52

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

P

odczas użytkowania energii
elektrycznej w życiu codzien-

nym nie zastanawiamy się nad bu-
dową i zasadami funkcjonowania
instalacji elektrycznej oraz zasilają-
cej ją sieci rozdzielczej. Statystycz-
ny użytkownik, zapytany o bezpie-
czeństwo porażeniowe, bez waha-
nia wymieni urządzenia zabezpie-
czające w postaci bezpieczników,
ewentualnie wyłączników różnico-
woprądowych w jego instalacji. Nie
należy jednak zapominać o tym, że
skuteczność ochrony uwarunkowa-

na jest wieloma innymi czynnika-
mi, a przede wszystkim typem ukła-
du sieciowego. O ile rażenie napię-
ciem międzyprzewodowym przy do-
tyku bezpośrednim jest jednakowo
groźne, niezależnie od typu układu
(lecz może do niego dojść w zasa-
dzie tylko w wyniku zaniedbania za-
sad eksploatacji), o tyle rażenie przy
dotyku pośrednim może wywoły-
wać różne skutki w poszczególnych
układach sieciowych.

W zależności od sposobu budowy

rozróżnia się trzy typy elektroener-

getycznych układów niskiego napię-
cia: TN, TT i IT. Różne są zasady ich
funkcjonowania, niezawodność dzia-
łania i możliwe stany zagrożeniowe,
co warunkuje potencjalne obszary ich
stosowania.

Zasadniczą cechą różniącą układ

IT od dwóch pozostałych, jest izo-
lowany od ziemi punkt neutralny
sieci. Do zalet układów tego typu
należy m.in.:

niezawodność zasilania,

wysoki poziom bezpieczeństwa
porażeniowego i pożarowego.
Układ IT znajduje zastosowanie

w specyficznych gałęziach przemysłu
(w górnictwie, petrochemii i chemii),
w komunikacji, informatyce, instala-
cjach sterowniczych, w instalacjach
o zagrożeniu pożarowym lub wybu-
chowym oraz tam, gdzie jest istotna
niezawodność zasilania, czyli m.in.
w niektórych pomieszczeniach szpi-
talnych (w salach operacyjnych, na
oddziałach intensywnej opieki me-
dycznej).

Niemal wszystkie polskie sieci

rozdzielcze prądu przemiennego
niskiego napięcia to sieci o ukła-
dzie typu TN. W takim też układzie
buduje się instalacje odbiorców in-
dywidualnych i drobnych odbior-
ców przemysłowych. W krajach eu-
ropejskich układ TN również góru-
je nad układem TT. Podejmowane
swego czasu próby wdrożenia w Pol-
sce układu TT okazały się nieuda-
ne, ale do dnia dzisiejszego spotyka

się instalacje o takim układzie. Po-
niżej porównano najważniejsze wła-
ściwości tych układów i uwarunko-
wany nimi poziom zagrożenia po-
rażeniowego.

porównanie układów

TN i TT

Szukając cech wspólnych ukła-

dów typu TN i TT, można znaleźć
w zasadzie tylko jedną, a mianowi-
cie bezpośrednie uziemienie robo-
cze punktu neutralnego transfor-
matora. Pozostałe własności są od-
mienne i różny jest też sposób wy-
konania (rys. 1, 2) oraz idea funk-
cjonowania obu systemów. Przydat-
ność układów TN i TT jest więc nie-
jednakowa i zdeterminowana istot-
nymi, różniącymi je cechami. Jako
najważniejsze można wymienić:

charakter pętli zwarcia jednofazo-
wego i uwarunkowaną nim war-
tość prądu zwarcia,

wartość napięć uszkodzenia i na-
pięć dotykowych podczas zwarć
jednofazowych,

skutki przerwania ciągłości prze-
wodu neutralnego N (lub ochron-
no-neutralnego PEN),

warunki stosowania i poprawne-
go działania wyłączników różni-
cowoprądowych,

przenoszenie niebezpiecznych
potencjałów z sieci zasilającej
wyższego napięcia,

możliwość współistnienia ukła-

wybrane aspekty ochrony

przeciwporażeniowej

w niskonapięciowych układach

sieciowych

mgr inż. Janusz Konieczny, dr hab. inż. Zbigniew Wróblewski – Politechnika Wrocławska

W artykule przedstawiono cechy charakterystyczne układów sieciowych typu TN i TT oraz
ocenę ich przydatności i możliwości zastosowań. Szczególną uwagę zwrócono na warunki
poprawnej pracy urządzeń z nich zasilanych oraz skuteczność realizacji ochrony przeciw-
porażeniowej i stopień zagrożenia porażeniowego w przypadku jej niespełnienia.

n r 5 / 2 0 0 4

Rys. 1 Sieci i instalacje niskiego napięcia o układzie TN (TN-C, TN-S i TN-C-S)

Rys. 2 Sieć i instalacje niskiego napięcia o układzie TT

o c h r o n a p r z e c i w p o r a ż e n i o w a

53

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

dów TN i TT w obrębie jednej sie-
ci rozdzielczej.

charakter obwodu

zwarciowego warunkujący

wartość prądu zwarcia

W układzie typu TN dla prądu

zwarcia jednofazowego drogę sta-
nowią przewody: fazowy i ochronny
(ochronno-neutralny), które są zbocz-
nikowane dodatkowo oporami syste-
mu uziemień przewodu ochronnego
(rys. 3a). Pętla zwarcia jest zatem
w całości metaliczna, co pozwala na
przepływ prądu zwarcia o stosunko-
wo dużej wartości. W układzie TT ob-
wód zwarciowy zamyka się wyłącznie
przez uziemienie ochronne uszkodzo-
nego urządzenia, ziemię i uziemienie
punktu neutralnego transformatora
(rys. 3b). Impedancja pętli zwar-
cia jest więc znacznie większa niż
w układzie TN, a wartość prądu zwar-
cia jest mniejsza.

Powyższy fakt warunkuje skutecz-

ność działania zabezpieczeń powodu-
jących samoczynne wyłączenie zasi-
lania: w układzie TN wystarczają za-
bezpieczenia nadprądowe (bezpiecz-
niki topikowe, wyłączniki samoczyn-
ne), natomiast w układzie TT są one
niewystarczające i należy dodatko-
wo używać urządzeń różnicowoprą-

dowych, które w praktyce jako jedy-
ne pozwalają na skuteczną realizację
ochrony przez samoczynne wyłącze-
nie zasilania w takich warunkach.

Przy stosowaniu wyłączników

różnicowoprądowych, jako jedynego
urządzenia wyłączającego w ochro-
nie przy dotyku pośrednim, wy-
stępuje pewne niebezpieczeństwo

porażenia związane z ich zawod-
nością. Przeprowadzone w Niem-
czech, Austrii i we Włoszech bada-
nia ponad 300 000 instalacji zabez-
pieczonych wyłącznikami różnico-
woprądowymi, wykazały, że nie-
skuteczność ochrony, powodowa-
na niewłaściwym działaniem wy-
łączników, zwiększa się w okresie

Rys. 3 Impedancja pętli zwarcia przy uszkodzeniu w instalacji odbiorczej, w sieci o układzie TN (a) i TT (b) [4]; 1: urządzenie zabezpie-

czające; 2, 3: część czynna oraz część dostępna do dotyku uszkodzonego urządzenia, R

B1

: wypadkowa rezystancja uziemień

punktu neutralnego transformatora, R

B2

: wypadkowa rezystancja uziemień ochronno-roboczych w miejscu zwarcia (TN), R

A

: re-

zystancja uziemienia ochronnego instalacji odbiorczej (TT); R

L

, R

PEN

; rezystancja przewodu fazowego i przewodu ochronno-neu-

tralnego na odcinku transformator-miejsce zwarcia, R

PE

: rezystancja przewodu ochronnego uszkodzonego urządzenia

n r 5 / 2 0 0 4

54

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

10 lat około dwukrotnie w porów-
naniu z instalacjami nowymi, i wy-
nosi około 5% [2]. Odnosząc to do
instalacji zasilanych z układu TT,
można oszacować liczbę instalacji,
w których występuje potencjalne za-
grożenie porażenia niemal pełnym
napięciem fazowym. Wartości licz-
bowe, mające tendencję wzrostową,
przedstawiono w tabeli 1.

Oczywiście wyłączniki różnico-

woprądowe można stosować jako
urządzenia wyłączające w ochronie
przez samoczynne wyłączenie zasi-
lania przy dotyku pośrednim także
w układach typu TN. Jedynym wa-
runkiem jest rozdzielenie funkcji
przewodu neutralnego i ochronne-
go (jak w podukładzie TN-S). Sku-
teczność ochrony przeciwporażenio-
wej jest jednak wówczas inna niż
w układzie TT, ponieważ w ukła-
dzie TN-S, w przypadku niezadzia-
łania wyłącznika różnicowoprądo-
wego, obwód zwarciowy może zo-
stać przerwany przez zabezpiecze-
nie nadprądowe pobudzone dużym
prądem zwarcia. Ochrona dodatko-
wa realizowana przez zabezpiecze-
nia ochronne różnicowoprądowe
jest więc rezerwowana przez za-
bezpieczenia przetężeniowe.

propagacja zagrożenia

porażeniowego podczas

zwarć jednofazowych

Podczas zwarć jednofazowych, na

przewodzie PEN sieci typu TN utrzy-
muje się potencjał, którego wartość
zmienia się między miejscem zwar-
cia a punktem neutralnym sieci i jest
w przybliżeniu stała na odcinku ob-

wodu za miejscem zwarcia. Wartość
tego potencjału zmierzona w sto-
sunku do ziemi odniesienia okre-
ślana jest jako napięcie uszkodze-
nia U

F

, a zależy w znacznym stop-

niu od konfiguracji (rozmieszcze-
nia i wartości rezystancji) uzie-
mień ochronno-roboczych przewo-
du ochronno-neutralnego PEN. Na
rysunku 4 przedstawiono schema-
tycznie rozkład napięć uszkodze-
nia w obrębie sieci rozdzielczej,
w zależności od wypadkowych re-
zystancji uziemień ochronno-robo-
czych w stacji transformatorowej
i w miejscu zwarcia. Jak dowodzą
badania i analizy [2, 5], w układach
o jednakowym przekroju przewo-
dów fazowych i przewodu PEN,
przy optymalnej konfiguracji uzie-
mień, wartości napięć uszkodzenia
U

F

nie przekraczają 30 % wartości

napięcia fazowego, a przy nie naj-
lepszym rozmieszczeniu uziemień -
50 %. W przypadku układów o zredu-
kowanym przekroju przewodu PEN,
napięcie uszkodzenia może osiągać
niemal 70% wartości napięcia fazo-
wego [5]. Przy odpowiednio dobra-
nych (działających w dostatecznie
krótkim czasie) zabezpieczeniach,
wywołane tym napięcia dotykowe
U

T

nie spowodują stanu zagroże-

nia porażeniowego. Jednak zagroże-
nie porażeniowe może pojawić się
w innych rejonach sieci o zaostrzo-
nych kryteriach ochrony przeciwpo-
rażeniowej - za sprawą napięć wynie-
sionych przewodem PEN.

W układzie TT, przy zachowaniu

niezależności uziemień ochronnych,
napięcie uszkodzenia występuje tyl-
ko w miejscu zwarcia (rys. 5). Jed-

Rys. 4 Rozkład napięcia uszkodzenia U

F

wywołanego zwarciem jednofazowym w ukła-

dzie typu TN: a) schemat sieci; b) R

B2

= ¥; c) R

B2

R

B1

; d) R

B2

» R

B1

;

e) R

B2

R

B1

; U

0

- napięcie fazowe, R

B1

, R

B2

- wypadkowe rezystancje uziemień

w punkcie neutralnym i miejscu zwarcia

Rys. 5 Rozkład napięcia uszkodzenia U

F

, wywołanego uszkodzeniem w układzie typu TT:

a) schemat sieci; b) rozkład napięcia

Rys. 6 Potencjał przerwanego przewodu PEN podczas zwarcia jednofazowego za miej-

scem przerwy: a) brak uziemień przewodu PEN za miejscem uszkodzenia, b) uzie-

mienia przed i za miejscem uszkodzenia

o c h r o n a p r z e c i w p o r a ż e n i o w a

n r 5 / 2 0 0 4

Kraj

Liczba

mieszkańców

mln

Liczba instalacji

o układzie TT

Instalacje

potencjalnie

zagrożone

%

mln szt.

szt.

Austria

8

50

2

100 000

Niemcy

80

30

12

600 000

Francja

60

~ 100

30

1 500 000

Włochy

60

~ 100

30

1 500 000

Tab. 1 Szacunkowa liczba instalacji zasilanych z sieci o układzie TT stwarzających zagroże-

nie porażeniowe w wyniku niesprawności wyłączników różnicowoprądowych [2]

55

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

nak z powodu dużych wartości re-
zystancji uziemień ochronnych lub
przerw w przewodach ochronnych
(spowodowanych np. wykorzysta-
niem jako przewodów PE przewo-
dzących rur wodociągowych, w póź-
niejszym czasie usuniętych lub za-
stąpionych nieprzewodzącymi) jest
to zwykle niemal pełne napięcie fa-
zowe, a zatem jest co najmniej dwu-
krotnie większe niż w układzie TN
i może stanowić potencjalne zagro-
żenie porażeniowe dla użytkowni-
ków w miejscu zwarcia. Potencjał
przewodu neutralnego nieznacz-
nie wzrasta.

skutki przerwania

ciągłości przewodu

neutralnego

Przerwanie ciągłości przewodu

neutralnego N (lub PEN) w instalacji
elektrycznej jest stanem awaryjnym
i tak jak każda awaria, powoduje pew-
ne niebezpieczeństwa. Jak wielkie jest
zagrożenie i czy jest ono jednakowe
w systemach TT i TN?

Układ TN w obrębie sieci elek-

troenergetycznej wspólnej ma za-
zwyczaj formę podukładu TN-C,
w którym przewód ochronno-
neutralny PEN jest wielokrot-
nie uziemiony: przy stacji zasi-
lającej, na trasie i na końcach li-
nii oraz w miarę możliwości
w złączach instalacji odbiorczych.
Dzięki temu przerwa w jego ciągło-
ści nie zagraża wystąpieniem znacz-
nej asymetrii napięć fazowych.
Wielokrotne uziemianie przewo-
du PEN jest również korzystne ze
względu na ochronę odgromową
i przepięciową. Występuje małe
prawdopodobieństwo uszkodzenia
izolacji lub urządzeń w instalacjach
odbiorczych.

Inaczej ta kwestia przedstawia się

w układzie TT: przewód neutralny N
jest uziemiony tylko przy stacji zasi-
lającej i jego przerwanie w dowolnej
części sieci jest równoznaczne z bra-
kiem zasilania lub znaczną asymetrią
napięć w jej dalszej części.

Niebezpieczną sytuacją jest przy-

padek, gdy zostanie przerwana cią-

głość przewodu PEN w układzie
typu TN z jednoczesnym zwarciem
jednofazowym (rys. 6). W takiej sy-
tuacji uwidacznia się rola wielokrot-
nych uziemień przewodu PEN. Przy
znacznej ich liczbie bardziej prawdo-
podobna jest sytuacja jak na rysun-
ku 6b, powodująca mniejsze zagro-
żenie porażeniowe.

wnioski

Układ TN-C w przeciętnie spoty-

kanych warunkach eksploatacyj-
nych (instalacje mieszkaniowe, rol-
nicze) wykazuje dużą elastyczność
i pozwala na skuteczną realizację
ochrony przeciwporażeniowej.

W niektórych, często spotykanych

warunkach środowiskowych, reali-
zacja układu TT bywa trudna, a nie-
kiedy niemożliwa. Sytuacja taka
występuje np. na terenach zurba-
nizowanych lub przemysłowych,
gdzie globalny system uziemień
nie pozwala na wykonanie uzie-
mienia roboczego stacji transfor-
matorowej, niezależnego od uzie-
mień ochronnych w instalacjach
odbiorczych, co jest zasadniczą ce-
chą układu TT. Taki układ okazuje
się w rzeczywistości układem TN.

Stosowanie układu sieciowego

TT w niesprzyjających warunkach
środowiskowych może grozić bra-
kiem skuteczności ochrony prze-
ciwporażeniowej, głównie z powo-
du przypadków przerw w przewo-
dach ochronnych oraz trudności
w zapewnieniu odpowiednio ma-
łych wartości rezystancji uziemień.

Poziom bezpieczeństwa przeciw-

porażeniowego w instalacjach od-
biorczych można znacznie popra-
wić, stosując połączenia wyrównaw-
cze. Dzięki nim istnieje możliwość
zmniejszenia wartości napięć doty-
kowych względem stanowiska oraz
prawie całkowitej eliminacji napięć
dotykowych względem innych urzą-
dzeń i konstrukcji metalowych.

literatura

1. PN - IEC 60364. Instalacje elektrycz-

ne w obiektach budowlanych.

2. Biegelmeier G., Groiss J., Hirtler R.,

Messung der Potentialverteilung im
Fehlerfall bei landwirtschaftlichen
Betriebsstätten - Vergleichsmessung
TT-TN Systeme, Wien 1999.

3. Biegelmeier G., TN - oder TT – Sys-

tem, Elektrizitätswirtschaft, Jg. 99
(2000), Heft 4.

4. Biegelmeier G., Mörx A., Ganzhe-

itsbetrachtungen und Grundregeln
für den Schutz gegen elektrischen
Schlag in Niederspannungsanlagen,
XII Międzynarodowa Konferencja
Naukowo - Techniczna Bezpieczeń-
stwo Elektryczne, Wrocław 2001.

5. Konieczny J., Wróblewski Z., Zagroże-

nie porażeniowe powodowane poten-
cjałami wynoszonymi podczas zwarć
w napowietrznych liniach niskie-
go napięcia, XIV Konferencja Nauko-
wo-Techniczna Bezpieczeństwo Elek-
tryczne ELSAF 2003, Wrocław 2003.

6. Musiał E., Alternatywa „Układ TN

czy układ TT“ w niskonapięcio-
wej sieci rozdzielczej wspólnej, XI
Międzynarodowa Konferencja Na-
ukowo-Techniczna Bezpieczeństwo
Elektryczne, Wrocław 1997.

7. Round Table on Neutral Earthing in

LV Networks, Cired 2001.

n r 5 / 2 0 0 4

Konfi guracja

sieci

Typ

układu

Parametry

techniczne

U

F

, V

U

TP

, V

Korzystna

TN

R

B2

R

B1

R

PE

< R

PEN

kilkadziesiąt

kilka

TT

R

A

= 0,5 R

S

115

115

Normalna

TN

R

B2

» R

B1

R

PE

» R

PEN

» 90

» 60

TT

R

A

» 0,9 R

S

» 200

» 200

Niekorzystna

TN

R

B2

R

B1

R

PE

> R

PEN

< 115

< 100

TT

R

A

» 0,99 R

S

» 230

» 230

Tab. 2 Porównanie napięć występujących podczas zwarć w instalacjach odbiorczych w

układach TN i TT w różnych warunkach konfi guracyjnych [4]; R

S

- rezystancja pę-

tli zwarcia, (inne ozn. - jak na rys. 3)