Układy sieciowe TN-C, TN-S, TT - co oznaczają i dlaczego są ważne?

Dlatego spróbujmy rozszyfrować znaczenie tych symboli, aby stały się mniej tajemnicze i by zachęcić niektórych "majsterkowiczów" do większej powściągliwości przy ingerowaniu w swoją lub cudzą instalację elektryczną. Bo nie zawsze to co "intuicyjne" będzie właściwe. A prąd elektryczny nie wybacza ani pomyłek, ani niewiedzy. Nie prowokujmy go zatem.

Jeszcze w latach osiemdziesiątych XX wieku, w instalacjach elektrycznych stosowano dwie główne metody ochrony od porażeń prądem elektrycznym. Jedna z nich to zerowanie, w której wszystkie części przewodzące urządzeń elektrycznych (na przykład metalowe obudowy urządzeń) podłączano do przewodu zerowego, który pełnił wtedy jednocześnie funkcję roboczą i ochronną. Nazwa zerowanie powstała w czasach, kiedy wśród przewodów w instalacji elektrycznej rozróżniano jedynie przewody fazowe oraz przewód zerowy, czyli ten, którego potencjał wynosił zero (bo jest metalicznie połączony z punktem zerowym transformatora). W niektórych typach instalacji występował jeszcze przewód uziemiający.

Jeśli w instalacji przewód uziemiający występował, to wtedy mieliśmy drugą metodę ochrony od porażeń, zwaną uziemianiem. W metodzie tej wszystkie części przewodzące urządzeń elektrycznych podłączano do przewodu uziemiającego, a następnie do uziemienia zewnętrznego. Przy czym tych dwóch metod, czyli zerowania i uziemiania nie wolno stosować łącznie! Czyli jeśli w instalacji jako metoda ochrony od porażeń występuje zerowanie, to nie wolno zastosować w niej uziemiania i odwrotnie. Jeśli w instalacji występuje uziemianie, to nie wolno stosować w niej zerowania.

Dodam jeszcze, że nazewnictwo to wciąż obowiązuje dla instalacji wykonanych w tamtych czasach, które (zgodnie z prawem) mogą być eksploatować nadal, a które nie spełniają technicznych wymogów obowiązujących dla nowo budowanych i remontowanych instalacji elektrycznych. W nich obowiązuje już dostosowanie się do współczesnych wymogów technicznych i tak samo obowiązuje dzisiejsze nazewnictwo, dokładnie definiujące ich cechy i właściwości.

Wprowadzenie nowych wymogów technicznych

Obydwie wspomniane wyżej metody ochrony od porażeń, czyli zarówno zerowanie, jak i uziemianie miały istotne wady, dlatego na początku lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku, dla poprawy bezpieczeństwa wprowadzono zasadniczą zmianę w budowie instalacji. Mianowicie wprowadzono obowiązek stosowania oddzielnych przewodów ochronnego i neutralnego. Wspólny przewód ochronno – neutralny mógł być nadal stosowany jedynie w takich przypadkach, gdy jego przekrój nie był mniejszy niż 10 mm² dla przewodów wykonanych z miedzi (Cu) i 16 mm² dla przewodów wykonanych z aluminium (Al). Zaś tak grubych przewodów praktycznie nie stosuje się w wewnętrznych instalacjach domowych. Są natomiast powszechnie używane w przypadku przyłączy i linii energetycznych.

W związku z tą zmianą, wprowadzono również nową nomenklaturę porządkującą nazewnictwo układów sieci oraz instalacji elektrycznych niskiego napięcia. Przy czym zmiany obowiązują zarówno dla nowo budowanych jak i dla modernizowanych obiektów. Nie można o tym zapominać, bo przy rozbudowie, a nawet przeróbkach instalacji, w tej nowej części stosujemy współczesne wymogi techniczne, a nie tamte sprzed lat, gdyż w wielu przypadkach ludzie o tym nie wiedzą.

Współczesna klasyfikacja układów sieci i instalacji

Podstawowym dokumentem regulującym projektowanie, montaż i sprawdzanie instalacji elektrycznych niskiego napięcia, zapewniając ich bezpieczne i poprawne działanie, jest norma PN-HD 60364-1:2010 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 1: Wymagania podstawowe, ustalanie ogólnych charakterystyk, definicje. Norma ta jest przywoływana w przepisach prawnych, na przykład w rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (WT). Według jej postanowień, m.in. zarówno sieci rozdzielcze jak i instalacje elektryczne dzieli się na trzy podstawowe układy: TN, TT oraz IT. Przy czym w układzie TN rozróżniamy trzy jego warianty, czyli TN-C, TN-S i TN-C-S. I to są właśnie te "tajemnicze" litery, o których wspominałem na wstępie.

Zajmijmy się zatem ich rozszyfrowaniem.

Poszczególne litery używane w oznaczeniu symbolu układu sieci pochodzą od francuskich określeń:

T – terre – ziemia;

N – neutre – neutralny;

I – isolé – izolowany;

C – combiné – łączony;

S – séparé – oddzielny.

Odpowiednie zestawienie tych liter mówi w zasadzie wszystko o cechach poszczególnych układów sieciowych, a miejsce postawienia danej litery nie jest przypadkowe.

Pierwsza litera oznacza relację danego układu w stosunku do ziemi. I tutaj mamy tylko dwie odmiany:

1. literą T (terre) oznaczamy taki układ, w którym jeden z punktów sieci jest połączony bezpośrednio z ziemią. Najczęściej jest nim punkt neutralny instalacji.
2. litera I (isolé) oznacza układ, w którym żaden punkt sieci nie jest z ziemią połączony, czyli wszystkie punkty układu są od ziemi izolowane. Punkt neutralny takiego układu może być uziemiony tylko poprzez bardzo dużą impedancję albo ogranicznik przepięć.

Druga litera w oznaczeniu układu wyznacza sposób połączenia z ziemią części przewodzących dostępnych instalacji.

1. litera N (neutre) wskazuje na bezpośrednie połączenie elektryczne części przewodzących dostępnych z uziemionym punktem układu, za pomocą przewodów ochronnych. Uziemionym punktem układu jest najczęściej punkt neutralny.
2. litera T (terre) oznacza bezpośrednie połączenie metaliczne części przewodzących dostępnych z uziemieniem ochronnym. I to niezależnie od tego czy jakikolwiek punkt układu został uziemiony.

Trzecia (albo i czwarta litera) oznacza relację przewodu neutralnego z przewodem ochronnym w układzie.

1. litera C (combiné) oznacza, że funkcję przewodu neutralnego N i przewodu ochronnego PE, pełni jeden, wspólny przewód (PEN) określany mianem przewód ochronno-neutralny.
2. litera S (séparé) oznacza, że przewód neutralny N został oddzielony od przewodu ochronnego PE. Obydwa te przewody funkcjonują oddzielnie i nigdzie więcej nie mogą być powtórnie połączone.

Tak na marginesie, instalacja z zerowaniem przypomina nieco układ TN, natomiast instalacja z uziemianiem przypomina układ TT. Ale tylko przypominają, nie są z nimi tożsame.

Właściwości układu sieciowego TN-C

Spróbujmy zapoznać się dokładniej z konfiguracjami poszczególnych układów sieciowych aby zrozumieć jakie konsekwencje wynikają z ich zastosowania. Na początek najczęściej stosowany układ sieci TN-C.

Rys. 1. Schemat zasilania odbiorników w układzie sieci TN-C.

Na rysunku widzimy, że punkt neutralny transformatora zasilającego w tym układzie jest uziemiony bezpośrednio (dlatego w oznaczeniu jako pierwszą mamy literę T), zaś odbiorniki nie mają własnych uziemień ochronnych (druga litera N). Natomiast przewód ochronny PE i przewód neutralny N, na całej swojej długości są prowadzone wspólnie, jednym i tym samym przewodem PEN. Jest to więc układ czteroprzewodowy.

Ochronę przed porażeniem prądem realizujemy w nim poprzez połączenie elementów przewodzących dostępnych z bezpośrednio uziemionym punktem układu sieci. Oczywiście, za pomocą przewodu ochronno-neutralnego PEN.

Układ TN-C jest w Polsce podstawowym, powszechnie występującym układem stosowanym w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia. Dla dystrybutorów energii elektrycznej posiada on szereg zalet, jednak u odbiorców końcowych ujawniają się jego zasadnicze wady. Ze względu na podwójną funkcję przewodu PEN (ochronną i roboczą), w razie uszkodzenia (przerwania) tego przewodu, na metalowych obudowach odbiorników może pojawić się pełne napięcie fazowe! Jest to bardzo poważna, elementarna i szalenie niebezpieczna wada tego układu.

Na przewodzie PEN, a więc również na metalowych obudowach odbiorników do niego podłączonych, może też wystąpić napięcie powstałe w wyniku nierównomiernego obciążenia faz, czyli asymetrii obciążenia. Zjawisko to może wywołać niekorzystny przepływ prądu wyrównawczego, chociażby poprzez ekrany kabli, co może być bardzo niekorzystne i/lub niebezpieczne dla instalacji słaboprądowych. Tym mianem określamy instalacje które służą do przesyłania sygnałów, różnych danych i informacji, a nie do zasilania urządzeń wymagających większej mocy. Czyli są to przykładowo systemy alarmowe, monitoringu, sieci komputerowe, kontrola dostępu, domofony czy systemy sygnalizacji pożaru).

Na koniec jeszcze jedna wada z gatunku tych podstawowych. W układzie sieci TN-C zabronione jest instalowanie zabezpieczeń różnicowoprądowych RCD. Obowiązkowe natomiast jest stosowanie zasady "najpierw chronimy, a potem zasilamy". Czyli przewód PEN zawsze prowadzimy najpierw do zacisku PE danego urządzenia, a dopiero później do jego zacisku N. Nigdy odwrotnie!

Z tych wszystkich i wielu innych powodów, obecnie obowiązujące przepisy prawa zabraniają stosowania układu TN-C w instalacjach odbiorczych. Jest on układem właściwym raczej dla sieci lub też instalacji rozdzielczych, a nie instalacji końcowych, istniejących w naszych domach.

Układ sieciowy TT

Rys. 2. Schemat zasilania odbiorników w układzie sieci TT.

Jak widzimy na rysunku, w układzie TT nie istnieje przewód PEN. Wprawdzie punkt neutralny transformatora jest bezpośrednio uziemiony (pierwsza litera T) i odbiorniki posiadają części przewodzące dostępne połączone z uziemieniem ochronnym (druga litera T), to jednak pomiędzy tymi uziemieniami NIE MA metalicznego połączenia! Uziemienie ochronne, do którego przyłączone są wszystkie części przewodzące dostępne, jest niezależne elektrycznie od uziemienia sieci. Dlatego też w układzie TT nie może być mowy o "rozdzielaniu PEN" na PE i N, bo nie można rozdzielać tego, co nie istnieje.

Uziemianie jako metoda ochrony od porażeń było kiedyś uznawane za pozwalające na zapewnienie większego bezpieczeństwa podczas użytkowania instalacji elektrycznych w warunkach o zwiększonym ryzyku porażenia. Ma ono jednak podstawową wadę. Aby zapewniać wystarczający poziom skuteczności ochrony przeciwporażeniowej, wartość impedancji uziemienia ochronnego musi mieć stosunkowo niskie wartości. Spójrzmy jak to wygląda od strony matematycznej.

Załóżmy, że rozważamy obwód elektryczny zabezpieczony wyłącznikiem nadmiarowym 16 A o charakterystyce B. Czyli najbardziej rozpowszechniony. Współczynnik k dla tej charakterystyki zawiera się w granicach 3 – 5, a więc prąd skutecznie wyłączający to zabezpieczenie będzie miał wielkość 80 A, gdyż 16 A × 5 = 80 A. To po prostu największa wartość k pomnożona przez I (prąd) zabezpieczenia. Określenie prądu wyłączenia pozwala nam wyliczyć maksymalną wartość impedancji pętli zwarcia, przy której zabezpieczenie w sposób pewny spełni swoją rolę. Impedancja ta musi spełnić równanie: Zs × Ia ≤ Un , gdzie:

Zs – impedancja pętli zwarciowej, obejmującej źródło zasilania, przewód liniowy do miejsca zwarcia, przewód ochronny części przewodzących dostępnych, przewód uziemiający, rezystancja uziomu instalacji oraz uziom źródła;

Ia – wartość prądu powodująca samoczynne wyłączenie zasilania w wymaganym czasie;

Un – napięcie przewodu fazowego względem ziemi.

Wykonując proste działania matematyczne (zgodnie z prawem Ohma), otrzymujemy:

Zs ≤ Un : Ia

Zs ≤ 230 V : 80 A

Zs ≤ 2,875 Ω

Widzimy więc, że już przy wielkości rezystancji uziemienia rzędu zaledwie około 3 omów, zabezpieczenie nadprądowe może w ogóle nie zadziałać w wymaganym czasie!

Spełnienie warunku odpowiednio niskiej wartości rezystancji uziemienia ochronnego nie było kiedyś wielkim problemem w warunkach miejskich i wielkoprzemysłowych. Wykorzystanie w roli uziomów rozległych instalacji wodociągowych i kanalizacyjnych , wykonywanych dawniej z rur metalowych, albo różnego rodzaju innych, wkopanych w ziemię rurociągów oraz elementów, pozwalało uzyskiwać odpowiednio niskie wartości. Dzisiaj jednak, kiedy wodociągi budowane są z rur plastikowych. Gazociągów w tej roli wykorzystywać nie wolno. Zresztą posiadają one wstawki izolacyjne bocznikowane iskiernikami, osiągnięcie tak niskich poziomów rezystancji uziemienia ochronnego jest właściwie nierealne. Dlatego w układach TT dla ochrony od porażeń, ochrony przy uszkodzeniu przez samoczynne wyłączenie zasilania, musimy dzisiaj koniecznie stosować urządzenia różnicowoprądowe. I to w układzie kaskadowym. Pojedynczy aparat RCD może się czasami okazać zbyt zawodnym, nieskutecznym zabezpieczeniem, a słowo "czasami" oznacza tutaj duże niebezpieczeństwo.

Układ sieciowy TN-S

Rys. 3. Schemat zasilania odbiorników w układzie sieci TN-S.

Układ TN-S został pozbawiony wad zarówno układu TN-C, jak też układu TT, dlatego jest obecnie zalecany do stosowania przy wykonywaniu instalacji elektrycznych odbiorczych nowych, jak również podczas remontowania i modernizacji instalacji dotąd istniejących. W układzie tym, funkcje przewodu ochronno-neutralnego w porównaniu z układem TN-C, na całej długości zostały rozdzielone i pełnią je oddzielne przewody PE i N.

Różnica pomiędzy układem TN-S a układem TT polega na tym, że bezpośrednio uziemiony punkt neutralny transformatora zasilającego ma metaliczne połączenie z uziemieniem ochronnym odbiorników, co w układzie TT nie występuje! W takiej sytuacji impedancja pętli zwarcia L-PE ma wartości o wiele niższe niż te występujące w układzie TT i wymagany, podstawowy poziom ochrony przeciwporażeniowej, można skutecznie realizować nawet w oparciu o wyłączniki nadmiarowoprądowe.

A co z wadami układu TN-C? Rozważmy te sytuacje. Jeśli przerwiemy przewód N, wtedy stracimy zasilanie i to wszystko! Ochrona przeciwporażeniowa będzie działała nadal, tak jak wcześniej. Jeśli natomiast przerwaniu ulegnie przewód PE, to być może ochrona przeciwporażeniowa w postaci zabezpieczenia nadprądowego i szybkiego wyłączenia zasilania w wymaganym czasie nie zadziała właściwie, ale wciąż mamy dodatkowe, wielokrotne uziemianie przewodu PE od strony odbiorników, oraz zabezpieczenie różnicowoprądowe, które na pewno zadziała wtedy we właściwym czasie.

Dlatego też instalacja odbiorcza w układzie TN-S jest najbardziej pewną i bezpieczną dla użytkownika wersją instalacji elektrycznej. Oczywiście pod warunkiem, że została wykonana poprawnie.

Rozdzielenie przewodu PEN na PE oraz N, daje nam też cały szereg atutów. Przewód PE nie jest w takiej sytuacji przewodem roboczym jak przewody fazowe L oraz neutralny N, a w takiej sytuacji, w warunkach normalnych nie płyną nim żadne prądy. Nie stanowi więc niebezpieczeństwa dla jakiejkolwiek elektroniki, którą ktoś chce zainstalować dodatkowo. Zawsze ma potencjał bliski potencjału ziemi, bo przecież nie wolno w nim umieszczać aparatów instalacyjnych. Żadnych wyłączników, rozłączników, bezpieczników, po prostu niczego! Nie może być przerywany w żadnej sytuacji, a jeśli zdarzy się awaria, to wymagane uziemienia dodatkowe wraz z aparatami RCD mają nas uchronić przed jej skutkami.

Układ TN-C-S

Rys. 4. Schemat zasilania odbiorników w układzie sieci TN-C-S.

Układ TN-C-S jest kompilacją układów TN-C oraz układu TN-S z wszelkimi ich zaletami oraz wadami. Jedną jego część, zawsze tę od strony zasilania, stanowi układ TN-C. Jest to albo układ sieci zasilającej, albo część instalacji odbiorczej, jeszcze nie zmodernizowanej. Najczęściej spotykamy go w wersji pierwszej, gdy sieć rozdzielcza pracuje w układzie TN-C, a instalacja odbiorcza w układzie TN-S.

Punktem rozdziału przewodu ochronno-neutralnego PEN bywa najczęściej złącze albo też rozdzielnica główna (RG) budynku. Nie jest to jednak wymóg kardynalny. Odpowiednim miejscem może być inne, oddpowiednie ze względu na specyfikę danego obiektu. Decyzja należy do wykonawcy instalacji, znającego wszelkie miejscowe uwarunkowania lokalizacyjne i techniczne.

Chcę tutaj wyraźnie zaznaczyć, iż rozdział przewodu PEN na przewód ochronny PE oraz przewód neutralny N może nastąpić wyłącznie wtedy, kiedy przewód PEN ma przekrój nie mniejszy niż 10 mm² jeśli jest wykonany z miedzi, oraz minimum 16 mm² gdy jest wykonany z aluminium. W innych sytuacjach takiego rozdziału robić nie wolno.

Czas też rozprawić się z mocno rozpowszechnionym w narodzie poglądem, iż "punkt rozdziału PEN musi być uziemiony". Otóż wcale nie musi. Uziemiać należy przewód ochronny PE, przy czym najlepiej zrobić to wielokrotnie, czyli w wielu miejscach. W jakich konkretnie? Otóż wszędzie tam, gdzie jest to łatwe technicznie i ze względu na przykład na warunki otoczenia. Ilość realizowanych miejsc uziemienia przewodu PE nie jest ograniczona, im więcej razy to zrobimy tym będzie lepiej.

Podsumowanie

Zdaję sobie sprawę, że treści zawarte w niniejszym opracowaniu mogą okazać się zbyt trudne dla osób nie mających przygotowania technicznego, chociaż pominąłem w nich opis układu IT, gdyż nie jest stosowany w instalacjach odbiorców indywidualnych. Tym niemniej proponuję, aby osoby te zapoznały się chociażby z tą ostatnią jego częścią, w której chciałbym krótko przedstawić najważniejsze wnioski wynikające zarówno z jego treści, jak i z moich obserwacji życiowych jako praktykującego elektryka.

Otóż nowe wymogi dla wykonawstwa instalacji elektrycznych wprawdzie obowiązują już ponad 30 lat, ale tak naprawdę w wielu prywatnych obiektach powstałych do roku 2010 niewiele z tego da się zauważyć. Czyli instalację elektryczną wykonywano w nich na starą modłę, "po taniości", rękami kiepskich i niedouczonych wykonawców. Dopiero po około dwudziestu latach do głosu zaczęło dochodzić nowe pokolenie elektryków i sytuacja zaczęła się zmieniać na lepsze. Tym niemniej, w tych dawnych, kiepsko wykonanych instalacjach, o małych przekrojach przewodów, z niewieloma wydzielonymi obwodami i coraz większą liczbą dołączanych z czasem odbiorników energii, najróżniejsze usterki zaczynają być na porządku dziennym. Najpowszechniejsze z nich to niespodziewane wyłączenia zabezpieczeń nadprądowych z powodu przeciążenia w obwodzie i przegrzanie gniazdek wtyczkowych aż do stopienia styków.

Takie przegrzanie gniazdka wtyczkowego wydaje się prostą usterką i wiele osób decyduje się na jego wymianę samodzielnie. Bo cóż to za problem, prawda? Gniazdek w sklepach na pewno nie brakuje. Ale najłatwiej dostępne są takie z kołkiem ochronnym ("bolcem"), bo to dzisiaj standard obowiązujący, jednak stare gniazdko było bez takiego kołka! I co w takiej sytuacji trzeba zrobić, skoro w puszce pod gniazdkiem są tylko dwa przewody?

Powiem wam co ludzie robią. Neonówkę większość w domu ma, wiec przewód fazowy i zerowy są w stanie określić. Dlatego "majsterkowicze" podłączają te przewody do zacisków gniazdka i dodatkowym kawałkiem przewodu łączą zestyk przewodu neutralnego z zestykiem kołka ochronnego. A jeśli w rozdzielnicy mają wyłącznik różnicowoprądowy to się potem dziwią, że po włożeniu wtyczki przewodu od niektórych urządzeń do gniazdka, wyłącznik od razu wybija. Przyczyna tegoż jest bardzo prosta. Dyletancki "majsterkowicz" trafił na układ instalacji w którym takich rzeczy robić nie wolno! Nie wolno ani w układzie TN-S, ani w układzie TT, ani w układzie TN-C-S. Wolno tylko w instalacjach z zerowaniem. Już pominę fakt, że nawet w takiej instalacji przewód zerowy podłączamy najpierw do zacisku ochronnego, a dopiero od niego prowadzimy do zacisku zerowego.

Drugim obszarem, gdzie nieznajomość układu sieci może wprowadzać duże zakłócenia są instalacje słaboprądowe. Czyli wszelkie monitoringi, systemy alarmowe, przesyłu danych i tym podobne. Wiem, że wykonawcami takich instalacji są bardzo często osoby przyuczone, które wiedzą jak daną instalację wykonać, ale bez wiedzy na temat samych instalacji elektrycznych. I nie potrafią "zestroić" zabezpieczeń zasilania takich instalacji z zastanym typem układu sieci. Dlatego, jeśli niedługo po montażu zaczynają się w takiej instalacji awarie, to dobrze jest zlecić elektrykowi aby przyglądnął się sposobowi montażu i zabezpieczeniom. Bo często tu będzie tkwiło źródło nieprawidłowości.

Oczywiście, przykłady na błędne, niefachowe ingerencje w instalację elektryczną można mnożyć, w Internecie na różnych forach jest masa próśb o pomoc w najróżniejszych sytuacjach. I nie da się ich wszystkich opisać. Chcę jednak zwrócić uwagę, że to, co jest dobre i dozwolone dla jednego typu instalacji, niekoniecznie będzie dobre, jeśli w domu czy mieszkaniu mamy inny układ. Trzeba sobie z tego zdawać sprawę, nawet jeśli nie pamiętamy na wyrywki, na czym te różnice polegają. Ważne, aby w razie zaistnienia usterki, wezwanemu elektrykowi pokazać umowę dostawy energii elektrycznej, gdzie znajdziemy frazę "Sprzedawca zobowiązuje się dostarczać energię w układzie ……". Elektryk już będzie wiedział co z tego wynika.