Исследование условий электробезопасности в трехфазных сетях с заземленной нейтралью

Лабораторная работа №2

“Исследование условий электробезопасности в трехфазных сетях с заземленной нейтралью”

Цель работы:

• Исследование режимов однофазного прикосновения человека;
• Изучение принципа действия зануления;
• Ознакомление с опасностями непрямого прикосновения при использовании защитного заземления и зануления.

Общие сведения.

Согласно существующим правилам электроустановки напряжением до 1000 В жилых, общественных и промышленных зданий, а также наружные установки, должны получать питание от источника (генератора или трансформатора), как правило с глухозаземленной нейтралью. Общий вид таких сетей для анализа безопасности приведен на рис. 2.1.

Рис. 2. 1.  Электрическая схема сети для анализа безопасности с контурами возможных токов

 

Трехфазные четырехпроводные сети с заземленной нейтралью имеют большое экономическое преимущество: наряду с трехфазными приемниками напряжением 380 В (станки, насосы, вентиляторы и другое силовое оборудование) от них могут получать питание без применения трансформаторов и однофазные приемники напряжением 220 В (сети освещения, переносные потребители и т.п.). По условиям электробезопасности данная сеть является не лучшей, поскольку в ней может создаваться целый ряд опасных ситуаций.

Прямое однофазное прикосновение в такой системе очень опасно. Напряжение прикосновения определяется в основном значением фазного напряжения из-за малого сопротивления рабочего заземления нейтрали (нормируемое значение для 220 В) и практически не зависит от сопротивлений и емкостей фаз относительно земли:

.

При замыкании в такой сети какой-либо фазы на землю, например фазы C, напряжение прикосновения становится больше фазного, но может быть скорее всего ближе к фазному, чем к линейному:

.

Здесь - оператор поворота (единичный вектор); ; ; , См ( ) – соответственно, активные проводимости относительно земли рабочего заземления и замыкания. Прикосновение к корпусу электрооборудования, даже исправного, не всегда оказывается безопасным.

При выполнении защитного заземления с соблюдением требований к заземляющему устройству ( ) напряжение может быть уменьшено максимум в два раза, а если заземлить корпус на элементы (батареи отопления, водопроводные трубы или другие металлические конструкции), случайным образом связанные с землей (например, ), то напряжение прикосновения практически не будет отличаться от фазного напряжения:

.

Опасность использования защитного заземления в электроприемнике не ограничивается тем электроприемником, где оно применено. Гораздо более опасным оказывается прикосновение к правильно зануленным корпусам исправных электроприемников! При фазном напряжении 220 В на них появится напряжение (от ощутимого 9 В до опасного 110 В), которое определяется падением напряжения на рабочем заземлении :

.

Одной из мер защиты от поражения током в режиме замыкания фазы на корпус является зануление – преднамеренное электрическое соединение корпуса с нулевым проводом. При пробое изоляции на корпус приемника по петле “фаза - нуль” протекает ток короткого замыкания, который должен вызывать срабатывание максимальной токовой защиты (автоматического выключателя или предохранителя) и отключение поврежденного приемника. При использовании системы TN-C могут возникнуть и другие опасные для жизни людей ситуации, которые изучаются в данной лабораторной работе.

Рис. 2. 2 Принципиальная схема лабораторного стенда

 

Таблица 2.1 Протокол измерений

 

Цель опыта	Значения сопротивлений					Напряжения фаз и корпусов относительно земли, В
	ra, кОм	rb, кОм	rc, кОм	Rзам, Ом	Rз, Ом	Ua-з	Ub-з	Uc-з	Ur1, U0	Ur2	Ur3, Uпр	Прим
Исходное состояние						25	26	23				Uф=24В
Оценка напряжений при однофазном прикосновении	5	5	5			25	26,5	22,5	0	0	25
	150	150	150			25	26,5	22,5	0	0	25
	150	150	150	50		27	28	20	2	2	27
	150	150	150	100		26,5	28	22	1	0,5	26
Оценка опасности заземления корпусов электроприёмников	150	150	150			26	27	23	0	0	25,5
	150	150	150		4	15	33	30	9	9	15
	150	150	150		100	24	28	24,5	2	2	23
Изучение принципа действия зануления	150	150	150			0	0	0	0	0	0
Оценка опасности зануления корпусов при непрямом прикосновении:
1	150	150	150			26	27	23	12,5	12,5	0
2	150	150	150			26	27	23	0	0	0
	150	150	150			26	27	23	0	26	0
	150	150	150			26	27	23	0	0	0
	150	150	150			25	27,5	24	1	4	0
3	150	150	150	50		43	43	0	23	22,5	0
	150	150	150	100		42,5	43	1	22,5	22	0
	150	150	150			28	29	19	3	3	0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обработка результатов измерения.

1. Оценка напряжений при однофазном прикосновении.

Рис. 2. 3 Схема прямого прикосновения человека к фазе

 

Рис. 2. 4 Схема прямого прикосновения человека к фазе

при замкнутой на землю фазы

Прямое однофазное прикосновение характеризуется в основном фазным напряжением сети из-за малого значения рабочего заземления нейтрали:

При замыкании фазы С на землю, напряжение прикосновения становится больше фазного:

, .

Расчетные напряжения прикосновения для См, 25,7 В, для См 26,36 В. Наблюдение: чем меньше сопротивление замыкания фазы “с” на землю, тем существенно опаснее напряжение прикосновения к фазе “а”.

2. Оценка опасности заземления корпусов электроприемников

Рис. 2.5  Схема непрямого прикосновения человека к корпусу прибора

Наблюдение: защитное заземление корпуса может быть весьма опасным, особенно в случае, если сопротивление заземления больше R0, а на заземленный корпус замыкается фаза.

 

Защитное заземление без зануления корпуса запрещено. При выполнении защитного заземления (Rзаз = 4 Ом) напряжение прикосновения уменьшается, но незначительно (максимум в 2 раза).

.

Если заземлить корпус на элементы, случайным образом связанные с землей (Rзаз = 100 Ом), то напряжения прикосновения практически не будет отличаться от фазного, что крайне опасно:

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Изучение действия принципа зануления

Рис. 2. 6 Схема, иллюстрирующая принцип действия зануления

 

Вывод по пункту:

при выполнении данного опыта мы убедились в автоматическом снятии напряжения со стенда, вследствие срабатывания автоматического выключателя в цепи питания схемы.

Наблюдение: при замыкании фазы “а” на зануленный корпус К1 убедились в автоматическом снятии напряжения со стенда.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Оценка опасности зануления корпусов при непрямом прикосновении.

 

а) Случай неправильно выбранной (завышенной) уставки срабатывания максимальной токовой защиты.

Рис. 2. 7 Схема с неправильно выбранной (завышенной) уставки срабатывания максимальной токовой защиты

 

В данном случае ток замыкания недостаточен для срабатывания предохранителя : он не отключил поврежденный электроприемник, автоматическое снятие напряжения со стенда не произошло. При этом напряжение на нулевом проводе и, соответственно, на всех корпусах неповрежденных электроприемников и оказывается большим.

 

б) Случай обрыва нулевого провода или неправильной установки в нем выключателя нагрузки.

Рис. 2. 8 Схема обрыва нулевого провода или неправильной установки в нем выключателя нагрузки

 

в) Случай обрыва цепи заземления нейтрали источника при наличии замыкания фазы на землю.

Рис. 2. 9 Схема обрыва цепи заземления нейтрали источника при наличии замыкания фазы на землю

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение.

1. Оценка напряжений при однофазном прикосновении

При изменении сопротивления изоляции проводов напряжения прикосновения к фазе не меняется. Напряжение любой фазы исправной сети относительно земли равно фазному напряжению, и ток через человека, прикоснувшегося к одной из фаз определится выражением:

,

т.е.в основном  определяется значением фазного напряжения сети, сопротивлением изоляции между токоведущей частью и рукой человека, сопротивлением самого человека, пола, на котором человек стоит.

В аварийном режиме, когда одна из фаз сети замкнута на землю, происходит перераспределение напряжения и напряжения исправных фаз по отношению к земле отличны от фазного напряжения сети. Прикасаясь к исправной фазе, человек попадает под напряжение Uч, которое больше фазного, но меньше линейного. При увеличении сопротивления перекос сводится к минимуму, и, соответственно, немного уменьшается напряжение на человеке.

2. Оценка опасности заземления корпусов электроприемников при непрямом прикосновении.

Напряжение при непрямом прикосновении такое же, как и прямом прикосновении к фазе А. При заземлении установки происходит деление напряжения между R0 и Rз, при этом напряжение прикосновения было равным половине фазного, а на корпусах К1 и К2 появляется большое сопротивление. При увеличении сопротивления заземления человек оказывается под линейным напряжением, что является опасным для человека.

3. Изучение принципа действия зануления.

Занулением называется металлическое присоединение корпусов электрооборудования к нулевой точке (заземленной нейтрали) трансформатора или генератора. 

При пробое изоляции в зануленом оборудовании возникает цепь тока однофазного короткого замыкания со сравнительно небольшим сопротивлением, состоящим из сопротивлений фазного и нулевого проводов. Появляется ток короткого замыкания, значительно больший, чем ток однофазного замыкания на землю, где применяется просто защитное заземление. Поэтому быстро срабатывает плавкий предохранитель или автоматический выключатель, защищающий поврежденное оборудование или участок сети. Именно быстрое и полное снятие напряжения с поврежденного оборудования является основой защитного действия зануления — в отличие от защитного заземления, когда напряжение на заземленных частях при повреждении изоляции понижается, но может длительно сохраняться.

     4. Оценка опасности зануления корпусов при непрямом прикосновении.

a) Случай неправильно выбранной (завышенной) уставки срабатывания максимальной токовой защиты.

В результате ток короткого замыкания фазы на зануленный корпус может оказаться недостаточным для срабатывания устройств защиты, либо время срабатывания будет превышать допустимое по условиям безопасности прикосновения. Напряжение на поврежденном корпусе, как и на всех остальных (неповрежденных) корпусах, соединённых с нулевым проводом после поврежденного может достигать половины или даже 2/3 фазного напряжения. Опасность будет существовать в течение всего аварийного периода, т.е. с момента замыкания фазы на корпус до автоматического отключения поврежденной установки от сети.

б) Случай обрыва нулевого провода или неправильной установки в нем выключателя нагрузки.

При обрыве нулевого защитного проводника и замыкании фазы на корпус прибора, присоединенного к нулевому проводу после места обрыва, ток замыкания ограничивается сопротивлением изоляции относительно земли оторванного от нейтрали  участка нулевого провода и сопротивлениями прикасающихся к нему людей. За местом обрыва напряжение относительно земли участка нулевого защитного проводника и всех присоединенных к нему корпусов электроприемников окажется близким по значению к фазному напряжению сети. Также любая несимметричная трехфазная нагрузка может привести к появлению опасного напряжения на остальных корпусах. Снизить риск поражения током в этом режиме позволяет повторное заземление нулевого провода. Т.о. в случае разрыва нулевого провода формируется контур тока замыкания на землю и напряжение оторванного участка нулевого провода относительно земли уменьшается.

в) Случай обрыва цепи заземления нейтрали источника при наличии замыкания фазы на землю.

Возникновение замыкания одной из фаз сети на землю приводит к возрастанию напряжения смещения нейтрали относительно земли до величины фазного. Если человек прикасается к корпусу, то напряжение на корпусе с фазного уменьшается, распределяясь примерно пропорционально сопротивлениям человека и замыкания. Защитный нулевой провод и все зануленные конструкции оказываются под напряжением, равным напряжению смещения нейтрали. Повторное заземление нулевого провода снижает опасность непрямого прикосновения.