Det svenska elsystemet: Systemjordning och skyddsjordning

I lågspänningsnätet den sista biten fram till abonnenten kommer systemjordning (eller jordningssystem) in i bilden, och begrepp som IT, TT, TN, TN-C och TN-S. Jordning är också ett viktigt begrepp här. 

I Sverige används TN-system som ser ut så här:

Varför man gör så här i Sverige återkommer vi till. Vad det närmast kommer att handla om är hur det fungerar och konsekvenserna av det system som används.

Begreppet TN innebär:

T

Att strömkällans neutralpunkt är jordad via ett jordtag, det vill säga en direkt lågohmig förbindelse mellan neutralpunkten och jord. Detta ser man nere till vänster i bilden. 

Strömkällan är normalt den transformator som matar bostadsområdet men kan ju också vara en generator för reservkraft. 

Detta jordtag har en skyddsfunktion, men är bara delvis inblandad i skyddsjordning av elapparater. Det har ingen betydelse för funktionen att distribuera 230/400 V till hushållen. 

N

Att utsatta delar installationen är direkt förbunden med strömkällans neutralpunkt (och därmed då även jord). Detta är den ledning som är märkt PEN i bilden ovan. En utsatt del är enkelt förklarat höljet på elapparater som är avsedda att skyddsjordas och därför anslutna till en skyddsledare.

Denna förbindelse nyttjar man till skyddsjord i bostaden (anläggningen till höger i bild). Det är lämpligt då den dels har kontakt med jord och en direkt och lågohmig förbindelse med strömkällan. Man kan då skyddsjorda ledande delar i anläggningen i syfte att ge dessa delar samma potential som den jord vi står på i händelse av ett fel.

Förbindelsen har även en funktionell betydelse då den används för att distribuera en neutralpunkt till anläggningen, en nolla som gör att man kan ta ut spänningen 230 V. Man kan dock diskutera ifall detta verkligen ingår i begreppet TN. Man måste heller inte distribuera en nolla.

Mycket av systemjordningen cirklar alltså runt ”nollan” - vad det är och hur den är hanterad. Ordet ”nolla” har använts lite slarvigt hittills då det ligger mycket gammal historia i detta som ett samlat begrepp för skyddsjord och neutralpunkt. Men nu är det dags att bringa lite ordning och sortera ut dess beståndsdelar och egenskaper:

Den skapas i en transformator, så den är alltså på sätt och vis fiktiv. Sett ur transformatorns synvinkel så är det en pol som vilken annan pol som helst. Man kan alltså lika gärna kalla den för en fas.
Den är jordad via ett jordtag utanför transformatorkoisken. 

• Det är detta jordtag som gör att man kan ”ta i nollan”, den får i och med jordtaget samma potential som den jord vi står på. 
• Huruvida man kan säga att det är jordtaget som gör att man kan kalla den för en neutralpunkt kan diskuteras, men en ”nolla” har historiskt varit jordad så den blir en nolla först när den jordas.

Den används som neutralledare vilken för normal belastningsström. Man måste inte använda neutralledaren för förbrukare, men i ett trefassystem ger den valet mellan två spänningar så den är bra att ha.

Denna betydelse är vad ordet neutral, neutralpunkt, nollpunkt, nolla eller neutralledare kommer att ha hädanefter i artikeln. Det finns som synes många varianter på detta begrepp men de betyder alla samma sak.

Trefassystemet och dess neutralpunkt har annars ingenting med systemjordning att göra. Det är två helt olika saker. Neutralpunkten i ett trefassystem behöver inte vara jordad.

Den används som skyddsledare med två viktiga egenskaper:

• Den ger en lågohmig förbindelse med transformatorn vilket ger en hög kortslutningsström vid ett isolationsfel mot skyddsjord (där en fasledare får kontakt med höljet) vilket löser ut säkringen.
• Den ger det skyddsjordade höljet på apparater i hemmet en potential (nästan) lika med jord som förhindrar en farlig potential på dessa delar mot jord i händelse av ett fel.

En annan utmärkande egenskap i ett TN-system som inte berörts är en god och lågohmig gemensam referens mot jord. Alla punkter i nätet har samma goda referens via skyddsledaren vilket är en fördel med tanke på skydd och även störningsfri drift. Eftersom strömkällan är jordad så är det bra om man har samma fina jordreferens ute i anläggningarna. Utan denna goda referens kan spänningarna flyta lite mot jord, man kan få problem med kapacitanser mot jord som löser ut JFBer och andra olustiga symptom såsom kan inträffa i TT-nät.

För att säkerställa att man har en god kontakt med jord så jordas skyddsledaren med regelbundna intervall utefter en ledning på landsbygden. För luftledningar kan man se en vajer som löper ned längs vissa stolpar, kanske var tredje. Det säkerställer att skyddsledaren har samma potential som den jord man står på.

Nackdelen med TN-system är en extra ”noll- och jordledare” som egentligen inte behövs för funktionen. Nu använder vi i och för sig denna ledare i bostäder för att kunna ta ut två olika spänningar, men industrier är kanske inte så intresserad. Där kan man istället välja TT- eller IT-system. 

Det finns alltså två skäl till att distribuera strömkällans neutralpunkt ut till anläggningarna, skydd (skyddsledare) och funktion (neutralledare). Eftersom dessa två funktioner använder sig av en ledare kopplad direkt till strömkällans neutralpunkt och tillika jordpunkt så är det ju naturligt att använda en och samma samma ledare. Man sparar koppar på det! 

Detta system med en gemensam skydds- och neutralledare kallas för TN-C och ledaren kallas PEN-ledare. Som namnet antyder har denna ledare en dubbel funktion. PEN kallades tidigare nolla, eller huvudnolla, men ska inte förväxlas med neutralledaren.

Hur ”fungerar” en PEN-ledare?

PEN-ledaren kommer alltså att föra en belastningsström (eftersom den innehåller funktionen som neutralledare) samtidigt som den är en skyddsledare. Kan det verkligen fungera? Nej, inte till 100% men oftast tillräckligt. 

Man vill ju att skyddsledaren och alla ledande delar som den är ansluten till skall ha samma potential som den jord vi står på. Men belastningsströmmen ger upphov till ett spänningsfall i PEN-ledaren som kan orsaka små potentialskillnader på några volt till exempel mellan skyddsjord och golvbrunnen i badrummet. I elsanerade bostäder används därför inte TN-C-system. Även om spänningsfallet inte blir farligt högt så kan det leda till ”störningar”.

Vagabonderande strömmar är ett annat begrepp som förekommer i detta sammanhang. Det är strömmar som tar ”fel” väg. Eftersom PEN-ledaren har kontakt med jord på flera ställen, till exempel via vattenledningsrör, så kan det uppstå flera vägar för strömmen att gå. Den största delen av strömmen går naturligtvis i PEN-ledaren men en liten del kan gå via vattenledningsrör och jorden. Denna lilla obalans kan orsaka magnetiska fält, ett extra symptom vid sidan om spänningsfallet.

Det finns även ett mycket allvarligt felfall som beskrivs lite längre ned, efter kapitlet om skyddsjordning.

Det gäller alltså att PEN-ledaren har en god och lågohmig förbindelse med strömkällan och dess jordtag.

Så naturligtvis kan man inte göra rena besparingar med en gemensam PEN-ledare utan den för med sig kostnader av olika slag.

TN-S-system

På grund av de problem som nämns ovan vill man dela upp PEN i dess två beståndsdelar, N och PE. Ett sådant system kallas TN-S. Denna uppdelning måste enligt reglerna göras senast i elcentralen som fördelar enfasgrupper för allmänbruk, vilket också är det vanligaste fallet. Se bilden ovan på systemjordningen. Men uppdelningen får göras tidigare, i mätarskåpet eller ännu tidigare, redan vid transformatorkoisken.

Har man väl gått över till TN-S så kan man aldrig gå tillbaka till TN-C efter denna punkt.

Med separata ledare för belastningsström och skyddsfunktion så har man inga av de problem som finns med en PEN-ledare, så TN-S är ju bättre på alla punkter, utom den ekonomiska – det krävs ju en femte ledare.

På tal om fem ledare, man pratar ofta om fyrledare och femledare i dessa sammanhang när man menar TN-C respektive TN-S. Det stämmer ju för ett trefassystem, men det är inte helt korrekt. 

Det finns ingenting som hindrar att ett enfassystem är utfört som TN-C. Där blir det bara två ledare, en fasledare och en PEN-ledare! Detta förekommer än i dag som huvudledning till gamla lägenheter. Men man får som sagt inte göra så i gruppledningar.

Skyddsjordning är en mycket viktig grundprincip som genomsyrar reglerna för elinstallationer. 

Om detta finns mycket att säga men vi kommer inte att gå in på begrepp som skyddsåtgärder och skyddsbarriärer här, eller hur olika tillämpningar som dubbel isolering skiljer sig mot skyddsjordning. Vi nöjer oss här med att konstatera att det finns en typ av apparater som är avsedda att skyddsjordas.

Däremot ska vi titta lite på betydelsen av själva jordningens del av detta, det vill säga skyddsjordningens koppling till systemjordningen och hur skyddsjordningen fungerar i samklang med detta.

Syftet med skyddsjordning är som för alla skyddsåtgärder att förhindra elchock (fast i verkligheten handlar det om att mildra elchocken). Den situation där skyddsjordningen ”träder i kraft” är ett isolationsfel i en apparat (förbrukare i bilden nedan). De apparater som är avsedda att skyddsjordas har ett berörbart hölje i metall. Detta hölje är anslutet till skyddsjord. Vid ett internt fel i apparaten där en fas kommer i kontakt med höljet så kommer skyddsjordningen att ”leda bort” denna spänning, närmare bestämt kortsluta spänningen så att ”proppen går”. 

Istället för att höljet på apparaten blir strömförande så leds strömmen tillbaka till spänningskällan via skyddsledaren och PEN-ledaren såsom visas med den streckade linjen i bilden nedan. Då det i praktiken innebär en kortslutning så blir strömmen hög och säkringen löser ut. Det är skyddsjordningens funktion.

Notera att jordtaget vid transformatorn inte har någon funktion här.

Gör skyddsjordningen ett isolationsfel ofarligt?

Bilden ovan antyder att kortslutning i en apparat är helt ofarlig och kanske till och med omärklig för en människa. Men så är det inte. Det uppstår en direkt fara för den person som 

1. håller i apparatens hölje och
2. samtidigt har kontakt med jord
3. när detta fel inträffar och under den korta tid det tar för säkringen att lösa.

Det är alltså tre villkor som ska vara uppfyllda, men kanske inte så osannolikt om det råkar vara en handhållen maskin som används utomhus. (Det finns alltså en anledning till att de flesta handverktyg är dubbelisolerade.)

Det är mycket smärtsamt att råka ut för detta och man överlever endast om säkringen löser ut tillräckligt snabbt. 

Varför blir det farligt då? Om vi antar att fasledaren är lika lång och har samma resistans som skyddsledaren så blir det ju en jämn spänningsdelning mellan dessa två ledare, så personen på bild som tar ”i mitten” på denna krets kommer att känna teoretiskt upp till halva fasspänningen, det vill säga 115 V mot jord (i verkligheten blir dock spänningen lägre). Det är en dödlig spänning så därför finns krav på att säkringen ska lösa ut inom en viss tid, 0.4 sekunder i detta fall. Detta överlever de allra flesta, åtminstone de hårdhudade. Minst 95 % räknar man med.

Att denna situation är farlig beror på jordtaget. Det gör att det blir en farlig potential mot jord.

Man förstår nu faran med att säkra upp eller använda för långa ledningar utan att ha kontroll på villkoren. Längre ledningar ger högre total resistans vilket ger lägre kortslutningsström. Kortslutningsströmmen måste bli tillräckligt hög för att säkringen ska lösa ut tillräckligt snabbt. Det är ganska komplicerade beräkningar för att kontrollera villkoren i detalj, men man kommer långt med tumregler som ger god marginal. Bara genom att använda en 40 meters skarvsladd så kanske dessa villkor är satta ur spel. Det är inte bra. 

En sak man kanske inte inser är att hela kretsen till transformatorn, kanske en kilometer bort, ska med i beräkningen, så därför kan en 10 A säkring och 40 meter ledning fungera i en bostad men inte en annan. 

Felaktig dimensionering är dessutom ett tyst fel då det ”fungerar” utmärkt med en för hög säkring eller för lång ledning. Problemet ser man först när det sker ett isolationsfel, och det kanske man då inte överlever för att berätta för någon.

Ja, ja, ja, en JFB är bra, mera JFBer åt folket! Eftersom det går en ström utanför JFBn, i detta fall via skyddsledaren (men kan också vara genom personen på bild) så kommer obalansen att lösa ut JFBn.

En JFB gör jobbet mycket bättre än säkringen. Säkringen ska ju hålla för normal belastningsström på 10 – 15 A utan att lösa ut och är beroende av en hög kortslutningsström på uppemot 100 A för att lösa ut så snabbt som krävs vid en kortslutning. En JFB fungerar annorlunda. Den mäter den ström som inte går tillbaka genom JFBn och kan därför reagera på en betydligt lägre felström,
30 mA är den gräns som reglerna stipulerar för att ge personskydd. 

Nu kan man plötsligt ha väldigt långa kablar och höga säkringar. Man behöver inte tänka på långa skarvsladdar eftersom kortslutningsströmmen mot jord bara behöver bli 20 – 30 mA. (Men det finns andra skäl till att inte överdriva detta.)

Värt att notera är att JFBn i detta fall löser för att det går ström i skyddsledaren, inte för att det går ström genom kroppen på en person. Det ger en förhållandevis hög felström som gör att JFBn löser så snabbt den bara kan, kravet är inom 40 ms. Det är ju bättre än de 400 ms som säkringen har som krav.

Vad händer vid avbrott på skyddsjorden?

Detta är ett tyst och lömskt fel som upptäcks först när det sker en olycka, inte när det sker ett isolationsfel. Det kan här bli ett isolationsfel i apparaten utan att det märks. Eftersom skyddsjorden är bruten så går ingen felström där och varken JFB eller säkring kommer att lösa. 

Nu blir det plötsligt mycket farligt då apparatens hölje blir spänningsförande. Med detta menas att höljet får en farlig potential mot jord, den jord vi står på, vilket är en konsekvens av systemjordningen där en pol från transformatorn är jordad via ett jordtag. 

Apparaten får även en farlig potential mot andra delar som är skyddsjordade. Så om tvättmaskinen har en trasig skyddsjord medan torktumlaren bredvid har en fungerande skyddsjord så blir det en farlig spänningen mellan höljet på dessa två vid ett fel i tvättmaskinen.

Det är ett fel som alltså kan finnas länge, det vill säga apparatens hölje kan vara spänningsförande i flera år utan att det upptäcks, tills den dag en person råkar ta i apparaten samtidigt som han/hon har kontakt med jord. Det blir då en ström genom kroppen som är dödlig, och långt ifrån så hög att säkringen löser ut.

Återigen kommer JFBn till vår räddning då den skyddar även mot detta felfall (säkringen gör det alltså inte). På samma sätt som i föregående fall med intakt skyddsjord så blir det en obalans mellan de strömmar som går igenom JFBn – en liten del av strömmen går ju genom personen via jord tillbaka till transformatorn. Den ström som får JFBn att lösa ut, 20 – 30 mA är så låg att den ger ett bra personskydd.

Så egentligen borde personen på bilden högst upp vara glad. Men detta fall är dock betydligt mer smärtsamt än det förra. Eftersom skyddsjorden är bruten så är det personen som får ”ta hela smällen”, all felström går igenom personen. Det handlar dessutom om 230 V, inte 115 V, detta eftersom resistansen i en människa ligger på ca 1 kΩ vilket är långt högre än resistansen i fasledaren och jorden.

Sedan tar det längre tid för JFBn att lösa eftersom felströmmen är lägre. Om den ligger runt 30 mA så får det ta upp till 300 ms för JFBn att lösa ut. Det är smärtsamma millisekunder och det är inte säkert att man överlever. I verkligheten är dock alla JFBer betydligt snabbare än kravet på 300 ms, de ligger kanske på 20 ms även vid dessa måttliga felströmmar.

Det bör kanske också nämnas att en JFB inte begränsar strömmens storlek genom kroppen. Den skulle gladeligen skicka 2 A genom personen om resistansen skulle vara så låg. Det är sant att JFBn löser om felströmmen överstiger 30 mA, men det tar ju som sagt några millisekunder.

Vi går vidare med olika felfall och ska här titta på vad som händer om PEN-ledaren går av. Det är ju snarlikt felet där skyddsledaren går av, men detta sker tidigare och lämnar efter sig en skyddsledare och neutralledare i anläggningen som fortfarande är förbundna med varandra som bilden nedan visar.

Normalt brukar det inte hända något farligt om en ledare går av. Det gäller dock inte PEN-ledaren. Brott på denna leder till en direkt livsfarligt situation. 

Det som händer är att strömmen går igenom förbrukaren, tillbaka i N-ledaren till den punkt där N och PE kopplas samman till PEN. Men PEN är borta och kan inte leda tillbaka strömmen till transformatorn. Strömmen går istället vidare i PE-ledaren tillbaka till höljet på apparaten som personen håller i. Eftersom felet gör att höljet blir spänningsförande så får personen en strömgenomgång om han/hon samtidigt har kontakt med jord. Det kommer att gå en ström genom PE, genom den person som tar i höljet och ned i jorden tillbaka till transformatorn.

Om detta fel finns ett par saker att uppmärksamma:

• Eftersom PE är ansluten till alla skyddsjordade förbrukare så kommer höljet på dessa att bli spänningssatta, det vill säga allting i huset som är skyddsjordat får en farlig spänning mot jord.
• Det har inte inträffat något fel i apparaten här, utan det är normal belastningsström som orsakar denna fara. Genom att till exempel tända belysningen i hallen så kommer alltså spis, tvättmaskin och alla andra skyddsjordade apparater att bli spänningsförande!
• En JFB ger inget skydd eftersom det inte blir någon obalans i fasledarens och N-ledarens ström. JFBn ser en normal belastningsström i perfekt balans.

Ett mycket otrevligt fel alltså som är svårt att skydda sig emot. Det ska i så fall vara ett eget jordtag och skyddsutjämning. En lärdom är att man leker inte med PEN-ledare. Kravet på dess minsta area på 10 mm2 har sitt berättigande.

Förutom personfaran så finns här även en ”apparatfara” i det att de får upp emot 400 V över sig. Det är en annan historia.