Описания лабораторных работ / Описание лаб1 БЖД

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Филиал государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ» В Г. СМОЛЕНСКЕ

кафедра «Физика»

Лабораторная работа №1

Исследование влияния режима нейтрали трехфазных сетей переменного тока на электробезопасность

Задание и описание к лабораторной работе по курсу «Безопасность жизнедеятельности»

Смоленск 2015

УДК 502.3 (076.5) О-62

Допущено Учебно-методическим советом в качестве лабораторного практикума для студентов филиала

ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске, обучающихся по всем направлениям подготовки бакалавров

Подготовлено на кафедре физики

Рецензент Доктор технических наук, профессор Панченко С.В.

Лабораторная работа № 1 «Исследование влияния режима нейтрали трехфазных сетей переменного тока на электробезопасность».

Белалов В. Р. Задание и описание к лабораторной работе «Исследование влияния режима нейтрали трехфазных сетей переменного тока на электробезопасность [Электронный ресурс] / В. Р. Белалов, А. И. Лазарев, А. Ф. Богатырев. Электрон. текстовые дан. – Смоленск : филиал ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске, 2015. –

Режим доступа: URL https://sites.google.com/site/physicasbmpei/studentu/bezopasnostziznedeatelnosti

Лабораторный практикум содержит описание лабораторной работы по определению величины тока, протекающего через человека при его прикосновении к каждой фазе 3-х фазных сетей с глухозаземленной и изолированной нейтралью при нормальном и аварийном режимах работы сетей.

.

© филиал ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске, 2015

2

Цель работы: исследовать влияние режима нейтрали трехфазных сетей переменного тока напряжением до 1000 В и их основных параметров на электробезопасность.

Программа работы

1.Определить и сравнить величину тока, протекающего через человека при его прикосновении к каждой фазе 3-х фазных сетей с глухозаземленной и изолированной нейтралью:

-при нормальном режиме сети, когда отсутствуют замыкания на землю;

-при аварийном режиме сети, когда имеет место замыкание одной из фаз на землю.

2.Определить зависимость величины тока, протекающего через человека при его прикосновении к одной из фаз при нормальном режиме работы сети в зависимости:

-сопротивления изоляции фазных проводов относительно земли при постоянной емкости Ih = f (r);

-емкости фаз относительно земли при постоянном сопротивлении изоляции Ih = f

(С);

-величины сопротивления тела человека при постоянной емкости и сопротивления изоляции Ih = f (Rh).

Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Результаты расчетов и измерений в виде таблиц 3.1, 3.2, 3.3.

3.Графики зависимостей Ih = f (r), Ih = f (С), Ih = f (Rh) для 3-х фазной сети с глухозаземленной и изолированной нейтралью.

4.Выводы по работе:

4.1.Какая из исследуемых сетей более опасна и почему?

4.2.Где применяются рассмотренные сети и почему?

4.3.Какое значение с точки зрения безопасности имеют сопротивление изоляции и емкости фаз относительно земли, а также сопротивление тела человека?

1.Теоретическая часть

Вэлектрической сети, питающейся от генератора или трансформатора, исход поражения во многом зависит от режима работы нейтрали. При напряжении до 1000 В применяют два вида трехфазных электрических сетей: сети с изолированной нейтралью и глухозаземленной нейтралью.

Нейтраль – общая точка многофазного источника питания, соединенного в звезду. Глухозаземленная нейтраль – нейтраль трансформатора, генератора или другого источника питания, которая присоединена к заземляющему устройству непосредственно

или через малое сопротивление.

Изолированная нейтраль – нейтраль трансформатора, генератора или другого источника питания, которая не присоединена к заземляющему устройству или присоединена к нему через большое сопротивление.

Втрехфазных сетях прикосновения человека к токоведущим частям, находящимся под напряжением могут быть одно и –двухфазными.

Наиболее опасно одновременное прикосновение к двум фазам, при этом режим работы нейтрали роли не играет. В этом случае ток, проходящий через человека,

встречаются редко и связаны, как правило, с грубыми нарушениями правил технической

3

эксплуатации электроустановок. Чаще случается однофазное прикосновение человека к токоведущей части электроустановки.

В этих условиях режим работы нейтрали оказывает решающее значение на исход поражения.

Оценка опасности поражения заключается в определении проходящего через тело человека тока Ih или напряжения Uпр и сравнения этих значений с предельно допустимыми.

Ниже приведены расчетные зависимости для вычисления значений Ih с учетом схемы сети, режима ее нейтрали, качества изоляции токоведущих частей, их емкости относительно земли, схемы включения человека в электрическую цепь и других факторов.

1.1.Трехфазная сеть с изолированной нейтралью

1.1.1.При нормальном режиме работы рассматриваемой сети (когда отсутствует

замыкание фазы на землю) ток через человека Ih в период его касания к одной фазе, например фазе 1 (рис. 1.1.) определяется уравнением:

Рис. 1.1. Однофазное прикосновение в сети с изолированной нейтралью при нормальном режиме работы

С- емкость фаз относительно земли;

- угловая частота ( 2 f , f = 50 Гц).

Для упрощения формулы принято ra = rb = rc = r и C1 = С2 = С3 = С, т.е. равенство сопротивлений изоляции и емкостей проводов относительно земли.

Вреальных условиях изоляция фаз, изготовленная из диэлектрических материалов

иимеющая конечную величину, в процессе старения, увлажнения, покрытия пылью изменяется у каждой фазы неодинаково. Поэтому расчет безопасных условий, который в значительной степени осложняется, необходимо вести с учетом реальных значений сопротивления r емкости С для каждой фазы.

4

Пользуясь выражением (1.1) оценим опасность прикосновения к фазному проводу для следующих двух случаев.

1. При равенстве сопротивлений изоляции и отсутствии емкостей, т.е. ra = rb = rc = r и C1 = С2 = С3 = С, что может иметь место в коротких воздушных сетях, ток (в А), проходящий через человека, согласно (1.1) будет:

2. При равенстве емкостей и весьма больших сопротивлениях изоляции, т.е. при и C1 = С2 = С3 = С, а ra = rb = rc = , что может иметь место в кабельных сетях, ток (в А) через человека согласно (1.1) будет:

где X C 1/ C - емкостное сопротивление, Ом.

Из приведенных выражений видно, что в сетях с изолированной нейтралью опасность поражения человека тока тем ниже, чем меньше емкостная составляющая и выше активная составляющая фазных проводов относительно земли – поэтому в таких сетях весьма важно постоянно контролировать сопротивление изоляции проводов. Если емкостная составляющая велика, то высокое сопротивление изоляции фаз не обеспечивает необходимой защиты.

1.1.2. При аварийном режиме работы сети (рис. 1.2), когда возникло

3

2

1

Ih

Рис. 1.2. Однофазное прикосновение в сети с изолированной нейтралью при замыкании другой фазы на землю

замыкание одной из фаз на землю (например, фазы 2) через малое активное сопротивление rзм, проводимости двух других фаз можно принять равным нулю.

Тогда ток, протекающий через человека (в А) буде равен:

условиях), то исходя из выражения (1.4) , ток, протекающий через человека, будет равен:

5

т.е. человек окажется под напряжением (U л 3Uф ), а сопротивлением на пути тока является только Rh . Однако, чаще всего rзм 0 , поэтому человек будет находиться под напряжением, меньшим U л, но большим Uф, при условии, что r / 3 rзм.

Таким образом, это прикосновение во много раз опаснее прикосновения к той же фазе сети при нормальном режиме работы.

1.2.Трехфазная четырехпроводная сеть с глухозаземленной нейтралью.

1.2.1.При нормальном режиме работы сети (рис. 1.3) проводимости изоляции и емкостная проводимость фазных проводов относительно земли малы (по сравнению с проводимостью заземления нейтрали) и ими можно пренебречь.

(в А):

где r0 - сопротивление заземления нейтрали (рабочее заземление), Ом.

В сетях напряжением 660, 380 и 220 В величина r0 8 Ом, поэтому при Rh =1000 Ом, принимаемом в расчетах, без большой ошибки r0 можно пренебречь.

Тогда выражение примет следующий вид:

т.е. человек практически отказывается под фазным напряжением.

Сравнивая формулу (1.7) с формулой (1.2) можно отметить, что прикосновение человека к фазе такой сети в период нормальной работы более опасно, чем прикосновение в сети с изолированной нейтралью, но менее опасно, чем контакт с фазой в сети с изолированной нейтралью в аварийном режиме.

6

замкнута на землю через относительно малое активное сопротивление rзм , силу тока (в А), проходящего через тело человека, можно определить из уравнения:

Вреальных условиях r0 rзм величина r0 для установок с напряжением до 1000

Внормируется ГОСТ 12.1.030–81, она не должна превышать 4 Ом при межфазном напряжении 660, 380 или 220В трехфазного источника питания.

Величина rзм обычно не превышает 100 Ом (исключение составляет случай попадания упавшего провода в воду). Поэтому при r0 rзм, ток через человека будет равен:

Таким образом, прикосновение человека к исправному фазному проводу сети с глухозаземленной нейтралью в аварийный период менее опасно, чем прикосновение к фазе сети с изолированной нейтралью в аварийный период.

Выбор схемы сети, а следовательно, и режима нейтрали для реального производства выбирается по технологическим соображениям, а также по условиям безопасности.

По технологическим требованиям предпочтение, как правило, отдается четырехпроводной сети, поскольку она позволяет использовать два рабочих напряжения – линейное и фазное.

По условиям безопасности выбор одной их двух схем производится с учетом вышеизложенных выводов, полученных при рассмотрении этих сетей, а именно: по условиям прикосновения к фазному проводу в период нормального режима работы сети более безопасна, как правило, сеть с изолированной нейтралью, а в аварийный период – сеть с глухозаземленной нейтралью.

7

Поэтому по условиям безопасности сети с изолированной нейтралью целесообразно применять на объектах с повышенной опасностью поражения током и в тех случаях, когда они мало разветвлены и имеется возможность поддерживать высокий уровень изоляции проводов (химические предприятия, угольные шахты, передвижные установки, взрыво – и пожароопасные помещения и т.п.).

С глухозаземленной нейтралью (четырехпроводные) следует применять там, где невозможно постоянно поддерживать высокий уровень изоляции проводов (из-за большой протяженности, высокой влажности, агрессивной среды и т.п.), а так же в тех случаях, когда нельзя быстро отыскать или устранить повреждение изоляции или когда емкостные токи замыкания на землю достигают больших значений, опасных для человека. Примером таких сетей могут служить сети крупных промышленных предприятий, городские и сельские сети и т.п.

2. Применяемые приборы и оборудование

Работа производится на стенде путем моделирования основных параметров исследуемых сетей и определения величины тока, протекающего через человека при его прикосновении с токоведущими частями. Испытательный стенд позволяет моделировать любую из четырех сетей трехфазного тока. Вместо реально существующих распределенных сопротивлений изоляции и емкости проводов относительно земли на стенде предусмотрены сосредоточенные сопротивления и емкости, меняя величину которых, а также соотношения между ними, можно получить сеть с нужными параметрами. Тело человека имитируется в схеме стенда активным сопротивлением, которое может регулироваться в пределах от 1 до 10 кОм и подключаться к каждому проводу сети. Измерение тока через имитирующее тело человека сопротивление производится при помощи мультиметра, подключаемого к гнездам Г4 И Г5. Напряжение между фазами контролируется при помощи вольтметра и пакетных переключателей П4 И

П6.

Перед началом работы необходимо подготовить таблицы 3.1, 3.2, 3.3, получить исходные данные у преподавателя, расчетом определить значения токов и результаты занести в соответствующие таблицы.

3. Порядок проведения эксперимента

Задание 1. Исследование электробезопасности трехфазных сетей с изолированной и глухозаземленной нейтралями в нормальном и аварийном режиме

1.1.Привести стенд в исходное положение, для чего все выключатели поставить в положение «OTKJI» (вниз); переключатели П1, П2, П3 и П6 в положение «0», выключатели В13, В14, В15, В16, В17, В18, В19 и В20 в положение «х 1» (влево).

1.2.Установить при помощи выключателей сопротивления В21-В52 имитирующие сопротивления изоляции проводов (согласно исходных данных).

1.3.Включить В7, В9, В11, В55, В56, В57.

1.4.Переключателем П5, установить сопротивление 1 кОм, имитирующее сопротивление тела человека.

1.5.В нормальном режиме сети с изолированной нейтралью

(Выключатели В1 включен, В2 отключен) подать напряжение на стенд выключателем В4, поставить переключатель П1 в положение 1 (фаза 1), снять значения тока Ih1 и записать в табл. 3.1 (строчка «эксперимент»). Меняя положения переключателя П1 получить

значения Ih2 , Ih3 . Выключить В4.

8

Таблица 3.1.

В нормальном режиме с заземленной нейтралью заземлить нейтраль (выключить В1,

включить В2) и далее повторить в последовательности все операции п. 1.5.

1.6.В аварийном режиме работы сети с изолированной нейтралью проделать все аналогично п. 1.5, только в момент измерения тока нажать кнопку В58, переключатель П3 установить в одно из положений 1,2,3 (в зависимости от того, какая фаза указана, как аварийная), т.е. имитировать соприкосновение одного фазного провода с землей. Определить значения Ihl, Ih2, и Ih3 и занести в табл. 3.1.

1.7.Те же самые операции произвести и для сети с глухозаземленной нейтралью в аварийном режиме, включив предварительно выключатель B2, результаты занести в табл.3.1.

Задание 2. Исследование влияния сопротивления и емкости фаз относительно земли на электробезопасностъ трехфазных сетей с изолированной и глухозаземленной нейтралями

Необходимо определить значения тока через человека Ih при прикосновении к одной из фаз:

1)при изменении сопротивления изоляции фаз r в симметричном режиме (ra = rb = rc = r), емкость фаз С = 0;

2)при изменении емкости фаз С в симметричном режиме (соответственно r = 0; C1 = С2 =

С3 = С).

Значения r и С задаются преподавателем; Rh = 1 кОм. 2.1. Для получения зависимости Ih = f (r) необходимо:

2.1.1.Собрать схему трехпроводной сети с изолированной нейтралью (В2 отключен), включить сопротивления фазных проводов в соответствии с заданием.

2.1.2.Включить В7, В9, В11, В55, В56, В57, так как в данном случае С = 0; В8, В10, В12 должны быть отключены.

2.1.3.Поставить переключатель П1 на одну из фаз, подать питание на стенд (включить

В4), СНЯТЬ показания с мультиметра Ih и записать в табл. 3.2 (строка «эксперимент»). Таблица 3.2.

9

2.1.4. Изменяя сопротивления изоляции проводов ra = rb = rc = r в соответствии с заданием, снимать показания мультиметра и записывать их в табл.3.2.

2.2.Для получения зависимости Ih = f (r) для сети с глухозаземленной нейтралью необходимо включить В2 (заземлить нейтраль) и проделать все аналогично пп. 2.1.2; 2.1.3

и 2.1.4.

2.3.Для получения зависимости Ih = f (С) собрать схему трехпроводной сети с изолированной нейтралью. Установить в соответствии с заданием симметрично емкости

C1 = С2 = С3 = С (включить В8, В10, В12, выключить В7, В9, В11, так как r = 0), производить измерения тока через человека, меняя емкости фаз (результаты занести в табл.3.2).

2.4.Аналогично повторить эксперимент для сети с глухозаземленной нейтралью, результаты занести в табл.3.2.

Задание 3. Оценить влияние сопротивления тела человека Rh на исход поражения.

Изменяя сопротивление Rh, определить значения токов Ih для той и другой сети; значения занести в табл.3.3.

Таблица 3.3.

1. Долин П. А. Электробезопасность. Теория и практика : учебное пособие для ВУЗов / П. А. Долин. – М. : Издательский дом МЭИ, 2008. – 269 с.

Контрольные вопросы

1.По какой формуле рассчитывается ток через тело человека для сети с изолированной нейтралью в нормальном и аварийном режимах работы при прикосновении к фазному проводу?

2.По какой формуле рассчитывается ток через тело человека для сети с глухозаземленной нейтралью в нормальном и аварийном режимах работы при прикосновении к фазному проводу?

3.Сеть с какой нейтралью более опасна при замыкании одной фазы на землю в случае касания человека неповрежденной фазы?

4.Как изменится ток, протекающий через человека, если увеличить сопротивление изоляции фаз в три раза?

5.Какой кривой характеризуется зависимость Ih = f (r) для сети с глухозаземленной нейтралью?

6.Какой кривой характеризуется зависимость Ih = f (С) для сети с изолированной нейтралью?

10