Указания по технике безопасности. Оценка эффективности системы зануления

Лабораторная работа №4

Оценка эффективности системы зануления

Цель работы

Оценить эффективность системы зануления в трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В.

 

Содержание работы

1. Оценить эффективность системы зануления в сети без повтор­ного заземления нулевого защитного проводника.

2. Оценить эффективность системы зануления в сети с повтор­ным заземлением нулевого защитного проводника.

3. Оценить эффективность повторного заземления при обрыве нулевого защитного проводника.

Зануление

Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) защитное зануление в электроустановках напряжением до 1 кВ это преднамеренные соединения открытых проводящих частей с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, выполняемое в целях электробезопасности.

Рис.1. Принципиальная схема зануления

 

Иными словами, занулением называется преднамеренное электрическое соедине­ние нетоковедущих металлических частей электроустановки, которые могут оказать­ся под напряжением вследствие замыкания фазы на корпус, с зазем­ленной нейтральной точкой обмотки источника тока. Это соединение осуществляется с помощью нулевого защитного проводника (PE-проводника).

Наиболее широкая область применения зануления – трехфазные четырехпроводные сети напряже­нием до 1000 В с глухозаземленной нейтралью).

Принципиальная схема зануления показана на рис. 1.

I Н

Принцип действия зануления – превращение замыкания на кор­пус в однофазное короткое замыкание (КЗ) (т.е. КЗ между фазным и нулевым защитным проводниками) с целью вызвать ток короткого замыкания I_к, способный обеспечить срабатывание максимальной токовой защиты и тем самым автоматически отключить поврежденную электроустановку от питающей сети.

В качестве такой защиты используются плавкие предохранители или автоматические выключатели, устанавливаемые в цепи питания электроустановок.

Рис.2. Эквивалентная схема замещения сети

 

На рис.2 представлена эквивалентная схема зануле­ния. На этой схеме: Z_Т, Z_ф, Z_н – полные сопротивления транс­форматора, фазного и нулевого защитного проводников; Х_П – внешнее индуктивное сопротивление петли фаза-нуль. С целью упрощения схемы соп­ротивлениями Z_Т, Х_ф, Х_н, Х_П можно пренебречь. В дальнейшем при рассмотрении теоретической части и примеров расчета принимаем, что фазный и нулевой защитный проводники об­ладают лишь активными сопротивлениями R_ф, R_н.

В период с момента возникновения замыкания на корпус и до отключения поврежденной электроустановки все зануленные корпуса оказываются под напряжением относительно земли. Безопасность обеспечивается достаточно быстрым отключением поврежденной элект­роустановки с тем, чтобы при данной длительности воздействия ток через человека и напряжение прикосновения не превысили допусти­мых значений (табл. 1). Кроме того, в указанный период напряже­ние корпуса относительно земли снижается благодаря наличию пов­торного заземления нулевого защитного проводника (НЗП).

 

Таблица 1

Предельно допустимые значения напряжений прикосновения U_пр и токов I_h при аварийном режиме производственных электроустановок напряжением до 1000В

(ГОСТ 12.1.038-82)

Время действия тока, с	0,01¸ 0,08	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	более 1,0
Uпр, В
Ih, мА

 

Если повторное заземление НЗП отсутствует, то при замыкании одного из фазных проводников на корпус второй электроустановки (рис.3) напряжение этого корпуса относительно земли U_з2, B, так же, как и всего участка нулевого защитного проводника за местом замыкания (вправо от точки Б), будет равно падению напряже­ния в нулевом защитном проводнике на участке О-Б.

, (1)

где - ток короткого замыкания, проходящий по петле «фаза-нуль», А;

- фазное напряжение сети, В.

Из формулы (1) видно, что при увеличении сопротивления НЗП напряжение на корпусе возрастает. На практике сечение НЗП выбирается в зависимости от сечения фазного проводника. При сечениях фазного проводника выше 35 мм², сечение НЗП может выбираться в 2 раза меньше сечения фазного проводника.

Тогда, согласно формуле (1) , а . Например, в сети с напряжением 380/220 В при напряжение относительно земли всех зануленных корпусов электроустановок за местом замыкания со­ставит = 147 В. При времени действия электрического тока более 0,4 с это напряжение создает реальную опасность пораже­ния людей (табл.1).

Если же нулевой защитный проводник будет иметь повторное за­земление с сопротивлением , то при замыкании фазного проводника на корпус электроустановки напряжение снизится до значения

,

где - ток, стекающий в землю через сопротивление , А;

- сопротивление заземления нейтрали, Ом.

При этом нейтральная точка приобретает некоторое напряжение относительно земли , равное

В данном случае напряжение вычисляется по формуле , где - ток, протекающий по НЗП, А. Этот ток является частью тока , другая часть которого протекает через землю.

Учитывая, что значительно больше r _Н, и, следовательно, , принимаем, что = ; тогда .

 

На рис.3 показано распределение напряжения нулевого защит­ного проводника по его длине в сети без повторного заземления (I) и с повторным его заземлением (II) при . Графики распределения напряжения вдоль НЗП при замыкании фазы на какой-либо из зануленных корпусов позволяют определять напряжения относительно земли всех электроустановок, входящих в данную систему зануления.

При случайном обрыве НЗП, не имеющего повторного заземления, и замыкании фазы на корпус за местом обрыва напряжение относи­тельно земли оборванного участка нулевого проводника и всех при­соединенных к нему корпусов, в том числе корпусов исправных элек­троустановок, окажется равным фазному напряжению сети. Это нап­ряжение будет существовать длительно, поскольку поврежденная электроустановка автоматически не отключится и ее будет трудно обнаружить, чтобы отключать вручную.

Если же НЗП будет иметь повторное заземление, то при его об­рыве, например, между корпусами 1 и 2 (рис.3), через будет стекать ток в землю, благодаря чему напряжение зануленного корпуса 2 и других корпусов, находящихсяза местом обрыва, сни­зится до значения

 

Рис.3. Распределение напряжения нулевого защитного проводника относительно земли по его длине при замыкании фазына корпус:

I - без повторного заземления; II - с повторным заземлением

 

Однако при этом корпуса электроустановок, присоединенных к нуле­вому защитному проводнику до места обрыва, приобретут напряже­ние относительно земли

Следовательно, повторное заземление НЗП уменьшает опасность поражения током, возникшую в результате его обрыва и замыкания фазного проводника на корпус электроустановки за местом обрыва, но не устраняет ее полностью.

В сети, где применяется зануление, нельзя заземлять корпус электроустановки, не присоединив его к нулевому защитному про­воднику. В тоже время одновременное зануление и заземление одного и того же корпуса, а точнее заземление зануленного корпуса, не только не опасно, а, наоборот, улучшает условия безопасности.

 

Экспериментальная часть

Применяемое оборудование

Лицевая панель стенда представлена на рис.4. В работе моделируется сеть с глухозаземленной нейтралью и системой заземлении TN-S.

Подключение потребительской сети к трансформатору осуществляется кнопкой «Вкл». Два электроприемника подключаются к сети через автоматические выключатели АВ1 и AB2 (в дальнейшем автоматы)

Рис. 4. Лицевая панель стенда

 

При включении автоматов загорается зеленый светодиод, при отключении – красный. Нажатием кнопок В₁ и В₂ автоматы вводятся в рабочее состояние. Замыкание фазного проводника на корпус электроприемника осуществляется кнопками К₁ и К₃. При этом амперметром фиксируется ток короткого замыкания, а электронным секундомером время срабатывания автоматической защиты.

Для повторного заземления нулевого проводника используется кнопка К₂. Сопротивление повторного заземления устанавливаются кнопкой К₄. Схема позволяет также моделировать обрыв нулевого проводника между двумя электроприемниками. Ток, стекающий в землю через повторный заземлитель, фиксируется амперметром.

Для измерения напряжений служат вольтметры: U₀ – напряжение нейтрали относительно земли; U₁ и U₂ – напряжения корпусов электроприемников относительно земли; U_П – напряжение на повторном заземлителе.

 

От момента короткого замыкания до «обнуления» показаний приборов проходит 30 секунд.

Указания по технике безопасности

1. Во время работы запрещается оставлять без надзора включённый стенд.

2. При обнаружении в стенде какой-либо неисправности необходимо прекратить работу, отключить стенд и сообщить о случившемся преподавателю или лаборанту.

Порядок проведения работы

1. Оценка эффективности системы зануления в сети без повтор­ного заземления нулевого защитного проводника.

1.1. Подготовить табл. 2 для записи результатов измерений.

1.2. Включить автоматы защиты (нажатием кнопок В₁ и В₂).

1.3. Нажатием на кнопку К₄ отключить повторное заземление R_П от нулевого проводни­ка.

1.4. Нажатием кнопки К₁ замкнуть фазный проводник на корпус первой электроустановки.

1.5. Определить время срабатывания (t_ЗАЩ) автоматов защиты, ток короткого замыкания (I_К) и напряжения (U₀, U₁, U₂, U_З).

1.6. Полученные данные занести в табл. 2.

1.7. Аналогично произвести замыкание фазного проводника на корпус второй электроустановки (нажатием на кнопку К₃).

1.8. Определить время срабатывания (t_ЗАЩ) автоматов защиты, ток короткого замыкания (I_К) и напряжения (U₀, U₁, U₂, U_З).

1.9. Результаты измерений занести в табл.2.

1.10. По табл. 1 определить предельно допустимые напряжения прикосновения.

1.11. Отключить стенд.

 

Таблица 2

Наличие повторного заземления НЗП	Замыкание на корпус	Время срабатывания защиты, t ЗАЩ, мс	Ток короткого замыкания, I К, А	Напряжение относительно земли	Предельно допустимое напряжение прикосновения, U ПР.ДОП., В
нейтра-льной точки источника, U 0, В	корпусов	точка нулевого проводника, находящаяся за вторым корпусом, U З, В
U 1, В	U 2, В
Без повторного заземления	Корп.1
Корп.2