Совмещенный защитный заземляющий и нейтральный проводник (PEN-проводник, PEN) — это проводник, выполняющий функции защитного заземляющего и нейтрального проводников (согласно ГОСТ 30331.1-2013). Данный термин имеет еще одно устаревшее название — «совмещенный нулевой защитный и рабочий проводник».
PEN-проводник, как и другие защитные проводники, не относят к токоведущим частям. Однако PEN-проводник является токопроводящим проводником, который учитывают в общем числе проводников, применяемых в электрической цепи, сети или системы.
Харечко Ю.В. в своей книге [2] детализирует:
« Требования, изложенные в п. 411.4.2 ГОСТ Р 50571.3-2009 (МЭК 60364-4-41:2005) для систем TN, предписали заземлять нейтральную точку. К заземленной нейтральной точке многофазного источника питания или к средней точке однофазного источника питания может быть присоединен РЕN-проводник. То есть в низковольтных электроустановках переменного тока или их частях функции защитного заземляющего проводника и нейтрального проводника могут быть объединены в одном проводнике. Этот проводник называют совмещенным защитным заземляющим и нейтральным проводником. Однако он более известен по своему краткому наименованию «РЕN-проводник» или просто «РЕN». »
[2]
Примеры систем, в которых имеют место PEN-проводники.
Следовательно, в однофазных электрических системах TN-C и TN-C-S, которые имеют источники питания со средними точками (нейтралями), могут иметь место PEN-проводники. На рисунке 1 показана однофазная двухпроводная система TN-C, PEN-проводники в которой применяют и в распределительной электрической сети, и в подключенной к ней низковольтной электроустановке.
Рис. 1. Система TN-C однофазная двухпроводная (на основе рисунка 1 из книги [2] Харечко Ю.В.)
Если в системе TN-C-S PEN-проводники разделяют на защитные и нейтральные проводники на вводе низковольтной электроустановки, как показано на рисунке 2, то PEN-проводники могут быть только в распределительной электрической сети.
Рис. 2. Система TN-C-S однофазная двухпроводная, в которой PEN-проводник разделен на защитный проводник PE и нейтральный проводник N на вводе электроустановки (на основе рисунка 31B3 из ГОСТ 30331.1-2013 [1])
В случае разделения PEN-проводников где-то в электроустановке, в головной ее части используют PEN-проводники, а в других частях электроустановки применяют защитные и нейтральные проводники (смотрите рисунок 3).
Рис. 3. Система TN-C-S однофазная двухпроводная, в которой PEN-проводник разделен на защитный проводник PE и нейтральный проводник N где-то в электроустановке (на основе рисунка 3 из книги [2] Харечко Ю.В.)
PEN-проводники также широко распространены в трехфазных электрических системах TN-C (рисунок 4) и TN-C-S (рисунок 5 и 6), источники питания которых имеют нейтрали.
Рис. 4. Система TN-C трехфазная четырехпроводная, в которой функции нейтрального и защитного проводников объединены в одном проводнике во всей системе (на основе рисунка 31С из ГОСТ 30331.1-2013 [1]) Рис. 5. Система TN-C-S трехфазная четырехпроводная, в которой PEN-проводник разделен на защитный проводник PE и нейтральный проводник N где-то в электроустановке (на основе рисунка 31В1 из ГОСТ 30331.1-2013) Рис. 6. Система TN-C-S трехфазная четырехпроводная, в которой PEN-проводник разделен на защитный проводник PE и нейтральный проводник N на вводе электроустановки (на основе рисунка 31В2 из ГОСТ 30331.1-2013)
Требования, сечение.
Обратимся к книге [2] под авторством Харечко Ю.В., который, предварительно проанализировав соответствующую нормативную документацию, пишет в каких случаях запрещено применять PEN-проводники. Приведу его цитаты:
« Требованиями некоторых стандартов комплекса МЭК 60364 запрещено применять PEN-проводники в отдельных низковольтных электроустановках или их частях. Например, для снижения электрических и электромагнитных воздействий на электрооборудование п. 444.4.3 стандарта ГОСТ Р 50571.4.44-2019 (МЭК 60364-4-44:2007) запрещает применять PEN-проводники во вновь создаваемых электроустановках зданий, в которых будет установлено информационное оборудование. PEN-проводник распределительной электрической сети должен быть разделен на защитный и нейтральный проводники на вводе в электроустановку здания. »
[2]
Для существующих электроустановок зданий, в которых уже применяется PEN-проводник, Харечко Ю.В. дополняет [2]:
« В существующих электроустановках зданий рекомендуется осуществить замену PEN-проводников защитными и нейтральными проводниками. То есть электроустановки зданий с информационным оборудованием должны соответствовать типу заземления системы TN-S. Если применяют систему TN-C-S, PEN-проводник должен быть разделен на защитный и нейтральный проводники на вводе в электроустановку здания. »
[2]
« Требованиями п. 708.312.2.1 стандарта МЭК 60364-7-708 запрещено применять PEN-проводники в конечных электрических цепях, питающих электрооборудование передвижного жилья (используемого на досуге), палаток и летних загородных домов. »
[2]
« Требованиями п. 709.312.2.1 стандарта ГОСТ Р 50571.7.709-2013 (МЭК 60364-7-709) запрещено применять PEN-проводники в конечных электрических цепях, питающих электрооборудование яхт, лодок, катеров, плавучих домов и иных судов, используемых только для спорта и на досуге. »
[2]
Требованиями, изложенными в п. 312.2.1, ГОСТ 30331.1-2013 запретил применять PEN-проводники в электроустановках жилых и общественных зданий, торговых предприятий и медицинских учреждений. PEN-проводник распределительной электрической сети, к которой подключают любую из указанных электроустановок зданий, соответствующую типу заземления системы TN-C-S, должен быть разделен на нейтральный и защитный проводники на ее вводе. Тип заземления системы TN-C запрещено применять для перечисленных электроустановок зданий.
Харечко Ю.В. в своей книге [2] так описывает требования к PEN-проводникам:
« Требования к РЕN-проводникам изложены в ГОСТ Р 50571.5.54-2013. Поскольку на РЕN-проводник возложены функции по защите от поражения электрическим током, выполняемые защитным заземляющим проводником, он, во-первых, должен соответствовать требованиям, предъявляемым к защитному проводнику. Прежде всего, должна быть обеспечена непрерывность электрической цепи РЕN-проводника. Поэтому в его цепь запрещено включать коммутационные устройства, например, плавкие предохранители, автоматические выключатели, устройства дифференциального тока и др. В точке разделения PEN-проводника должны быть установлены отдельные зажимы или шины, предназначенные для подключения защитных и нейтральных проводников. PEN-проводник следует подключать к тому зажиму (шине), который используют для присоединения защитных проводников. За точкой разделения PEN-проводника (по току электроэнергии) запрещено объединять защитные и нейтральные проводники. »
[2]
« Во-вторых, на PEN-проводник возложены функции по передаче электрической энергии. Поэтому он должен соответствовать требованиям, предъявляемым к нейтральному проводнику. »
[2]
Двоякая функция PEN-проводника накладывает на его выполнение следующие ограничения [2, Ю.В. Харечко]:
- сечение PEN-проводника должно быть не менее 10 мм 2 по меди и 16 мм 2 по алюминию;
- PEN-проводник может быть использован только в стационарной электропроводке;
- PEN-проводник должен быть изолирован. Его изоляция должна соответствовать самому высокому напряжению, на которое рассчитана электрическая цепь, содержащая PEN-проводник;
- запрещено использование сторонних проводящих частей в качестве РЕN-проводника.
Харечко Ю.В. подытоживает [2]:
« В электроустановках зданий практически всегда применяют переносные и передвижные электроприемники, которые подключают к стационарным электропроводкам с помощью гибких соединительных кабелей. Поскольку PEN-проводник может быть только в стационарной электропроводке, гибкий соединительный кабель любого электроприемника класса I должен иметь защитный проводник, который присоединяют к его открытой проводящей части и защитным контактам штепсельной вилки. Штепсельная розетка также должна иметь защитные контакты, которые присоединяют к защитному проводнику, берущему свое начало от PEN-проводника стационарной электропроводки. »
[2]
Цвет, буквенно-цифровая идентификация.
Требованиями, изложенными в п. 6.3.3 «PEN-проводники» ГОСТ 33542-2015, PEN-проводники предписано идентифицировать следующим образом:
- желто-зеленым цветом по всей их длине и, кроме того, метками синего цвета на их концах и в точках соединений;
- синим цветом по всей их длине и, кроме того, метками желто-зеленого цвета на их концах и в точках соединений.
« Дополнительные синие метки можно не наносить на концы PEN-проводников внутри электрического оборудования, если соответствующее требование имеется в стандарте на это электрооборудование. »
[5]
Требованиями п. 7.3.4 «PEN-проводник» ГОСТ 33542-2015 установлена следующая буквенно-цифровая идентификация рассматриваемых проводников: «PEN».
В проблеме использования сторонних проводящих частей (СПЧ) и открытых проводящих частей (ОПЧ), в том числе алюминиевых оболочек кабелей (бронированных и небронированных), в качестве PEN-проводников [1] имеется ряд неясных вопросов. К числу неясных вопросов относятся и нормативные основы. В связи с наметившейся тенденцией согласования Правил устройства электроустановок (ПУЭ) [2] со стандартами Международной Электротехнической Комиссии (МЭК) представляется необходимым рассмотреть нормативные основы использования СПЧ и ОПЧ в качестве PEN-проводников на базе сравнительного анализа требований ПУЭ и стандартов МЭК [3]. [4], [5], [6]. Результатом такого рассмотрения должна явиться разработка непротиворечивой системы нормативных основ использования СПЧ и ОПЧ в качестве PEN-проводников на базе требований ПУЭ и стандартов МЭК.
Важнейшей задачей электротехники становится создание безопасных электроустановок. Современная философия электробезопасности основывается на принципе эквипотенциальности всех токопроводящих частей (ПЧ), включая открытые проводящие части электроустановок (ОПЧ), а также сторонние проводящие части (СПЧ), в том числе, металлические и железобетонные строительные конструкции зданий и сооружений.
В свете этих двух тезисов рассмотрим условия электробезопасности в электроустановках напряжением до 1000 В с заземленной нейтралью — система питания TN-C (четырехпроводная система, в которой функции нулевого рабочего проводника — N и нулевого защитного проводника — РЕ объединены в одном проводнике — PEN) — см. рис. 1.
Натурные испытания проводящих свойств стального каркаса производственного здания ограничиваются тремя известными работами В. П. Тихонова [7], Р. Кауфмана [8] и Т. Гингера, О. Давидсона и Р. Брандела [9]. К сожалению недостаточный объем экспериментальных исследований и отсутствие необходимых теоретических обобщений не позволили авторам этих работ обосновать возможность и целесообразность использования стального каркаса производственного здания в качестве PEN-проводника. В силу этого обстоятельства в настоящее время отечественные и международные нормативные документы запрещают использовать сторонние проводящие части (СПЧ) в качестве PEN-проводников, что, как было установлено в работе, не позволит обеспечить электробезопасность при повреждении изоляции электроустановки.
В частности, в стандарте МЭК 364-5-54-80 + At.l(82) в п. 543.2.5 сказано: «Сторонние проводящие части не должны использоваться в качестве PEN- проводника».
Рис. 1 Схема цепи обратного тока в системе TN:
PEN — нулевой защитный проводник; 1 — защитный проводник (РЕ-проводник); 3 — заземляющий проводник (РЕ-проводник); 4 — вспомогательный проводник системы уравнивания потенциалов (РЕ-проводник), ГЗЗ — главный зажим заземления: ОПЧ — открытая проводящая часть (электрооборудования); СПЧ — сторонняя проводящая часть; В — металлический стояк водопровода; 3 — заземлитель; N — нулевой рабочий проводник; Lu L2> L$ — фазные проводники
В правилах устройства электроустановок (ПУЭ-87, 6-е изд.) содержится формулировка (п. 1.7.81, абз. 3); «В производственных помещениях с нормальной средой допускается использовать в качестве нулевых рабочих проводников указанные в п. 1.7.73. металлические конструкции (СПЧ-Р.К.), трубы, кожухи и опорные конструкции шннопроводов (ОПЧ-Р.К.) для питания одиночных однофазных электроприемников малой мощности. ». Другими словами, в ПУЭ — 6-е изд. разрешается использовать сторонние проводящие части (СПЧ) и открытые проводящие части (ОПЧ) в качестве N-проводника для питания однофазных электроприемников малой мощности. Эта формулировка разрешает устройство электроустановок, не обеспечивающих дополнительную защиту от косвенного прикосновения при повреждении изоляции. В то же время ПУЭ — 6-е изд. не содержит каких бы то ни было рекомендаций, разрешающих или запрещающих использование сторонних проводящих частей (СПЧ) в качестве PEN-проводников.
В ГОСТ Р50571.10 — 96 [10] (Дата введения 1997-01-01) запрет на использование (СПЧ) в качестве PEN-проводника сформулирован жестко: «543.2.5. Использование СПЧ в качестве PEN-проводника запрещается». Это обстоятельство приводит к тому, что открытые проводящие части защищаемой электроустановки при однофазном к.з (ОКЗ) на корпус электроустановки приобретают опасный потенциал, достигающий 2/3 фазного напряжения электроустановки (153 В при фазном напряжении 230 В).
Для уравнивания потенциалов защищаемые PEN-проводником открытые проводящие части электроустановки (ОПЧ) должны быть соединены эквипотенциальными связями с доступными одновременному прикосновению всеми сторонними проводящими частями, в том числе металлическими и железобетонными конструкциями зданий и сооружений [2], [6]. В этом случае 4-я жила кабеля системы TN-C, выполняющая функцию PEN-npoводника, оказывается зашунтированной сторонними проводящими частями, в том числе металлическими и железобетонными строительными конструкциями, которые, таким образом, оказываются одной из параллельных цепей PEN-проводника. Такое явление имеет место во всех современных электроустановках вопреки требованию п. 543.2.5. стандарта МЭК 364-5-54 [3]. При этом, как показали специальные экспериментальные исследования, проведенные ВНИИПроектэлектромонтажом совместно с трестом Татэлектромонтаж, при однофазном к.з. (ОКЗ) потенциал защищаемого оборудования не превышает предельно допустимого безопасного значения 6 В (См. стандарт МЭК 364-4-41. 1992. п. 411,1.5.2. [6], [11], и одновременно существенно возрастает значение тока ОКЗ, что повышает надежность защиты от к.з.
Таким образом, решение проблемы создания безопасных промышленных электроустановок зданий и сооружений связано не только с разработкой концепции безопасности, проведением теоретических и экспериментальных исследований системы TN-C, но также и с принципиальным изменением основных требований ПУЭ и ГОСТ Р 50 571.10 — 96 к PEN-проводнику.
Исходя из вышеизложенного, проанализируем требования и рекомендации ПУЭ [2] и стандартов МЭК, относящихся к использованию СПЧ в системе TN.
В ПУЭ не допускается использование СПЧ в качестве N-проводника; в порядке исключения допускается: использовать их «. для питания одиночных однофазных электроприемников малой мощности, например, в сетях до 42 В. »
На использование СПЧ в качестве PEN-проводника в системе TN-C прямого запрета нет. Однако между п. 1.7.81, не допускающим использования СПЧ в качестве N-проводника, а следовательно, и PEN-проводника, и п. 1.7.18, 1.7.47, 1.7.73, рекомендующими применение системы TN-C, в которой четвертая жила кабеля (PEN-проводник) шунтирована СПЧ (PEN-проводник), имеется существенное противоречие.
Стандарт МЭК 364-4-54 запрещает использовать СПЧ в качестве N- и PEN-проводников и в отличие от ПУЭ исключений не допускает. Однако требование п. 543.2.5 стандарта противоречит требованию п. 546.2.1, регламентирующего сечение четвертой жилы кабеля (используется в качестве PEN-проводника), шунтированной в соответствии с требованиями МЭК СПЧ, выполняющими функцию PEN-проводника.
Таблица 1.
Требования, относящиеся к использованию СПЧ
Не допускается использо
вать в качестве N-проводни-
ка; как исключение допуска
ется в сетях до 42 В (для пи
тания электроприемников ма
Могут быть использованы
в качестве единственных РЕ-
зовать в качестве РЕ-про
проводников, если в части
водника при выполнении
проводимости они удовлет
требований п. 1.7.79 ПУЭ
воряют требованиям ПУЭ и,
кроме того, обеспечивается
непрерывность цепи на всем
протяжении и х использования
Прямого запрета на ис
пользование в качестве PEN-
зовать в качестве PEN-
проводннка нет, между п. 1.7.
81 и п. 1.7.18, 1.7.73 имеется
щего четвертую жилу ка
Для устранения внутренних противоречий в ПУЭ и в стандартах МЭК следует систематизировать содержащиеся в них требования, при этом необходимо исходить из следующих рекомендаций и положений.
1. При использовании четырехжильных кабелей в системе TN четвертая жила, выполняющая роль PEN-проводника, неизбежно (по условию обеспечения эквипотенциальности) шунтирована сторонними проводящими частями (СПЧ), которые являются одной из параллельных цепей, образующих PEN-проводник.
Требования, относящиеся к использованию СПЧ
Пункт стандарта МЭК 364-5-54
Запрещается использовать в качестве N-проводника
Допускается использовать в качестве единств венного РЕ-проводника, если удовлетворяются требованиям п. 543.2.4
Рекомендуется использовать в качестве РЕ-проводника при выполнении требований п. 1.7.79 ПУЭ
PEN (система TN-C)
Запрещается использовать в качестве PEN-проводника
В системах TN-C использование СПЧ в качестве одного из PEN-проводников неизбежно (см. п. 547.1.2).
- Требования, предъявляемые к PEN-проводнику для обеспечения им функций N-проводника, должны обеспечиваться за счет собственных параметров (в первую очередь, проводимости) 4-й жилы кабеля, без учета проводимости СПЧ.
- Требования, предъявляемые к PEN-проводнику для обеспечения им функций РЕ-проводника, должны обеспечиваться за счет полной проводимости эквивалентного PEN-проводника, образованного параллельно соединенными 4-й жилой кабеля, сторонними проводящими частями (СПЧ) и землей.
- При определении наименьшего допустимого (по условию нагрева) сечения 4-й жилы кабеля необходимо установить действительное токораспределение при о.к.з. между 4-й жилой, СПЧ и землей. Причем термическая стойкость кабеля при о.к.з. не должна ограничиваться условиями нагревания 4-й жилы кабелей, выполняющей функции PEN-проводника
Исходя из сформулированных положений, перейдем к сравнительному анализу нормативов (см. табл. 14), определяющих наименьшее сечение 4-й жилы кабелей, используемых в системах TN.
Из сравнения норм ПУЭ и стандартов МЭК следует, что в последних предъявляются более жесткие требования к проводимости четвертой жилы кабелей, используемых в системах TN (см. табл. 14). В ПУЭ регламентируется общее сечение N-, РЕ- и PEN-проводников, при этом не предъявляются обязательные требования к сечению четвертой жилы кабеля независимо от выполняемых ею функций (N-, РЕ- или PEN-проводник). В стандартах МЭК предъявляются обязательные требования к сечению четвертой жилы кабеля, выполняющей функции N-, РЕ- или PEN-проводника в зависимости от сечения фазной жилы, при этом проводимость СПЧ во внимание не принимается. В частности, согласно стандартам МЭК четвертую жилу кабеля можно использовать в качестве PEN-проводника, если ее сечение не менее 16 мм 2 (алюминий) или 10 мм» (медь).
При сечениях фазной жилы до 25 мм 2 (алюминий) или 16 мм 2 (медь) сечение четвертой жилы кабеля при использовании ее в качестве N-проводника, а следовательно, и PEN-проводника должно быть не менее сечения фазной жилы независимо от проводящих свойств СПЧ. Как показали выполненные ВНИИПроектэлектромонтажом и трестом «Татэлекгромокгаж» теоретические и экспериментальные исследования токораспределения между четвертой жилой кабеля, СПЧ и землей при о.кз., этого сечения достаточно при использовании четвертой жилы кабеля в качестве PEN-проводника для кабелей сечением до 120 мм 2 (алюминий) и 95 мм 2 (медь). При большем сечении фазной жилы наименьшее допустимое по термической стойкости при о.к з. сечение четвертой жилы четырехжильных кабелей, используемых в системе TN, должно быть увеличено.
Результаты исследования зависимости относительных токов четвертой жилы кабеля |aPEN от относительной площади ее поперечного сечения aPEN для различных сечений фазной жилы кабеля SL, представлены на рис. 2. Здесь же показана зависимость ц (а) для гипотетического проводника, характеризующегося равенством плотности тока этого проводника при любом значении а плотности тока фазного проводника:
Таблица 3.
Наименьшее сечение четвертой жилы четырехжнльных кабелей в системе TN-C, мм при номинальном сечении фазной жилы SL, мм 2