Указания по технике безопасности

Лабораторная работа №3

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ

 

Цель работы

 

Оценка эффективности защитного заземления в трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью и в трехфазной четырех­проводной сети с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В.

 

Содержание работы

 

1. Оценить эффективность защитного заземления в трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В (система IT).

Рис.3.1. Система IT переменного тока. Открытые проводящие части электроустановки заземлены. Нейтраль источника питания изолирована от земли или заземлена через большое сопротивление:

1 - сопротивление заземления нейтрали источника питания (если имеется); 2 - заземлитель; 3 - открытые проводящие части; 4 - заземляющее устройство электроустановки;

2. Оценить эффективность защитного заземления в сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В (система IT) при двойном замыкании на корпуса электроустановок, имеющие раздельные заземляющие устройства.

3. Оценить эффективность защитного заземления в трехфазной четырех­проводной сети с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В (система TN).

Рис. 3.2. Система TN-C переменного тока.
Нулевой защитный и нулевой рабочий проводники совмещены в одном проводнике:

1 -заземлитель нейтрали (средней точки) источника питания; 2 – открытые проводящие части.

 

Защитное заземление

Защитное заземление- заземление, выполняемое в целях электробезопасности [2].

Защитное заземление следует выполнять преднамеренным электрическим соединением металлических частей электроустановок с "землей" или ее эквивалентом [3].

Защитным заземлением называется преднамеренное электрическое соединение с заземляющим устройством открытых проводящих частей электроустановок (например, корпусов электрооборудования), которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам (индуктивное влияние со­седних токоведущих частей, вынос потенциала и т.п.).

Открытая проводящая часть – доступная прикосновению проводящая часть электроустановки, нормально не находящаяся под напряжением, но которая может оказаться под напряжением при повреждении основной изоляции [2].

Замыкание на корпус - случайный электрический контакт между токоведущими частями и открытыми проводящими частями электроустановки.

Назначение защитного заземления - устранение опасности пора­жения электрическим током в случае прикосновения к корпусу и дру­гим открытым проводящим частям электроустановки, оказав­шимся под напряжением.

Причем, допустимые напряжения прикосновения и сопротивления заземляющих устройств должны быть обеспечены в любое время года [3].

Защитное заземление следует отличать от других видов заземления, например, рабочего заземления и заземления молниезащиты.

Рабочее заземление — преднамеренное соединение с землей отдельных точек электрической цепи, например нейтральных точек обмоток генераторов, силовых и измерительных трансформаторов, дугогасящих аппаратов, реакторов поперечной компенсации в дальних линиях электропередачи, а также фазы при использовании земли в качестве фазного или обратного провода. Рабочее заземление предназначено для обеспечения надлежащей работы электроустановки в нормальных или аварийных условиях и осуществляется непосредственно (т. е. путем соединения проводником заземляемых частей с заземлителем) или через специальные аппараты — пробивные предохранители, разрядники, резисторы и т. п.

Заземление молниезащиты — преднамеренное соединение с землей молниеприемников и разрядников в целях отвода от них токов молнии в землю.

Принцип действия защитного заземления — снижение до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, обусловленных замыканием на корпус и другими причинами. Это достигается путем уменьшения потенциала заземленного оборудования (уменьшением сопротивления заземлителя), а также путем выравнивания потенциалов основания, на котором стоит человек, и заземленного оборудования (подъемом потенциала основания, на котором стоит человек, до значения, близкого к значению потенциала заземленного оборудования).

Рассмотрим два случая. Корпус электроустановки не заземлен (рис.3.1). В этом случае прикосновение к корпусу электроустановки также опасно, как и прикосновение к фазному проводу сети.

Рис. 3.3. Прикосновение человека к изолированному от земли корпусу при замыкании на него фазного проводника

, (3.1)

где U _ф- фазное напряжение сети, В; R_h, - сопротивление тела человека, Ом; z - комплекс полного сопротивления проводника относительно земли, Ом;

 

, (3.2)

здесь r и С - сопротивление изоляции и емкость проводников относи­тельно земли соответственно; w - угловая частота, с^-1.

При малых значениях С (т.е. в коротких сетях) уравнение (3.1) принимает вид:

, (3.3)

Корпус электроустановки заземлен (рис.3.2). В этом случае напряжение корпуса электроустановки относительно земли уменьшится и станет равным потенциалу заземлителя:

(3.4)

Напряжение прикосновения и ток через тело человека в этом случае будут определяться по формулам:

, (3.5)

где - коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий форму потенциальной кривой (распределение потенциала по поверхности земли при стекании тока;

- коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий дополнительное сопротивление основания растеканию тока по поверхности земли.

Ток через тело человека, касающегося корпуса при самых неблагоприятных условиях(a₁ = a₂ = 1), будет равен:

. (3.6)

Уменьшая значение сопротивления заземлителя растеканию тока R _З, можно уменьшить напряжение корпуса электроустановки относительно земли, в результате чего уменьшаются напряжение прикосновения и ток через тело человека.

Заземление будет эффективным лишь в том случае, если ток замыкания на землю I _З практически не увеличивается с уменьшением сопротивления заземлителя. Такое условие выполняется в сетях с изолированной нейтралью (система IT) напряжением до 1 кВ, так как в них ток замыкания на землю в основном определяется сопротивлением изоляции проводов относительно земли, которое значительно больше сопротивления заземлителя (рис.3.4).

Область применения защитного заземления - трехфазные трехпро­водные сети до 1000 В с изолированной нейтралью и выше 1000 В с любым режимом нейтрали.

Сопротивление заземляющего устройства выбирается таким, что­бы напряжение прикосновения не превышало допустимых значений. Для сетей напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью наибольшие допустимые значения r _з составляют 10 Ом при суммарной мощности генераторов или трансформаторов, питающих дан­ную сеть не более 100 кВ×А; а в остальных случаях r _з не должно превышать 4 Ом.

 

Рис.3.4. Принципиальная схема защитного заземления

в сети с изолированной нейтралью (система IT)

 

При двойном замыкание на землю в сети трехфазной трехпроводной с изолированной нейтралью (система IT) до 1000 В, то есть замыкании двух фаз на два корпуса, имеющих раздельные заземлители (рис.3.5), эти и другие корпуса, присоединенные к указанным заземлителям, окажутся под напряжением относительно земли, равным: в установке 1 - U _з1= I _з r _з1, в установке 2 - U _з2 = I _з r _з2 соответственно.

Сопротивление изоляции и емкости фазных проводников относитель­но земли в данном случае практически не влияют на значение тока замыкания на землю, цепь которого устанавливается через сопротив­ления заземлений r _з1 и r _з2. При этом U _з1 + U _з2 = U _л (U _л - ли­нейное напряжение сети). При равенстве r _з1 и r _з2, U _з1= U _з2= 0,5 U _л. Наличие таких напряжений на заземленных элементах установок явля­ется опасным для человека, тем более, что замыкание в сетях до 1000 В может существовать длительно.

 

Рис.3.3. Двойное замыкание на землю (замыкание двух разных фаз сети на корпуса электроустановок, имеющие раздельные заземлители)

Если же заземлители, или корпуса электроустановок 1 и 2 соединить провод­ником достаточного сечения или эти заземлители выполнить как од­но целое, то двойное замыкание на землю превратится в межфазное короткое замыкание, что вызовет быстрое от­ключение установок максимальной токовой защитой (предохранители, автоматические выключатели и т.п.), т.е. обеспечит кратковременность опасного режима.

В сети с глухозаземленной нейтралью (рис.3.6) при замыкании фазно­го проводника на корпус по цепи, образовавшейся через землю, будет проходить ток

, (3.7)

 

где r ₀ - сопротивление заземления нейтрали, Ом.

При этом фазное напряжение распределится между r _з и r ₀, т.е.

U _з=U_корп= I _з r _з; U ₀= I _з r ₀; U _з + U ₀ = U _ф. (3.8)

Таким образом, напряжение корпуса относительно земли зависит от соотношения сопротивлений r ₀ и r _з. При равенстве r ₀ и r _з на­пряжение на заземленном корпусе будет

U _з = U ₀ = 0,5× U _ф

 

Это напряжение является опасным для человека, поэтому в сети на­пряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью защитное заземление не применяется.

 

Рис.3.6. Защитное заземление в сети с глухозаземленной нейтралью

(система ТN)

В сетях с глухозаземленной нейтралью и корпусами, имеющими отдельное заземление (система TТ) обязательным согласно ПУЭ является дополнительное применение устройств защитного отключения на дифференциальном токе (рис.3.7).

 

Рис.3.7. Защитное заземление в сети с глухозаземленной нейтралью

(система ТТ)

 

Экспериментальная часть

Применяемое оборудование

 

Лицевая панель стенда представлена на рис.3.5.

Стенд включа­ется кнопкой " Вкл ". Распределенные вдоль фазных проводников сопротивления изоляции относительно земля имити­руются на стенде резисторами R₁, R₂ и R₃, величина этих сопротивлений варьируется от 5 до 120 кОм последовательным нажатием на кнопку П5.

Вольтметр U_L измеряет напряжение относительно земли каждого фазного проводника (подключение вольтметра к фазному проводнику осуществляется последовательным нажатием на кнопку П3), вольтметр U₀ – напряжение нейт­рали источника тока относительно земли, вольтметр U_К1 – напряжение корпуса первой электроустановки относительно земли, вольтметр U_К2 – напряжение корпуса второй электроустановки относительно земли.

Замыкание фазного проводника на корпус первой электроустановки осуществляется кнопкой П1. Корпус первой электроустановки подсоединяется к заземлителю кнопкой В2. С помощью кнопки П4 можно изменять значение сопротивления заземления

Замыкание фазного проводника на корпус второй электроустановки осуществляется кнопкой П2. Корпус второй электроустановки подсоединяется к заземлителю кнопкой В3. Величина сопротивления заземления корпуса второй электроустановки не изменяется.

Амперметр измеряет ток I_З, стекающий в землю при замыкании фазы на корпус первой электроустановки, если последний заземлен.

Кнопка В1 предназначена для подключения нейтральной точки источника тока к рабочему заземлению R₀, значение которого неизменно и составляет 4 Ом.

 

Рис. 3.5. Лицевая панель стенда

 

Указания по технике безопасности

При обнаружении в стенде какой-либо неисправности необхо­димо прекратить работу, отключить стенд и сообщить о случившемся преподавателю.

Порядок проведения работы

I. Оценка эффективности защитного заземления в сети с изолированной нейтралью до 1000 В.

а) Корпус электроустановки не заземлен.

1. Включить стенд.

2. В соответствии с табл.3.1 установить зна­чения сопротивлений, имитирующих сопротивление изоляции проводников относительно земли.

Таблица 3.1

 

№ бригады
Сопротивление изоляции
Сопротивление заземлителя корпуса 1 (rз), Ом

 

3. Отключить корпус первой электроустановки от защитного заземлителя.

4. Отключить нейтраль источника тока от рабочего заземлителя.

5. Произвести замыкание фазы L₃ на корпус первой электроус­тановки, измерить напряжение этого корпуса относительно земли и напряжения всех фазных проводников относительно земли. Результаты измерений занести в табл.3.2.

б) Корпус электроустановки заземлен.

1. Заземлить корпус первой электроустановки. Величину сопротивле-ния заземлителя установить в соответствии с табл.3.1.

2. Произвести замыкание фазы L₃ на корпус первой электроус­тановки, измерить напряжение этого корпуса относительно земли и напряжения всех фазных проводов относительно земли. Результаты измерений занести в табл.3.2.

3. Отключить стенд от сети.

 

II. Оценка эффективности защитного заземления в сети с изоли­рованной нейтралью до 1000 В при двойном замыкании на землю.

1. Включить стенд нажатием на кнопку «Вкл».

2. Заземлить корпуса первой (нажатием кнопки «В2») и второй (нажатием кнопки «В3») электроустановок.

3. На корпус первой электроустановки замкнуть фазу L₃ (нажатием кнопки «П1»), на корпус второй электроустановки – фазу L₁ или фазу L₂ (нажатием кнопки «П2»).

4. Измерить значения тока замыкания на землю и напряжений корпусов первой и второй электроустановок относительно земли. Результаты измерений занесите в табл.3.3.

5. Отключить стенд от сети.

 

III. Оценка эффективности защитного заземления в четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В.

1. Включить стенд нажатием на кнопку «Вкл»..

2. Заземлить нейтраль источника тока четырехпроводной сети (нажатием на кнопку «В1»).

3. Замкнуть фазный провод L₃ (нажатием кнопки «П1»)на корпус первой электроустановки.

4. Измерить напряжения корпуса первой электроустановки и нейтрали источника тока относительно земли, а также ток замыкания на землю. Результаты измерений занесите в табл.3.4.

5. Отключить стенд.

Содержание отчета

 

Отчет должен содержать:

По теме 1.Оценка эффективности защитного заземления в сети с изолированной нейтралью.

1.1. Принципиальную схему защитного заземления в сети с изолированной нейтралью.

1.2. Результаты измерения в виде табл.3.2.

Таблица 3.2

Режим измерений	Корпус не заземлен	Корпус заземлен
Замыкание на корпус:	U корп, В	U 1, В	U 2, В	U 3,В	U корп, В	U 1, В	U 2, В	U 3,В	I з, мА
- фазного провода L3

1.3. Заключение об эффективности защитного заземления в се­ти с изолированной нейтралью до 1000 В.

 

По теме 2.Оценка эффективности защитного заземления в сети с изолированной нейтралью до 1000 В при двухфазном замыкании на заземленные корпуса электроустановок.

2.1. Принципиальную схему двухфазного замыкания на заземленные корпуса электроустановок.

2.2. Результаты измерений в виде табл.3.3.

Таблица 3.3

U ф , В	U ф , В	U корп1 , В	U корп2 , В	I з , А	Расчетные значения
RЗ1, Ом	RЗ2, Ом

 

2.3. Результаты расчета сопротивлений заземлителей корпусов 1 и 2 по данным измерений.

2.4. Оценку эффективности защитного заземления при двухфазном замыкании по результатам измерений.

 

По теме 3. Оценка эффективности защитного заземления в сети с глухозаземленной нейтралью.

3.1. Принципиальную схему защитного заземления в сети с глухозаземленной нейтралью.

3.2. Результаты измерений в виде табл.4.

 

Таблица 3.4

U ф , В	U 0 , В	U корп , В	I з , А	Расчетные значения
RЗ1, Ом	RЗ2, Ом

 

Контрольные вопросы и примеры

1. Назначение и область применения защитного заземления.

2. По какой формуле вычисляется ток, протекающий через чело­века в случае прикосновения к заземленному корпусу, оказавшемуся под напряжением?

3. Как вычисляется сопротивление заземляющего устройства на основании результатов измерений данной лабораторной работы?

4. Как вычисляется ток замыкания на землю:

а) в сети с изолированной нейтралью;

б) в сети с изолированной нейтралью при двойном замыкании;

в) в сети с заземленной нейтралью?

5. Почему неэффективно применение защитного заземления в сети с заземленной нейтралью напряжением до 1000 В?

6. В сети (рис.1 сопротивления изоляции и емкости проводников относительно земли равны: r ₁= r ₂= r ₃= r =10 кОм; с ₁= с ₂= с ₃=0. Один из фазных проводников сети замкнулся на корпус, которого каса­ется человек. Сопротивление человека R_h =1000 Ом, фазное напря­жение U _ф=220 В. Определить ток, проходящий через человека. Во сколько раз уменьшится этот ток, если корпус электроустановки заземлить, а сопротивление защитного заземления будет равно а) 2 Ом, б) 4 Ом; в) 8 Ом; г) 10 Ом?

7. При одновременном замыкании двух фазных проводников на кор­пуса двух электроустановок (рис.3) человек прикоснулся к корпусу второй электроустановки. Параметры сети: U _ф=220 В, r ₁= r ₂= r ₃=30 кОм, с ₁= с ₂= с ₃=0. Определить ток, проходящий через че­ловека, если значения сопротивлений заземлителей r _з1 и r _з2 соот­ветственно равны а) 4 Ом и 4 Ом; б) 8 Ом и 4 Ом; в) 4 Ом и 10 Ом; г) 10 Ом и 10 Ом.

8. В сети (рис.4) произошло замыкание одного из фазных проводов на корпус электроустановки, которого касается человек. Сопротивление человека R_h =1000 Ом. Параметры сети: r ₀ = 4 Ом, r ₁= r ₂= r ₃=10 кОм; с ₁= с ₂= с ₃=0, U _ф=220 В. Определить ток, проходящий через человека I_h, если сопротивление заземле­ния корпуса r _з равно а) 2 Ом; б) 4 Ом; в) 8 Ом; г) 10 Ом.

 

Литература

1. Основы охраны труда и техники безопасности в электроустановках: учебник для вузов / В.Т. Медведев, Е.С. Колечицкий, О.Е. Кондратьева. – М.: Издательский дом МЭИ, 2015, с. 130-167, 226 – 230.

2. Заземление и защитные меры электробезопасности (Правила устройства энергоустановок, гл.1.7)

3. ГОСТ 12.1.030-81 «Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление»

 

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: