Лабораторная работа №3

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Цель работы

Оценка эффективности защитного заземления в трехфазной 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 сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В (система IT).

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

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

Описание электрических сетей и систем заземления приведены в Приложении I к лабораторному практикуму.

Защитное заземление

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.) в целях электробезопасности.

Замыкание на корпус  случайный электрический контакт между токоведущими частями и открытыми проводящими частями электроустановки, происходящий в результате повреждения изоляции.

Назначение защитного заземления  устранение опасности пора­жения электрическим током в случае прикосновения к корпусу и дру­гим открытым проводящим 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 заземляющему устройству, состоящему из искусственного или естественного заземлителей, выполненных 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 проводником, то прикосновение человека к такому корпусу равносильно прикосновению к фазному проводнику (рис.1). В этом случае ток, проходящий через человека, будет определяться по формуле (в комплексной форме):

, (1)

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

(2)

Здесь r и С  сопротивление изоляции и емкость проводников относи­тельно земли соответственно;   угловая частота, с^1 .

Рис.1. Прикосновение человека к изолированному от земли корпусу при замыкании на него фазного проводника

При малых значениях С уравнение (1) принимает вид:

, (3)

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

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

U_пр = I_hR_h.

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

(4)

Рис.2. Принципиальная схема защитного заземления

в сети с изолированной нейтралью (система IT)

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,

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

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

(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 двойном замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью напряжением 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.

Рис.3. Двухфазное замыкание на корпуса электроустановок, имеющие раздельные заземлители

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= 0,5U_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, или корпуса электроустановок 1 и 2 соединить провод­ником достаточного сечения или эти заземлители выполнить как од­но целое, то двойное замыкание на заземленные корпуса превратится в ко­роткое замыкание между фазными проводниками, что вызовет быстрое от­ключение установок максимально токовой защитой (предохранители, автоматические выключатели), т.е. обеспечит кратковременность опасного режима.

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

,

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 + U₀ = U_ф.

Рис.4. Защитное заземление в сети с глухозаземленной нейтралью

(система ТТ)

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 = 0,5U_ф

Это напряжение является опасным для человека, поэтому в сети на­пряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью и системой TN защитное заземление не применяется. Вместо этого применяется защитное зануление.

В сетях с глухозаземленной нейтралью и корпусами, имеющими отдельное заземление (система TT) обязательным согласно ПУЭ является применение устройств защитного отключения на дифференциальном токе (см. Приложение к сборнику лабораторных работ)

Экспериментальная часть

Применяемое оборудование

Лицевая панель стенда представлена на рис.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.