Výhody a nevýhody sítí TN-C a TN-S

Výhody a nevýhody sítí TN-C a TN-S

Miloš Král, Železniční stavitelství Praha a. s.

Většina čtenářů jistě ví, že existují různé druhy rozvodných sítí, přičemž pro každou platí určité odlišnosti. V elektrických rozvodných sítích mohou být použity různé druhy zařízení a uplatňují se v nich různé druhy ochran před úrazem elektrickým proudem. Projektanti tyto sítě a ochrany navrhují, montéři budují a revizní technici kontrolují. Rozvodné sítě vznikaly postupně v závislosti na rostoucích požadavcích na přenos stále vyššího výkonu. Se zvyšujícím se provozním napětím sítí se zvětšovalo i nebezpečí ohrožení obsluhy a okolí. Proto byly vyvinuty ochrany, které toto nebezpečí mají redukovat. Jsou to ochrany jednak před nebezpečným dotykem živých částí a jednak před nebezpečným dotykem neživých částí.
Tento příspěvek je zaměřen na nejvíce používanou síť TN a její modifikace. Je zde poukázáno na některé výhody a nevýhody těchto sítí i na úskalí vyplývající z jejich použití, která je dobré znát při realizaci pevných silových a sdělovacích instalací.

Názvosloví

Rozdělení přenosových sítí se spolu s názvem „Rozvodná soustava“ objevilo již ve staré normě ČSN 34 1010. Změna č. 9/1985 zmíněné normy stanovila názvy rozvodných soustav, které jsou dnes uvedeny v platné ČSN 33 2000-3 čl. 312. U sítě TN je možné se setkat s podrobnějším rozdělením na sítě TN-C, TN-S a TN-C-S:

• síť TN je síť, ve které je jeden bod – zpravidla nulový – bezprostředně uzemněn a neživé části chráněných zařízení jsou vodičem spojeny s tímto bodem;

• síť TN-C je síť TN, ve které vodič PEN plní současně funkci středního (pracovního) a ochranného vodiče;

• síť TN-S je síť TN, ve které jsou ochranný vodič PE a střední pracovní vodič N vedeny samostatně (odděleně);

• síť TN-C-S je síť TN, jejíž první část je provedena jako síť TN-C a druhá část od bodu rozdělení jako síť TN-S.

Pozn.: Kromě sítí TN existují ještě sítě IT a TT. Stejnosměrné sítě se rozdělují na TN, TT a IT, jejich provedení je podrobně popsáno v ČSN 33 2000-3.

Značení sítí

a) První písmeno se vztahuje k  uzlu zdroje, který může být buď izolován od země (I), nebo uzemněn (T).

b) Druhé písmeno označuje chráněné neživé části, které mohou být:

• uzemněny, tj. spojeny se zemí (T) pomocí ochranného vodiče,
• spojeny s uzlem zdroje prostřednictvím ochranného vodiče (N).

U sítí TN se používají ještě další, doplňující písmena, která blíže upřesňují provedení této sítě; jde o písmena:

• C – vodič PEN je zároveň středním i ochranným vodičem,
• S – ochranný vodič PE a střední (pracovní) vodič N jsou vedeny samostatně (odděleně) od sebe.

Střední (pracovní) vodič N (světle modrý) je vodič, který je spojen se středem (uzlem) zdroje a slouží pro vedení zpětných proudů při provozu především jednofázových spotřebičů (tímto vodičem procházejí zpětné proudy od spotřebičů do uzlu zdroje).

Ochranný vodič PE, vodič PEN (značí se vždy kombinací barev zelená/žlutá) je určen k ochraně před nebezpečným dotykovým napětím, které v případě poruchy vznikne na neživé části elektrického zařízení. Prostřednictvím ochranného vodiče se uzavře obvod poruchového proudu procházejícího ochranným prvkem, který zajistí odpojení vadné části od sítě.

Živá část je vodivá část elektrického zařízení, která je určena (vyrobena) pro to, aby při obvyklém používání byla pod napětím nebo aby vedla proud (je to např. vinutí transformátoru, přípojnice rozváděče, žíly vodičů a kabelů atd.).

Neživá část je vodivá část elektrického zařízení, které se lze dotknout a která obvykle není pod napětím, na níž se však může objevit nebezpečné dotykové napětí vlivem poruchy (je to např. kovový kryt rozváděče).

Nebezpečné dotykové napětí je napětí (nebo rozdíl potenciálů), které může způsobit úraz elektrickým proudem osobě nebo zvířeti při dotyku s neživou částí při poruše. Jeho výše závisí na druhu prostředí, v němž může k takovému dotyku dojít (ČSN 33 2000-4-41 tab. 41-NK).

Síť TN-C

Soustavu TN-C zná většina odborné veřejnosti. Není divu, vždyť jsou takto provedeny elektrické instalace snad všech panelových domů z dob minulých. Tato síť byla konstruována pro použití ochrany neživých částí „nulováním“ (podle ČSN 34 1010). Síť TN-C totiž využívá k vedení zpětných proudů – od jednofázových spotřebičů i pro správnou funkci ochrany před nebezpečným dotykovým napětím – jeden společný vodič, který se nazývá PEN. Tento vodič tedy jednak plní funkci pracovního vodiče vůči jednofázovým spotřebičům, jednak slouží pro vedení poruchových proudů při poruše (ochranná funkce). Vodič PEN (dříve nulovací vodič) je vždy spojen s uzlem zdroje.

Při přerušení vodiče PEN v případech, kdy se obvod neuzavírá přes jiný (náhodný) nulovací vodič, je porucha indikována tím, že se elektrický obvod stane nefunkčním. Nevýhodou je, že při této poruše může vzniknout nebezpečné dotykové napětí na neživých částech všech zařízení, která se nacházejí za bodem přerušení (obr. 1). Při této poruše také nevybaví zařízení zajišťující ochranu samočinným odpojením od zdroje.

V instalacích, kde existuje náhodný ochranný vodič (např. kovové stoupací potrubí), nastává situace, kdy při přerušení vodiče PEN přebírá funkci pracovního vodiče (N) tento náhodný ochranný vodič, přes nějž se uzavírá jak obvod pracovního proudu, tak v případě poruchy i obvod poruchového proudu. Při přerušení tohoto náhodného ochranného vodiče, např. při náhradě kovového stoupacího vedení za plastové, vzniká nebezpečí úrazu, protože se při zapnutí některého spotřebiče třídy I v obvodu dostane nebezpečné dotykové napětí na chráněné neživé části (v této situaci nenastane odpojení neživé části).

Přes uvedené argumenty, ale zastávám názor, že není dobré tuto situaci řešit tím, že se současně s výměnou kovového potrubí za plastové namontuje v původní trase potrubí ochranný vodič PE, na který se přepojí neživé části zařízení nacházející se v prostoru koupelen, aniž by se zjistily a opravily možné nedostatky v instalaci. Takové rekonstrukce právě nabízejí vhodnou možnost k nalezení přerušení vodiče PEN v bytové jednotce. Takovouto závadu je třeba vždy odstranit a udělat opatření, která zabrání dalšímu trvání poruchy. Dále je třeba si uvědomit skutečnost, že zasahovat do elektrického zařízení – tím je i připojené ochranné pospojování koupelen k vodovodnímu potrubí – přísluší pouze osobě s elektrotechnickou kvalifikací. Vodič ochranného pospojování smí odpojit pouze pracovník s elektrotechnickou kvalifikací. Pro odbornou způsobilost pracovníků, kteří smějí pracovat na elektrickém zařízení, platí ustanovení vyhlášky ČÚBP a ČBÚ č. 50/1978 Sb; takovou osobou jistě není instalatér, který vyměňuje stoupací vodovodní potrubí. O ochraně pospojováním při výměně kovového potrubí za plastové je podrobně psáno v článku „O problematice pospojování“, který byl uveřejněn v časopise ELEKTRO č. 2 2000. Pro úplnost je třeba dodat, že požadavek na instalaci ochranného vodiče PE spolu s výměnou stoupacího vodovodního potrubí nemá podporu v platných ČSN.

Výhody

Instalace soustavy TN-C je ekonomicky výhodnější z důvodu finančních úspor na vedení.

Při přerušení vodiče PEN se v určitých případech tato závada zjistí tím, že obvod není schopen provozu.

Nevýhody

Průchod zpětných proudů od jednofázových spotřebičů může způsobovat rušení citlivých sdělovacích zařízení.

Při přerušení vodiče PEN může vzniknout nebezpečné dotykové napětí na chráněné neživé části, aniž by takové zařízení vybavilo (bylo odpojeno) – obr. 1.

Tato soustava bez další úpravy nedovoluje použít proudové chrániče.

Při přerušení vodiče PEN v síti TN-C může vlivem přepětí dojít k poškození připojených jednofázových spotřebičů (obr. 5).

Síť TN-S

Některé nedostatky sítě TN-C řeší soustava TN-S. Jak již bylo popsáno v předcházejícím textu, tato soustava je řešena tak, že střední vodič N a ochranný vodič PE jsou od sebe navzájem odděleny. Tímto způsobem se zamezí rušivým vlivům, které vznikají např. při provozu sdělovacích zařízení. Protože byl tento problém znám již v době platnosti staré normy ČSN 34 1010, byla instalace soustavy TN-S požadována při výstavbě sdělovacích zařízení. Konstrukce sítě TN-S také umožňuje využít k ochraně neživých částí proudové chrániče, což není v síti TN-C bez úprav možné.

V síti TN-S se ale objevuje jiný problém: uživatel se nedozví o přerušení ochranného vodiče PE, čímž je vlastně vyřazena funkce ochrany neživých částí před nebezpečným dotykovým napětím (obr. 2). Přerušení vodiče PE nijak nebrání provozu zařízení, a tudíž není zjistitelné. Tuto závadu odhalí revizní technik při pravidelné revizi elektrického zařízení nebo v horším případě osoba, které elektrické zařízení způsobí úraz. Uvedený problém je zde zmíněn proto, že pravidelné revize elektrických zařízení podle ČSN 33 1500 nejsou povinné pro občany, ale pouze pro organizace, které spadají pod dozor orgánů ČÚBP a ČBÚ. Ukládat povinnosti občanům je možné pouze na základě přijatého zákona. Jelikož se v současné době přijetí takového zákona nepředpokládá, závisí pouze na občanovi, jakým způsobem zajistí bezpečnost svých provozovaných zařízení. Další problém v soustavě TN-S vzniká v okamžiku přetržení ochranného vodiče PEN před bodem rozdělení vodičů N a PE, tedy v síti TN-C-S. Před tímto případem uživatele neochrání ani použití proudového chrániče, jak je zřejmé z obr. 3a. Tato skutečnost přináší stejné nebezpečí ohrožení, které platí pro sítě TN-C. Vlivem této poruchy se může objevit nebezpečné dotykové napětí na neživých částech zařízení, která jsou chráněna proudovým chráničem, aniž by došlo k jejich vybavení (odpojení). Jisté řešení se nabízí u zařízení, která jsou umístěna mimo zónu pospojování. Vytvořením sítě TT podle obr. 3b lze při přetržení vodiče PE, PEN nebo N zabránit možnému ohrožení obsluhy.

V síti TN-C-S může za určitých podmínek také vzniknout přepětí, které zapříčiní poškození jednofázových spotřebičů. Stane se to v případě, kdy je v obvodu přerušen střední vodič N. Tuto závadu může způsobit např. revizní technik při revizi elektrického zařízení, když po měření izolačního odporu opomene připojit vodič N v rozváděči, nebo ji zaviní samovolné uvolnění vodiče N ve svorce. Jak je patrné z obr. 4, v tomto případě vznikne tzv. plovoucí pohyblivý střed (umělý nulový bod), který vyvolá přepětí u připojených jednofázových spotřebičů. Tento stav sice nemůže být příčinou ohrožení obsluhy vlivem nebezpečného dotykového napětí, ale je možné, že způsobí poškození připojeného jednofázového elektrického zařízení. Popsaná situace může nastat i v síti TN-C, kdy je reálná i možnost, že obsluha bude ohrožena (obr. 5).

Výhody

V soustavě TN-S lze použít k ochraně neživých částí samočinným odpojením od zdroje proudové chrániče.

Nevzniká rušení citlivých sdělovacích zařízení vlivem průchodu zpětných proudů od jednofázových spotřebičů.

Nevýhody

Přerušení ochranného vodiče PE, a tím i nefunkčnost ochrany před nebezpečným dotykovým napětím neživých částí u provozovaných zařízení, není bez pravidelné revize (kontroly) uvedeného zařízení zjistitelné (obr. 2).

Při přerušení vodiče PEN (před bodem rozdělení PE a N) vznikne nebezpečné dotykové napětí na neživé části chráněné proudovým chráničem, aniž by vybavilo (bylo odpojeno) takto chráněné zařízení (obr. 3a).

Při přerušení vodiče N v síti TN-C-S za bodem rozdělení může dojít k poškození připojených jednofázových spotřebičů vlivem přepětí (obr. 4).

Závěr

Velký význam při vylučování zmíněných nebezpečí v obou soustavách má důsledné pospojování, které snižuje rozdíl potenciálů u částí současně přístupných dotyku. Tím se zmenšuje riziko úrazu elektrickým proudem. O pospojování podrobněji pojednává ČSN 33 2000-4-41 čl. 413.1.2 a některé normy řady ČSN 33 2000-7.

Je zřejmé, že žádná z ochran neživých částí není dokonalá a že každá má své nedostatky. Vždy bude záležet na vhodné volbě ochrany neživých částí v závislosti na druhu použité sítě. Důležité je přihlédnout i ke konstrukci zařízení, které je v dané síti provozováno.

Závěrem jednoduché přirovnání: S podmínkami provozu elektrických zařízení je to jako s podmínkami provozu automobilů na silnicích – není rozdíl mezi trabantem a mercedesem, oba tyto automobily musí splňovat základní bezpečnostní požadavky pro provoz na komunikacích. Podobně je to i s bezpečností elektrických zařízení. Základní bezpečnostní požadavky jsou dány zákony a vyhláškami. Ty jsou závazné pro výstavbu a provozování elektrických zařízení. Použití dalších doporučení a vylepšení, např. směrem k ochraně provozovaných zařízení před poškozením, ochraně dat, informací atd., záleží již pouze na požadavcích jednotlivých provozovatelů.

Ing. Michal Kříž, IN-EL, spol. s r. o.

Pár poznámek k článku Výhody a nevýhody sítí TN-C a TN-S od pana Miloše Krále

Otázka přerušení vodiče PEN a jeho vlivu na vznik nebezpečí úrazu u připojených zařízení byla posuzována již v čísle 4/2000 časopisu ELEKTRO, a to v desáté odpovědi příspěvku Ing. M. Kříže Deset otázek a odpovědí z elektrotechnické praxe. Ve zmíněném článku se dospělo k závěru, že z důvodu vyloučení nebezpečí úrazu na zařízeních připojených za místem přerušení vodiče PEN v síti TN-C-S je téměř nutné bod rozdělení vodiče PEN na samostatný střední (N) a samostatný ochranný (PE) vodič přizemnit, nejlépe připojením k hlavnímu pospojování.

V článku pana Krále se mimo jiné názorně ukazuje, že jakýkoliv vliv na bezpečnost přerušení středního vodiče v síti nn z hlediska připojených zařízení je eliminován v síti TT. To je rozdíl oproti síti TN, ve které tomuto vlivu úplně zabránit nelze. Je to proto, že v síti TT samočinné odpojení nezávisí na spojení neživé části s uzlem zdroje prostřednictvím vodiče N této sítě, zatímco v síti TN k zajištění samočinného odpojení slouží propojení s uzlem zdroje vodičem PEN.

Výhodnost provedení ochrany přizemněním neživé části za chráničem, jak je uvedeno v článku pana Krále, je i odůvodněním článku 413.1.3.9 ČSN 33 2000-4-41. V něm se předepisuje, že při použití proudového chrániče pro samočinné odpojení v obvodu mimo zónu vlivu hlavního pospojování sítě TN, ze které je tento obvod napájen, nesmí být neživé části připojeny k síti TN, ale ochranné vodiče musejí být spojeny se zemničem, jehož odpor je přiměřený vybavovacímu proudu chrániče. Přitom se takto chráněný obvod považuje za síť TT.

Nicméně, tento článek je v současné době v mezinárodní normě IEC 60364-4-41, která byla základem zpracování ČSN 33 2000-4-41: 1996, již zrušen. Jeho zrušení se projednává také v evropské normě HD 384-4-41. Není to z toho důvodu, že by se popíraly uvedené poznatky. Je to proto, že není možné jednoznačně určit zónu vlivu hlavního pospojování, že v některých budovách o takové zóně vlivu nelze hovořit (dřevěné chaty nebo staré zděné objekty, v nichž jsou veškerá potrubí z plastů apod.) a že v okamžiku poruchy v síti TT, než je porucha odpojena, dosahuje napětí na neživých částech téměř hodnoty fázového napětí (v sítích TN 230/400 V to je jen ve výjimečných případech více než 50 V). Podkladem k uvedenému rozhodnutí byla také sledovaná četnost nebezpečných případů, které se při uvedeném způsobu provedení ochrany vyskytly.

V souvislosti s prováděním pospojování vydala IEC (Mezinárodní elektrotechnická komise) dokonce pokyn, aby se v normách již přestal používat termín „zóna vlivu pospojování“. Je to proto, že je obtížné tento termín jednoznačně definovat, a především, je ještě těžší, aby elektrotechnici zřizující elektrické instalace tuto zónu nějak vymezovali. Pospojování – hlavní nebo doplňující – se však samozřejmě bude nadále provádět, nadále je předepsáno – nebudou se však určovat zóny jeho vlivu.

Zrušení zmíněného článku v naší normě (jakmile k němu dojde v HD 384-4-41, bude změněna i v současné době platná ČSN 33 2000-4-41:2000) by však neznamenalo, že by se uvedenému opatření (přímému uzemnění neživé části za chráničem) bránilo. Naopak, v ČSN 33 2000-5-53 v čl. 532.2.3 pro použití proudových chráničů v síti TN nadále platí, že pokud není pro určitá zařízení nebo části instalace možné splnit některé podmínky samočinného odpojení, mohou být tyto části nebo zařízení chráněny proudovým chráničem a že přitom nemusí být neživé části spojeny s ochranným vodičem sítě TN, jestliže jsou spojeny se zemničem o vyhovujícím zemním odporu.

Uvedené opatření (přímé uzemnění za chráničem a nespojování neživé části s ochranným vodičem sítě TN) by tedy nebylo předepsáno jako povinnost, zůstalo by však nadále jako možnost. Nakonec tedy záleží na projektantovi a montážní organizaci, pro jaké řešení se na základě místních podmínek, tj. nebezpečí úrazu v daném prostoru, rozhodnou.