методички / 4024 ЭИ

4024	МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
	ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Электроснабжение железнодорожного транспорта»

БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ для обучающихся по специальности 23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов»,

специализация «Электроснабжение железных дорог» очной и заочной форм обучения

Составители: О.Н. Козменков О.В. Табаков И.А. Ефремова

Самара

2016

1

УДК 621.331:621.311

Безопасность технологических процессов и технических средств на железно-

дорожном транспорте : лабораторный практикум для обучающихся по специальности 23.05.05 СОДП, специализация «Электроснабжение железных дорог» очной и заочной форм обучения / составители : О.Н. Козменков, О.В. Табаков, И.А. Ефремова. – Самара :

СамГУПС, 2016. – 38 с.

Цикл работ связан с изучением влияния электрического тока и напряжения при различных вариантах подключения аппаратуры к энергосистеме.

Утвержден на заседании кафедры 6 апреля 2016 г., протокол № 9. Печатается по решению редакционно-издательского совета университета.

Составители: Козменков Олег Николаевич, к.т.н., доцент Табаков Олег Валентинович, к.т.н., доцент Ефремова Ирина Анатольевна, преподаватель

Рецензенты: Добрынин Евгений Викторович, к.т.н., доцент СамГУПС; Лабунский Леонид Сергеевич, к.т.н.; профессор СамГУПС

Под редакцией составителей Компьютерная верстка: Е.А. Самсонова

Подписано в печать 27.05.2016. Формат 60×90 1/16. Усл. печ. л. 2,4. Заказ 91.

© Самарский государственный университет путей сообщения, 2016

2

ВВЕДЕНИЕ

Целью освоения дисциплины «Безопасность технологических процессов и технических средств на железнодорожном транспорте» являются:

1)разработка у студентов навыков и умений использовать нормативно-технические документы для контроля качества технического обслуживания и ремонта систем обеспечения движения поездов, их модернизации, оценки влияния качества продукции на безопасность движения поездов, осуществлять анализ состояния безопасности движения поездов;

2)разработка способности контролировать соответствие технической документации разрабатываемых проектов техническим регламентам, санитарным нормам и правилам, техническим условиям и другим нормативным документам; умением применять современные научные методы исследования технических систем и технологических процессов, анализировать, интерпретировать и моделировать на основе существующих научных концепций отдельные явления и процессы с формулировкой аргументированных умозаключений и выводов;

3)умение проводить научные исследования и эксперименты; анализировать, интерпретировать и моделировать в областях проектирования и ремонта систем обеспечения движения поездов.

Для изучения дисциплины «Безопасность технологических процессов и технических средств на железнодорожном транспорте» требуется освоение дисциплин: «Экология», «Основы теории надежности», «Электропитание и электроснабжение нетяговых потребителей», «Транспортная безопасность», «Учебная практика», «Производственная практика».

Компетенции дисциплины:

ПК-16: умение разрабатывать и использовать нормативно-технические документы для контроля качества технического обслуживания и ремонта систем обеспечения движения поездов, их модернизации, оценки влияния качества продукции на безопасность движения поездов, осуществлять анализ состояния безопасности движения поездов;

ПК-17: владение нормативными документами и техническим обслуживанием систем обеспечения движения поездов; способами эффективного использования материалов и оборудования при техническом обслуживании и ремонте систем обеспечения движения поездов; владение современными методами и способами обнаружения неисправностей в эксплуатации, определения качества проведения технического обслуживания систем обеспечения движения поездов; владение методами расчета показателей качества.

В результате освоения дисциплины «Безопасность технологических процессов и технических средств на железнодорожном транспорте» обучающийся будет:

знать:

-средства и методы повышения безопасности в системах обеспечения движения поездов;

-правила технической эксплуатации железных дорог;

3

-правовые нормативно-технические и организационные основы безопасности движения поездов и жизнедеятельности

-требования по обеспечению транспортной безопасности для различных категорий объектов транспортной инфраструктуры и транспортных средств железнодорожного транспорта;

-методы, инженерно-технические средства и системы обеспечения транспортной безопасности, используемые на объектах транспортной инфраструктуры железнодорожного транспорта;

уметь: определять потенциальные угрозы и действия, влияющие на защищенность объектов транспортной инфраструктуры и транспортных средств железнодорожного транспорта и обеспечивать выполнение мероприятий по транспортной безопасности на этих объектах в зависимости от ее различных уровней;

владеть: владеть принципами выбора рациональных способов защиты, порядка действия коллектива предприятия (цеха, отделения, лаборатории) в чрезвычайных ситуациях.

Ход выполнения работы и содержание отчета

1.Название и цель работы.

2.Краткие теоретические сведения.

3.Измерения.

4.Заполнение таблицы.

5.Построение графиков зависимостей.

6.Выводы по лабораторной работе.

7.Защита лабораторной работы.

Перечень аппаратуры

Обозначение	Наименование	Тип	Параметры (предельные)
G1	Трехфазный источник питания	201.2	400 В ~; 16 А
A1	Блок линейных дросселей	337	6×1,0 Гн; 0,5 А,
A2			250 В·А,
	Трехфазный трансформатор	302	380/380 В,
			Y-0/Y-0
A3	Модель участка электрической сети	303	380 В ~; 3×0.5 А
A5	Модель замыкания на землю	310	380 В ~; 3×0.5 А
A6	Модельзаземлителясполусферическимэлектродом	325
	Модель заземлителя с вертикальным трубчатым	326	380 В ~; 3×0.5 А
	электродом
	Модель заземлителя с протяженным трубчатым	327
	электродом на поверхности		380 В ~; 3×0.5 А
A7	Модель зануления	329
A9	Модель измерения заземления	312	220 В ~; 0.5 А
A10	Модель защитного заземления/самозаземления	328	380 В ~; 3×0.5 А
P1			3 мультиметра
	Блок мультиметров	508.2	0…1000 В ;
			0…10 А ;
			0…20 МОм

4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Определение зависимостей, характеризующих явления при стекании тока в землю через защитный заземлитель (заземлитель с полусферическим электродом)

Цель работы: изучить зависимости, характеризующие явления при стекании тока в землю через заземлитель с полусферическим электродом.

Задание: проанализировать полученные результаты и сделать вывод о зависимостях, характеризующих явления при стекании тока в землю через защитный заземлитель.

Краткие теоретические сведения

Стекание тока в землю происходит только через проводник, находящийся с нею в непосредственном контакте. Такой контакт может быть случайным или преднамеренным.

В последнем случае проводник или группа соединенных между собой проводников, находящихся в контакте с землей, называется заземлителем.

Причинами стекания тока в землю является замыкание токоведущей части на заземленный корпус электрического оборудования или падение провода на землю либо использование земли в качестве провода и т. п. Во всех этих случаях происходит резкое снижение потенциала φз, заземлившейся токоведущей части до значения, равного произведению тока, стекающего в землю, Iз на сопротивление заземлителя растеканию тока Rз.

ϕ з = I з Rз .

(1)

Это явление используют как меру защиты от поражения током при случайном появлении напряжения на металлических нетоковедущих частях, которые с этой целью заземляют. Однако наряду с понижением потенциала заземлившейся токоведущей части при стекании тока в землю возникают и отрицательные явления, появляется потенциал на заземлителе и находящихся в контакте с ним металлических частях, а также на поверхности грунта вокруг места стекания тока в землю. Возникающие при этом разности потенциалов отдельных точек электрической цепи протекания тока, в том числе точек на поверхности земли, достигают больших значений, и представляют опасность для человека. Значение потенциалов, их разностей и характер изменений, а, следовательно, и обусловленная ими опасность поражения человека током зависят от многих факторов:

-значения тока, стекающего в землю;

-конфигурации, размеров, числа и взаимного расположения электродов;

-удельного сопротивления грунта и др.

Воздействуя на некоторые из этих факторов можно снизить разности потенциалов, действующие на человека, до безопасных значений.

Заземлитель с полусферическим электродом. Заземлитель с полусферическим электродом – заземлитель со сферическим электродом, заглубленный так, что его центр находится на уровне земли (рис. 1).

5

Рис. 1. Распределение потенциала на поверхности земли вокруг заземлителя с полусферическим электродом

Для такого заземлителя уравнение потенциальной кривой на поверхности земли будет равно:

	ϕ з =	I з	.	(2)
		2πx

Потенциал заземлителя φз, будет при х, равном радиусу заземлителя r, т. е.

ϕ з =	Iз p				.	(3)
Разделив (2) на (3), получим	2πr
ϕ = ϕ		r	l	.		(4)
	з		x

Напряжение прикосновения. Напряжение прикосновения для человека, касающегося заземленного корпуса электрооборудования и стоящего на земле (случай 3 на рис. 2), определяется отрезком АВ и зависит от формы потенциальной кривой и расстояния х между человеком и заземлителем (чем дальше от заземлителя находится человек, тем больше Uпр и наоборот). Так, при наибольшем расстоянии, т. е. при х → ∞, практически при х ≥ 20 м (случай 1 на рис. 2) напряжение прикосновения имеет наибольшее значение: Uпр = φз; при этом коэффициент прикосновения α1 = 1. Это – наиболее опасный случай прикосновения.

При наименьшем значении х, т. е. когда человек стоит непосредственно на заземлителе (случай 2 на рис. 2), Uпp = 0 и α1 = 0. Это – безопасный случай, так как человек не подвергается воздействию напряжения, хотя он и находится под потенциалом заземлите-

ля φз.

При других значениях х в пределах 0–20 м (случай 3 на рис. 2) Uпр плавно возрастает от 0 до φз, а α1 – от 0 до 1.

6

Рис. 2. Напряжение прикосновения при одиночном заземлителе:

I – потенциальная кривая; II – кривая, характеризующая изменение Uпр при изменении х

В практике устройства защитных заземлений необходимо знать максимальные напряжения прикосновения.

Для примера проанализируем изменение Unp и α1, при одиночном полусферическим заземлителе радиусом r. В этом случае потенциал любой точки на поверхности земли вокруг заземлителя описывается уравнением φ = rφз/х, поэтому

Uпп = ϕ3 −	ϕ3r	= ϕ3			−	r		,	(5)
	х			1
						x
а коэффициент прикосновения
α = 1−		r	,						(6)
1		x

При х → ∞, а практически при х ≥ 20 м (случай 1 на рис. 2) ≈ 0 x r . Напряжение прикосновения и коэффициент прикосновения будут иметь максимальные значения:

Unp max = φз; α1 = 1.

При x = r (случай 2 на рис. 2) x r = 1, поэтому Unp = 0 и α1 = 0.

При промежуточных значениях х от r до 20 м Unp и α1 определяются из выражения

(5) и (6).

Шаговое напряжение. Шаговое напряжение возникает между ногами человека вследствие не равномерного распределения потенциала заземлителя по земле (рис. 3). Точка касания ноги расположенная ближе к заземляющему электроду будет иметь больший потенциал, по сравнению с более удаленной. Следовательно, между двумя точками касания на расстоянии шага (0,8 м) существует разность потенциала. Эта разность и называется шаговым напряжением.

Величина шагового напряжения зависит от величины шага и от расстояния х от заземлителя. Шаговое напряжение для полусферического электрода можно найти по следующему выражению:

rφ3			rφ3				rφ3a
Uш = ϕ − ϕα =			−		+ a	=		(x + a) .	(7)
	x						x
			x
			7

Как видно, Uш1 > Uш2 если расстояние от заземлителя больше. Следовательно, по мере удаления от места замыкания шаговое напряжение уменьшается. Шаговое напряжения на расстоянии 10…20 м от места замыкания практически не представляет опасность.

Рис. 3. Шаговое напряжение

Рис. 4. Электрическая схема соединений

Порядок выполнения работы и содержание отчета

1.Используйте первоначально в эксперименте модель А6 заземлителя с полусферическим электродом.

2.Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.

3.Соедините гнезда защитного заземления «» устройств, используемых в эксперименте, с гнездом «РЕ» источника G1.

4.Соедините аппаратуру в соответствии с электрической схемой соединений.

8

5.Включите источник G1 и питание блока мультиметров Р1.

6.При заданных сопротивлениях грунта p (20, 40, 100, 300, 700 Ом.м) модели заземлителя А6, снимите с помощью вольтметра блока Р1 зависимости: потенциала основания электрооборудования φосн = f (x) (вольтметр включать между гнездом «┴» и гнездами, соответствующим расстоянию х), напряжения прикосновения Uпр = f(x) (вольтметр включать между гнездом «0» и гнездами, соответствующими расстоянию х), шагового

напряжения Uш = f(х) (вольтметр включать между соседними гнездами, соответствующими расстоянию х).

7.Ток стекания в землю контролируйте с помощью амперметра блока Р1. Он не должен превышать 0,5!

8.По завершении эксперимента отключите источник G1 и питание блока мультиметров P1.

9.Оформите таблицу всех полученных зависимостей для формирования выводов о влиянии на электробезопасность типа заземлителя, удельного сопротивления грунта, в котором он заложен, и расстояния от заземлителя до места установки защищаемого электрооборудования.

Таблица 1

Результаты зависимостей, характеризующих явления при стекании тока в землю через защитный заземлитель с полусферическим электродом

	Потенциал основания				Напряжение			Шаговое напряжение
	электрооборудования				прикосновения
p, Ом.м	Х, м	U, кВ	I, mA	Х, м		U, кВ	I, mA	Х, м	U, кВ	I, mA
20	0,8			0,8				0,8-1,6
	1,6			1,6				1,6-2,4
	…			….				…
	12,0			12,0				11,2-12,0
40	0,8			0,8				0,8-1,6
	1,6			1,6				1,6-2,4
	…			….				…
	12,0			12,0				11,2-12,0
100	0,8			0,8				0,8-1,6
	1,6			1,6				1,6-2,4
	…			….				…
	12,0			12,0				11,2-12,0
300	0,8			0,8				0,8-1,6
	1,6			1,6				1,6-2,4
	….			….				….
	12,0			12,0				11,2-12,0
700	0,8			0,8				0,8-1,6
	1,6			1,6				1,6-2,4
	….			….				….
	12,0			12,0				11,2-12,0

9

Контрольные вопросы

1.Назовите причину возникновения шагового напряжения?

2.Как распределяется потенциал на поверхности грунта в зоне растекания тока с заземляющего электрода?

3.На каком расстоянии начинается «земля» с нулевым потенциалом?

4.Как зависит напряжение прикосновения заземленного корпуса от расстояния от места замыкания на землю при использовании заземлителя с полусферическим электродом?

5.Как влияет величина напряжения прикосновения на величину сопротивления растеканию заземляющего устройства?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Определение зависимостей, характеризующих явления при стекании тока в землю через защитный заземлитель (заземлитель с вертикальным трубчатым электродом)

Цель работы: изучить зависимости, характеризующие явления при стекании тока в землю через заземлитель с вертикальным трубчатым электродом.

Задание: проанализировать полученные результаты и сделать вывод о зависимостях, характеризующих явления при стекании тока в землю через защитный заземлитель.

Краткие теоретические сведения

Рассмотрим заземлитель с вертикальным трубчатым электродом длиной l, и диаметром d, погруженный в землю так, чтобы его верхний конец был на уровне земли (рис. 5).

Рис. 5. Определение уравнения потенциальной кривой заземлителя

свертикальным трубчатым электродом

Сзаземлителя стекает ток I3. Найдем выражение для расчета потенциала точек на поверхности земли и потенциала заземлителя.

Разбиваем заземлитель по длине на бесконечно малые участки каждый длиной dy и

диаметром dy.

10