarunkowania i ograniczenia poszczególnych realnych przypadków to jedno, a obowiązujące przepisy (i normy), a także ewentualna odpowiedzialność karna to zupełnie coś innego.

W każdym razie liczne trudne kwestie dotyczą profesjonalistów. Natomiast my jesteśmy elektronikami i użytkownikami, a głównym obiektem naszego zainteresowania są obwody uziemienia. Dla wielu osób różnice między rodzajami sieci mogą wydać się niewielkie i nieznaczące, a nawet dziwne i bezsensowne. Jednak same podręcznikowe schematy ideowe nie pokazują specyficznych cech poszczególnych typów sieci oraz ujawniających się w praktyce zalet i wad. Wcześniej wspomnieliśmy tylko o przeciwporażeniowej ochronie ludzi (i zwierząt). A właśnie sposób poprowadzenia obwodów związanych z uziemieniem ma duży wpływ nie tylko na bezpieczeństwo, ale także na inne ważne kwestie: na ochronę i ryzyko uszkodzenia dołączonego sprzętu elektrycznego przez rozmaite przepięcia. Do tego dochodzi kwestia ewentualnej instalacji odgromowej, mającej, ogólnie biorąc, chronić przed  skutkami uderzeń piorunów. Aby to zgłębić, trzeba rozważyć szereg różnych przypadków. To szeroka tematyka godna oddzielnej serii artykułów. Na stronie Zapytaj, Odpowiedz możesz poinformować mnie, czy i jakimi aspektami zagadnienia byłbyś zainteresowany.

Piotr Górecki