Лабораторная работа №15

Исследование условий электробезопасности

в трехфазных сетях с глухозаземленной нейтралью

Цель работы

Определение эффективности систем защитного зануления и заземления в электроустановках напряжением до 1000В

Содержание работы

1. Измерение характеристик сети с зануленными корпусами электроустановок в зависимости от сопротивления повторного заземлителя.

2. Измерение характеристик сети с зануленными корпусами электроустановок в зависимости от сопротивления контакта в месте подключения нулевого проводника к корпусу электроустановки.

3. Измерение характеристик сети с заземленным корпусом электроустановки.

1.Термины и определения.

1. Параметры электрической сети.

В электроустановках напряжением до 1000 В в настоящее время применяют четырехпроводную или пятипроводную сети с глухозаземленной нейтралью напряжением 220/127, 380/220 и 660/380 В (первая цифра обозначает линейное напряжение, вторая- фазное). Заземление нейтрали источника тока (генератора, трансформатора) осуществляют непосредственным соединением ее с заземляющим устройством и поэтому такую сеть принято называть сетью с глухозаземленной нейтралью. Наиболее распространенными являются сети напряжением 380/220 В. Заземленная нейтральная точка носит название нулевой точки (рис.1,а), а проводник, присоединенный к нулевой точке называется нулевым проводником.

Заземляющее устройство состоит из заземлителя и заземляющих проводников, соединяющих заземляемую часть (точку) с заземлителем.

Заземлителем называется проводящая часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землей. Заземлитель характеризуется сопротивлением току растекания в землю, которое на схемах представляется в виде сосредоточенного сопротивления. Сети с глухозаземленной нейтралью напряжением 380/220 В должны иметь сопротивление заземлителя нейтрали (r _o) не выше 4 Ом.

Рис.1 Трехфазные сети с глухозаземленной нейтралью:

а) обмотки (1) генератора (трансформатора), соединенные в “звезду” с нулевой точкой (2); нулевая точка связана с заземляющим устройством (4) и нулевым проводником (3);

б) четырехпроводная сеть с нулевым проводником;

в) пятипроводная сеть с нулевым рабочим проводником (4) и нулевым защитным проводником (5).

Кроме четырехпроводных сетей с глухозаземленной нейтралью (рис 1, б) в последнее время ведется внедрение пятипроводных сетей (рис1, в). В четырехпроводных сетях при питании однофазных потребителей (рис. 2,а) нулевой проводник часто выполняет функции одновременно и рабочего и защитного проводника. При использовании пятипроводной системы от нулевой точки источника питания отходят два нулевых проводника ( рис. 2, б) - рабочий и защитный. Рабочий проводник в совокупности с фазным служит для электропитания однофазных потребителей, а защитный - обеспечивает автоматическое отключение питания при коротких замыканиях на корпус электроустановки, а также снижает напряжение на корпусе до момента отключения электроустановки от сети.

Рис.2 Трехфазные сети с глухозаземленной нейтралью:

а) четырехпроводная сеть с однофазным (I) и трехфазным (II) потребителями; нулевой проводник (3) выполняет функции нулевого рабочего (4) и нулевого защитного (5) проводников;

б) пятипроводная сеть с однофазным (I) и трехфазным (II) потребителями; нулевой рабочий проводник (4) служит для электропитания однофазных потребителей, нулевой защитный проводник (5) обеспечивает срабатывание максимальной токовой защиты и выполняет функции заземляющего проводника.

При пятипроводной системе электроснабжения однофазные сети выполняются трехпроводными, например, к электророзетке подводятся нулевой рабочий и фазный проводники (для электропитания бытовых приборов, компьютеров и т.п.), а также нулевой защитный проводник, обеспечивающий автоматическое отключение питания и снижение напряжения на металлических нетоковедущих частях, например, корпусе электроприемника.

Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) введены буквенные обозначения электрических сетей и систем заземления, соответствующие стандартам Международной электротехнической комиссии. Для сетей с глухозаземленной нейтралью в которых открытые проводящие части (корпуса) электроустановок присоединены к нулевому защитному проводнику вводится обозначение TN. Если нулевой проводник выполняет функцию нулевого рабочего и нулевого защитного проводников, то такая четырехпроводная система электроснабжения обозначается TN-C (рис.2, а), если нулевой рабочий и нулевой защитный проводники разделены на всем протяжении сети, то такая пятипроводная система обозначается TN-S (рис.2, б).

Проводники сети обозначаются:

фазные – L_1, L_2, L₃;

нулевой рабочий – N;

нулевой защитный – PE;

нулевой, совмещающий функции нулевого рабочего и нулевого – PEN.

Подробная классификация электрических сетей и используемых мер электробезопасности в соответствии с ПУЭ дана в Приложении №1.

1.2 Защитное зануление.

Основной мерой защиты от поражения электрическим током в сетях с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В является защитное зануление.

Защитным занулением называется преднамеренное соединение открытых проводящих частей, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания фазы, например, на металлический корпус электроустановки с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора. Это соединение осуществляется с помощью нулевого защитного проводника.

Нулевой защитный проводник следует отличать от нулевого рабочего проводника, который также соединен с глухозаземленной нейтральной точкой, но предназначен для питания током электроприемников и по нему проходит рабочий ток.

Нулевой рабочий проводник должен иметь изоляцию, равноценную изоляции фазных проводников, сечение его должно быть рассчитано на длительное прохождение рабочего тока.

В четырехпроводных сетях (TN-C) нулевой рабочий проводник используется одновременно и как нулевой защитный, т.е. для защитного зануления приемников энергии (за исключением однофазных электроприемников). В этом случае нулевой рабочий проводник должен удовлетворять требованиям, предъявляемым к нулевым рабочим и защитным проводникам.

В пятипроводных сетях (TN-S) для защитного зануления используется нулевой защитный проводник.

Принцип действия защитного зануления – превращение замыкания на корпус в однофазное короткое замыкание ( т.е. замыкание между фазным и нулевым защитным проводниками) с целью вызвать большой ток, способный обеспечить срабатывание защиты и тем самым автоматически отключить поврежденную электроустановку от питающей сети. Такой защитой являются: плавкие предохранители или автоматические выключатели.

Кроме того, поскольку зануленные корпуса (или другие открытые проводящие части) заземлены через нулевой защитный проводник, то в аварийный период, т.е. с момента возникновения замыкания на корпус и до автоматического отключения поврежденной электроустановки от сети, проявляется защитное свойство этого заземления. Иначе говоря, защитное заземление корпусов через нулевой проводник снижает в аварийный период их напряжение относительно земли.

Таким образом, защитное зануление осуществляет два защитных действия - быстрое автоматическое отключение поврежденной установки от питающей сети и снижение напряжения зануленных металлических нетоковедущих частей, оказавшихся под напряжением, относительно земли.

1. Анализ схемы зануления.

Принцип действия зануления ясен из рис.3,а. При замыкании фазы 3 на корпус электроустановки ток короткого замыкания (I_к) проходит по обмотке трансформатора, далее через плавкий предохранитель, место замыкания и нулевой защитный проводник.

Рис. 3 Короткое замыкание фазы 1 на зануленный корпус электроустановки:

а) принципиальная схема электрической сети с занулением

б) эквивалентная схема

Там он разветвляется на токи I_н и I_з , которые через нулевую точку попадают в обмотку трансформатора, при этом образуются два контура. Первый из них (показан пунктиром на рис. 3, а) включает фазный и нулевой проводники (так называемая “петля фаза-нуль”). Протекание тока короткого замыкания по этому контуру приводит к срабатыванию автоматического выключателя или перегоранию плавкой вставки предохранителя и отключению поврежденной электроустановки. До момента срабатывания автоматической защиты корпуса электроустановок будут находиться под напряжением. Поскольку человек при меньшей продолжительности воздействия может выдержать больший ток, то ГОСТом 12.1.038-82 (с изменениями от 01.07.88) определены допустимые напряжения прикосновения и токи протекающие через человека в зависимости от времени действия. (Табл.1)

Табл.1

Как видно из рис.4 допустимый ток (I_{h доп}) снижается с увеличением времени действия на человека, то есть при при снижении быстродействия автоматической

защиты.

.

Рис. 4 Зависимость предельно допустимых значений от продолжительности воздействия.

Для приближенных расчетов зависимость I_{h доп} от времени срабатывания защиты (t _защ ) можно аппроксимировать функцией

I_{h доп} = . (1)

Поскольку время срабатывания аппаратов максимальной токовой защиты уменьшается с увеличением тока короткого замыкания (рис. 5), то для достижения заданного условиями безопасности допустимого времени действия тока на человека, ток короткого замыкания (I_к) должен превышать номинальный ток (I_ном) устройства защиты. Под номинальным током понимают ток, который может длительно протекать, например, через предохранитель не вызывая перегорания плавкой вставки. Для плавких вставок предохранителей и тепловых расцепителей автоматических выключателей.

I_к  Кз I_ном. (2)

Соотношение между током I_к и током I_ном определяется по время-токовым характеристикам с учетом наибольшего допустимого времени автоматического отключения. Для сетей с U_ф = 220В время автоматического отключения согласно ПУЭ не должно превышать 0,4 с.