лабораторная работа / Lab 1 (2)

7

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомиться с назначением, принципом действия и областью применения защитного заземления, а также исследовать эффективность действия защитного заземления в трехфазных сетях тока напряжением 380 В.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Защитное заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом (вода реки, моря, каменный уголь в коренном залегании и т.п.) металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус (т.е. соединения токоведущей части с нетоковедущей в результате, например, повреждения изоляции, падения провода, находящегося под напряжением и т.п.).

Назначение защитного заземления – устранение опасности поражения током в случае прикосновения к корпусу электроустановки и другим нетоковедущем металлическим частям, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам. Защитное заземление следует отличать от рабочего.

Рабочее заземление – преднамеренное соединение с землей отдельных точек электрических цепей. Рабочее заземление предназначено для обеспечения надлежащей работы электроустановки в нормальных или аварийных условиях и осуществляется непосредственно (т.е. путем соединения проводников заземляемых частей с заземлителем) или через специальные аппараты – пробивные предохранители, разрядники, резисторы и т.п.

Область применения защитного заземления – сети трехфазного тока с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В и выше(рис 1) и сети трехфазного тока с заземленной нейтралью напряжением выше 1000 В.

Заземление электроустановок следует выполнять:

1. при напряжении 380 В и выше переменного тока и 440 В и выше постоянного тока – во всех электроустановках;

2. при номинальных напряжениях выше 42 В, но ниже 380 В переменного тока и выше 110 В, но ниже 440 В постоянного тока – только в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках.

Заземление электроустановок не требуется при номинальных напряжениях до 42 В переменного тока и до 110 В постоянного тока во всех случаях, кроме электроустановок, расположенных во взрывоопасной зоне.

Принцип действия защитного заземления:

Принцип действия защитного заземления – снижение до безопасного уровня напряжений прикосновений и шага, обусловленных замыканием на корпус и другими причинами. Это достигается путем уменьшением потенциала заземленного оборудования (уменьшением сопротивления заземлителя), а также путем выравнивания потенциалов основания, на котором стоит человек, и заземленного оборудования (подъемом потенциала основания, на котором стоит человек до значения, близкого к значению потенциала заземленного оборудования).

Предположим, что одна из фаз, питающих электроустановку, замкнула на корпус (например, фаза А на рис. 1). При этом через сопротивление заземляющего устройства R₃ потечет ток замыкания на землю величиной I₃. Падение напряжения на участке согласно закона Ома равно: , (1)

- коэффициент прикосновения, учитывающий форму потенциальной кривой растекания тока; для одиночного горизонтального заземлителя и группового заземлителя, расположенного в ряд, =1; для группового контурного заземления =0,1 – 0,45.

Напряжение прикосновения человека, который стоит на грунте и касается оказавшегося под напряжением заземленного корпуса, определяется АО выражению:

(2)

где α₂ – коэффициент прикосновения, учитывающий падение напряжения на сопротивлении растеканию тока основания, на котором стоит человек (сопротивление пола, обуви и т.п.).

Падение напряжения на участке с сопротивлением тела человека согласно закона Ома определяется по формуле:

(3)

где I_H – ток, проходящий через тело человека по пути рука – нога, А;

R_H – сопротивление тела человека, Ом; в расчетах принимается равным 1000 Ом.

Решая последнее выражение, относительно I_H и учитывая (1) и (2), получим для силы тока через тело человека в случае прикосновения его к корпусу, имеющего заземление:

(4)

Отсюда видно, что сила тока через тело человека I_H будет тем меньше, чем меньше, с одной стороны, будет сопротивление заземления R₃ и чем больше, с другой стороны, сопротивление тела человека R_H.

Если ноги человека не сомкнуты вместе, то они будут иметь разные по величине потенциалы (например, φ₁ для правой ноги, φ₂ для левой ноги). В этом случае человек попадает под напряжение называемое шаговым и определяемое как разность потенциалов:

(5)

где β₁ – коэффициент шага, учитывающий падение напряжения на сопротивлении растеканию основания, на котором стоит человек (сопротивление пола, обуви).

Напряжение прикосновения аналогично выражению (2):

(6)

Приравнивая, друг к другу выражения (6) и (3) и решая относительно I_H, получим:

(7)

Теоретические сведения об эффективности действия защитных

заземляющих устройств

Рассмотрим основные случаи опасности прикосновения человека к корпусу электроустановок, питающихся от понизительных трансформаторов (подстанций) в схемах 3-фазных сетей. Для упрощения примем:

1) сопротивление изоляции фазных проводов относительно земли одинаковы и равны ;

2) емкости фазных проводов относительно земли одинаковы и равны .

В трехпроводной сети с изолированной нейтралью (рис 2а):

при отсутствии заземления прикосновение человека к корпусу электроустановки при пробое какой-либо фазы на корпус эквивалентно включению человека в цель с однофазным касанием. Ток замыкания на корпус I₃ равен току, проходящему через тело человека I_H’:

(8)

где R – сопротивление изоляции фазных проводов относительно земли, Ом.

Если заземление исправно (рис. 2б), ток замыкания будет:

(9)

Сила тока через тело человека I_H’’ можно определить по формуле (4), приравнивая I_H’’= I_H.

Наихудший случай – когда повреждена изоляция проводов, т.е. R=0, при этом выражения (8) и (9) упрощается, а токи, протекающие через тело человека, значительно увеличиваются.

В четырехпроводной сети с заземленной нейтралью:

При отсутствии заземления (Рис. 3а) ток замыкается через рабочее заземление R₀, которое во много раз меньше сопротивления изоляции фазных проводов R. Ток замыкания на корпус I₃ равен току, проходящему через тело человека I_Н:

(10)

Если же заземление исправно (Рис. 3б):

(11)

Силу тока через тело человека I_H’’ можно определить по формуле (4), приравняв I_H’’= I_H.

ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:

Задание 1: Исследование эффективности защитного замыкания в 3-фазной 3-проводной сети с изолированной нейтралью.

Таблица 1

Замыкание на корпус фазы	Измеряемые параметры
	Ток замыкания на землю I3, мА		Напряжение корпуса относительно земли U3, В	Напряжение фазы относительно земли UФ, В
				А	В	С
Корпус электроустановки не заземлен
А
В
С
Корпус электроустановки заземлен
А
В
С

Задание 2: Исследование эффективности защитного заземления в 3-фазной 4-проводной сети с заземленной нейтралью.

Таблица 2

Замыкание на корпус фазы	Измеряемые параметры
	Ток замыкания на землю I3, мА	Напряжение корпуса относительно земли U3, В	Напряжение нейтрали относительно земли UN, В	Напряжение фазы относительно земли UФ, В
				А	В	С
Корпус электроустановки не заземлен
А
В
С
Корпус электроустановки заземлен
А
В
С

Задание 3: Расчет коэффициентов эффективности.

Таблица 3

Расчетные параметры	Сеть с изолированной нейтралью		Сеть с заземленной нейтралью
	Корпус эл. установки не заземлен	Корпус эл. установки заземлен	Корпус эл. установки не заземлен	Корпус эл. установки заземлен
Ток замыкания на корпус I3,А
Ток через тело человека Ih,А
Напряжение прикосновения Uh,В
Коэффициент эффективности КЭ

1. Расчет для трехпроводной сети с изолированной нейтралью.

а) Корпус эл. установки не заземлен:

б) Корпус эл. установки заземлен, тогда:

α₁=0,45; α₂=1.

2. Расчет для трехпроводной сети с заземленной нейтралью.

а) Корпус эл. установки не заземлен:

б) Корпус эл. установки заземлен, тогда:

α₁=0,45; α₂=1.

ВЫВОД: