lab_3 (Лабники по БЖД с кафедры)

9

Лабораторная работа 3

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Цель работа

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

Содержание работы

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

2.Оценить эффективность защитного заземления в сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В при двухфазном замыкании на корпуса электроустановок, имещие раздельные заземляющие устройства.

3.Оценить эффективность защитного заземления в трехфазной сети с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В.

Защитное заземление

Защитным заземлением называется преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам (индуктивное влияние со­седних токоведущих частей, вынос потенциала и т.п.).

Замыкание на корпус  случайное электрическое соединение токоведущих частей с металлическими нетоковедущими частями электроустановки.

Назначение защитного заземления  устранение опасности пора­жения электрическим током в случае прикосновения к корпусу и дру­гим нетоковедущим металлическим частям электроустановки, оказав­шимся под напряжением.

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

Принцип действия защитного заземления  снижение напряжения между корпусом электроустановки, оказавшимся под напряжением, и землей до безопасного значения. Защитное заземление выполняется путем подсоединения корпуса электроустановки к искусственному или естественному заземлителям, выполненным из металла или других токопроводящих материалов и имеющим электрический контакт с грун­том.

Поясним это на примере сети до 1000 В с изолированной нейтра­лью. Если корпус электроустановки не заземлен и он оказался в контакте с фазным проводом, то прикосновение человека к такому корпусу равносильно прикосновению к фазному проводу (рис.1). В этом случае ток, проходящий через человека, будет определяться по формуле (в комплексной форме):

I_h = U_ф/(R_h + z/3), (1)

где U_ф  фазное напряжение сети, В; R_h,  сопротивление тела человека, Ом; z  комплекс полного сопротивления провода относительно земли, Ом;

z = 1/(1/r + jc), (2)

З десь r и c  сопротивление изоляции и емкость провода относи­тельно земли соответственно;   угловая частота, с^1 .

При малых значениях c уравнение (1) принимает вид:

I_h = U_ф/(R_h + r/3), (3)

где I_h  ток в действительной форме, проходящий через человека, А.

Напряжение, под которым окажется человек, прикоснувшийся к корпусу (напряжение прикосновения), определяется

U_пр = I_hR_h.

Если же корпус электроустановки заземлен, то при замыкании на него фазного провода (рис.2) через заземление пойдет ток I_з, значение которого зависит от r и сопротивления заземления кор­пуса r_з и определяется выражением, подобным (3):

I_з = U_ф/( r_з + r/3). (4)

Напряжение корпуса относительно земли в этом случае будет равно

U_корп = U_з = I_з r_з , (5)

а напряжение прикосновения

U_корп = U_з₁₂,

г де ₁  коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий форму потенциальной кривой и расстояние до заземлителя; ₂  коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий паде­ние напряжения в сопротивлении основания, на котором стоит чело­век.

Ток через человека, касающегося корпуса при самых неблагоприятных условиях (₁ = ₂ = 1), будет

I_h = U_з/R_h, (6)

Сопротивление заземляющего устройства выбирается таким, что­бы напряжение прикосновения не превышало допустимых значений. Для электроустановок 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.

При двухфазном замыкании в сети до 1000 В, то есть замыкании двух фаз на два корпуса, имеющие раздельные заземлители (рис.3), эти и другие корпуса, присоединенные к указанным заземлителям, окажутся под напряжением относительно земли, равным: в установке 1  U_з1= I_зr_з1, в установке 2  U_з2 = I_зr_з2.

Сопротивление изоляции и емкости фазных проводов 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= 0,5U_л. Наличие таких напряжений на заземленных элементах установок явля­ется опасным для человека, тем более, что замыкание в сетях до 1000 В может существовать длительно.

Если же заземлители электроустановок 1 и 2 соединить провод­ником достаточного сечения или эти заземлители выполнить как од­но целое, то двухфазное замыкание на корпуса превратится в ко­роткое замыкание между фазными проводами, что вызовет быстрое от­ключение установок максимально-токовой защитой (предохранители, автоматы), т.е. обеспечит кратковременность опасного режима.

В сети с заземленной нейтралью (рис.4) при замыкании фазно­го провода на корпус по цепи, образовавшейся через землю, будет проходить ток

I_з = U_ф/( r₀ + r_з),

где r₀  сопротивление заземления нейтрали, Ом.

При этом фазное напряжение распределится между r_з и r₀, т.е. U_з= I_зr_з; U₀= I_зr₀; U_з + U_л = U_ф.

Таким образом, напряжение корпуса относительно земли зависит от соотношения сопротивлений r₀ и r_з. При равенстве r₀ и r_з на­пряжение на заземленном корпусе будет

U_з = U₀ = 0,5U_ф.

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

Экспериментальная часть

Применяемое оборудование

Лицевая панель стенда представлена на рис.8. Стенд включа­ется тумблером "Сеть". При этом загораются сигнальные лампы, рас­положенные около фазных проводов 1, 2 и 3. Распределенные вдоль фазных проводов сопротивления изоляции относительно земля имити­руются на стенде резисторами r₁, r₂ и r₃. Необходимые значения сопротивления изоляции устанавливаются нажатием соответствующих кнопок.

Вольтметр V₃ измеряет напряжение относительно земли каждого фазного провода, т.е. фазное напряжение, а также напряжение нейт­рали относительно земли. В последнем случае нажимается кнопка с обозначением "Н".

Замыкание на корпуса электроустановок того или иного фазного провода осуществляется кнопочными переключателями. Корпус 1 с помощью тумблера в цепи "корпусамперметрзаземлитель" может быть как изолирован от земли (положение "Откл"), так и заземлен (поло­жение "Вкл").

Напряжение корпуса 1 и корпуса 2 относительно земли измеря­ется соответственно вольтметрами V₁ и V₂.

Амперметр измеряет ток I_з, стекающий в землю при заземле­нии корпуса 1. В случае ошибочных включений, приводящих к корот­кому замыканию в схеме, загорается транспарант "Короткое замыка­ние". При этом необходимо отключить стенд и исправить ошибки в схеме.

Указания по технике безопасности

1.Перед выполнением данной работы необходимо ознакомиться с инструкцией по технике безопасности, вывешенной на стенде.

2.Во время работы запрещается производить переключения в электрических схемах под напряжением, оставлять без надзора вклю­ченный стенд.

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

Порядок проведения работы

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

А. Корпус электроустановки не заземлен.

1.В соответствии с номером занятия (табл.1) установить зна­чения сопротивлений, имитирующих сопротивление изоляции проводов относительно земли.

2.Отключить корпус 1 от защитного заземлителя.

3.Отключить нейтраль источника тока от рабочего заземлителя.

4.Включить стенд.

Таблица 1

5.Проводя поочередно замыкание на корпус первой электроус­тановки фазных проводов 1, 2, 3, измерить напряжение корпуса 1 относительно земли и напряжения фазных проводов относительно земли (табл.2).

Б. Корпус электроустановки заземлен.

1.Заземлить корпус 1.

2.Проводя поочередно замыкание на корпус первой электроуста­новки фазных проводов 1, 2 и 3, измерить напряжения корпуса 1 и фазных проводов относительно земли, измеряя одновременно ток за­мыкания на землю.

3.Отключить стенд от сети.

II. Оценка эффективности защитного заземления в сета с изоли­рованной нейтралью до 1000 В при двухфазном замыкании на заземленные корпуса электроустановок.

1.Заземлить корпус 1 (Корпус 2 заземлен).

2.Замкнуть один из фазных проводов на корпус 1, другой  на корпус 2.

3.Включить стенд. При этом загорается транспарант "Шкала 50 А", что соответствует верхнему пределу измерения шкалы ампер­метра.