1 Исследование опасности трехфазных сетей переменного тока низкого напряжения с изолированной нейтралью и технических мер защиты

1.1 Цель работы

Целью работы является экспериментальная оценка опасности трехфазных

электрических сетей переменного тока низкого напряжения (до 1000 В) с изолированной нейтралью путем исследования влияния параметров сети на величину напряжения прикосновения и тока, проходящего через тело человека, а также исследование эффективности защитного заземления электроустановок путем экспериментальной оценки влияния параметров заземления на опасность поражения.

1.2 Методические указания к самостоятельной работе студентов

При подготовке к лабораторной работе необходимо изучить следующие вопросы:

- виды поражения электрическим током и их определения;

- факторы опасности, определяющие исход поражения человека электрическим током;

- определение понятий: «электрическая сеть», «низкое напряжение», «электроустановка», «токоведущие части», «открытые проводящие части», «защитное заземление»;

- типы систем токоведущих проводников и типы систем заземления;

- условия поражения человека электрическим током в данных сетях;

- определение напряжения прикосновения и величины тока, протекающего через тело человека в различных условиях поражения;

- назначение, принцип действия и область применения защитного заземления;

- нормативные требования, предъявляемые к защитному заземлению.

На рис. 1.1 представлена схема, иллюстрирующая виды поражения человека электрическим током.

Согласно ГОСТ 12.0.003-74 ССБТ, опасным производственным фактором, связанным с действиями на человека электрического тока, является повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека. В отличие от тока, протекающего через тело человека, данная величина может быть рассчитана или измерена. Зная это напряжение и сопротивление тела человека, можно всегда рассчитать и оценить ток, протекающий через него.

Рисунок 1.1 – Виды поражения человека электрическим током

Низкое напряжение – напряжение, величина которого не превышает 1000 В переменного тока или 1500 В постоянного тока.

Электроприемник – аппарат (агрегат, устройство), предназначенный для преобразования электрической энергии в другой вид энергии.

Электрическая сеть – совокупность электроустановок для передачи и распределения электрической энергии, состоящая из подстанций, распредели-тельных устройств, токопроводов, воздушных и кабельных линий электро-передачи, работающих на определенной территории.

Электрооборудование – любое оборудование, предназначенное для производства, преобразования, передачи, распределения или потребления электрической энергии, например, генераторы, трансформаторы, электрические аппараты, измерительные устройства, приборы защиты, кабельная и проводниковая продукция, электроприемники.

Электроустановка – любое сочетание взаимосвязанного электрообо-рудования в границах данного пространства или помещения.

Токоведущая часть – проводящая часть, предназначенная для протека-ния по ней электрического тока в нормальном режиме работы электроуста-новки, в том числе и нейтральный проводник.

Открытая проводящая часть – доступная прикосновению проводящая часть электрооборудования, которая не является токоведущей частью и в нормальном режиме работы электроустановки не находится под напряжением, но может оказаться под напряжением при повреждении основной изоляции.

Питающие электрические сети (далее – сети) характеризуются:

- типами систем токоведущих проводников;

- типами систем заземления (см. рис. 1.2).

Рисунок 1.2 – Типы систем токоведущих проводников и типы систем заземления

Исход поражения человека электрическим током зависит от типа системы токоведущих проводников, типа системы заземления, условий поражения (прикосновения, см. рис 1.3) и электрических параметров самой сети.

Рисунок 1.3 – Однофазное (1) и двухфазное (2) прикосновение человека к токоведущим частям сети

Необходимо знать основные характеристики трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью, а также уметь строить диаграммы напряжений для возможных режимов ее работы (рис.1.4).

а б

в г

Рисунок 1.4 – Осциллограмма (а) и векторные диаграммы напряжений (б – при нормальной работе сети; в – при неполном замыкании фазы А на землю; г – при глухом замыкании фазы В на землю)

При нормальном режиме работы, когда сопротивления изоляции всех фаз относительно земли равны между собой и не превышают нормативного значения, фазные напряжения также одинаковы по амплитуде и частоте, но сдвинуты по фазе одна относительно другой на 2/3 (см. рис. 1.4, а и б). Потенциалы нейтрали и земли совпадают.

Важным средством защиты от поражения электрическим током является изоляция токоведущих частей. Согласно ПУЭ-2011, активное сопротивление изоляции в сетях переменного тока низкого напряжения должно быть не менее 500 кОм.

При неполном замыкании на землю, например, при прикосновении человека к фазе А, потенциалы земли и нейтрали не совпадают (см. рис. 1.4, в). Потенциал земли смещен относительно потенциала нейтрали на величину вектора .

В трехфазных сетях переменного тока имеется два вида напряжения:

- фазное (– между нейтралью и соответствующей линией);

- линейное (– между линиями).

Из рис. 1.4, б следует, что модуль вектора линейного напряжения больше модуля вектора фазного напряжения в

. (1.1)

Следует знать, что в трехфазной трехпроводной сети переменного тока с изолированной нейтралью потребителю доступны только три линии (фазы), вследствие чего можно использовать только линейное напряжение.

В трехфазных сетях переменного тока возможны следующие виды прикосновения человека к токоведущим частям:

- однофазное (см. рис. 1.3);

- двухфазное;

- косвенное (прикосновение к открытым проводящим частям оказав-шимся под напряжением, см. рис. 1.5).

Наиболее вероятным является однофазное прикосновение, схема которого представлена на рис. 1.3. В сети, у которой комплексные проводимости изоляции фаз относительно земли равны, ток, проходящий через тело человека , равен

,

(1.2)

где –напряжение прикосновения (разность потенциалов двух точек которых касается человек);

–фазное напряжение сети;

– комплексная проводимость изоляции фазы относительно земли;

–комплексная проводимость изоляции нейтрали относительно земли;

–активная проводимость тела человека.

Переходя от комплексных проводимостей изоляции фаз и проводимости тела человека к сопротивлениям, при , получим

,

(1.3)

где – комплексное сопротивление изоляции фаз относительно земли;

–сопротивление тела человека.

В формуле (1.3) определяется активным и емкостным сопротивлением изоляции фаз относительно земли. Емкостное сопротивление в свою очередь равно

, (1.4)

где – круговая частота

, (1.5)

где – частота переменного тока в сети,=50 Гц.

В сетях низкого напряжения, коротких и неразветвленных, емкостью фаз относительно земли можно пренебречь. Поэтому комплексное сопротивление изоляции фазы относительно земли следует принять равным активному сопротивлению, то есть . При этом величина тока, проходящего через тело человека, будет равна

. (1.6)

В сетях низкого напряжения, протяженных и разветвленных, емкость фаз относительно земли может быть достаточно большой. Емкостное сопротивление при этом будет меньше активного. Поэтому комплексное сопротивление фазы относительно земли следует принять равным емкостному сопротивлению, то есть . При этом величина тока через тело человека будет определяться как

. (1.7)

Из выражения (1.6) следует, что в сети с изолированной нейтралью при емкости фаз относительно земли, близкой к нулю, ток через тело человека не превышает значение порогового ощутимого тока.

Из выражения (1.7) следует, что при наличии значительной емкости фаз относительно земли ток через тело человека может достигать значения порогового фибрилляционного тока.

При глухом замыкании одной из фаз на землю, например, фазы В (см. рис. 1.4, г), напряжение смещения нейтрали стремится к фазному напряжению. При этом напряжения двух других фаз возрастает до линейного напряжения, и ток через тело человека равняется

. (1.8)

При двухфазном прикосновении ток через тело человека равняется

. (1.9)

Электрический пробой изоляции любой из фаз приводит к появлению опасного напряжения (фазного напряжения сети) на открытых проводящих частях электроустановки. Поэтому, согласно ДБН В.2.5-27-2006, для защиты человека при косвенном прикосновении (прикосновении к открытым проводящим частям электроустановки) в сетях низкого напряжения с изолированной нейтралью должна применятьсясистема заземления типа IT (система IT).

Система IT – система заземления, при применении которой все точки токоведущих частей сети изолированы от земли или нейтральная точка источника питания соединена с землей через достаточно большое сопротивление, а все открытые проводящие части электроустановок потребителей электроэнергии заземлены.

Первая буква в обозначении системы IT определяет характер заземления токоведущих частей сети:

I – (от англ. Isolated) все токоведущие части изолированы от земли или одна точка токоведущих частей заземлена через достаточно большое сопротивление.

Вторая буква определяет характер заземления открытых проводящих частей электроустановок потребителей электроэнергии:

T – (от лат. Terra) непосредственная связь открытых проводящих частей с землей независимо от характера связи токоведущих частей сети с землей.

Схема, иллюстрирующая выполнение системы IT, приведена на рис. 1.5.

1 – открытая проводящая часть; 2 – заземляющее устройство;

3 – – защитный проводник (РЕ)

Рисунок 1.5 – Система IT в сетях трехфазного переменного тока низкого напряжения с изолированной нейтралью (защитное заземление)

Непосредственная связь открытых проводящих частей с землей обеспечивается с помощью заземления.

В соответствии с ДБН В.2.5-27-2006:

– заземление – преднамеренное электрическое соединение определенной точки электрической сети либо электроустановки или оборудования с зоной растекания;

– защитное заземление – заземление, выполняемое с целью обеспечения электробезопасности.

Назначение защитного заземления – снижение напряжения прикосновения на открытых проводящих частях электроустановки до допустимого уровня.

Таким образом, напряжение прикосновения определяется как

, (1.10)

где –напряжение замыкания;

–коэффициент прикосновения, ;

–предельно допустимый уровень напряжения прикосновения.

С учетом того, что

, (1.11)

где – ток замыкания на землю;

–сопротивление защитного заземления,

получаем

. (1.12)

Из выражения (1.12) следует, что неравенство может быть выполнено за счет уменьшениясопротивление защитного заземления ().

Следовательно, принцип действия защитного заземления заключается в том, что оно защищает своим малым сопротивлением.

Из выражения (1.12) следует также, что областью применения защитного заземления являются сети, в которых ток замыкания на землю () не зависит от сопротивления защитного заземления (). В сетях переменного тока низкого напряжения такой сетью является сеть с изолированной нейтралью.

В соответствии с ПУЭ-2011 (глава 1.7) защитному заземлению подлежат открытые проводящие части электроустановок, которые могут оказаться под напряжением вследствие повреждения изоляции токоведущих частей.

Защитное заземление, в соответствии с ПУЭ-2011 (глава 1.7), следует выполнять во всех случаях, если номинальное напряжение превышает 50 В переменного и 120 В постоянного тока.

Сопротивление защитного заземления в сетях низкого напряжения (до 1000 В переменного тока) с изолированной нейтралью, в соответствии с ПУЭ-2011 (глава 1.7), не должно превышать 10 Ом.

Рекомендуемая литература [1-4].