Описание лабораторного стенда

Исследование свойств защитного заземления и зануления осуществляется на универсальном лабораторном стенде, позволяющему моделировать трехфазную сеть 220/380 В, 50 Гц. В состав стенда входят тумблер «Сеть», переключатели R_о, R_З1, R_З2, z, необходимые для задания соответствующих параметров; тумблеры R_h1, R_h2 для задания значений электрического сопротивления тела человека; тумблеры ЗМ1, ЗМ2, ЗМЗ для имитации замыкания фаз 1 и 2 на корпуса ЭО1, ЭО2 и случайного замыкания фазы 1 на землю. Значение сопротивления случайного замыкания на землю R_ЗМЗ = 60 Ом.

В состав стенда входят также переключатели R_Н, K, с помощью которых можно задавать значения R_Н1 = kR_Н, R_Н2 = (1-k)R_Н и R_Ф1 = kR_Ф, R_Ф2 = (1-k)R_Ф, где R_Ф = 0,5 Ом. Тумблеры R_H1 и R_H2 стенда позволяют при разомкнутых контактах (положение «Р») обеспечивать R_H1 à ∞ и R_H2 à ∞.

Измеритель напряжения и тока стенда содержит стрелочный прибор I_о, переключатели «Измеряемый параметр» и M, N масштабов измерения.

Отсчет ведется в действующих значениях напряжения и тока.

 

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Цель работы – изучение возможностей обеспечения электробезопасности при использовании защитного заземления и экспериментальное исследование его свойств в трехфазной сети переменного тока напряжением до 1 кВ.

Теоретическая часть

Ознакомиться с разделом «Основные сведения о защитном заземлении и занулении».

Защитное заземление – одна из мер защиты при косвенном прикосновении, при которой ОПЧ соединяют с заземляющим устройством. В ЭУ напряжением до 1 кВ защитное заземление применяют в сети с изолированной нейтралью (ИН). Такую сеть следует применять в случае недопустимости перерыва питания (срабатывания аппарата защиты) при первом (однофазном) замыкании на землю (заземленную ОПЧ). Однако при аварийном режиме напряжение на исправной фазе сети близко к линейному напряжению, что опасно. Поэтому защитное заземление в сети с ИН применяются в сочетании с автоматическим контролем изоляции сети для быстрого обнаружения и устранения неисправности.

Принцип действия защитного заземления состоит в снижении напряжений прикосновения и шага в зоне защиты до условно безопасных значений.

При использовании выносного заземляющего устройства ОПЧ (корпус ЭО) находится вне зоны растекания тока в земле. В этом случае потенциалы точек земли под человеком – нулевые, напряжение шага равно нулю, а напряжение прикосновения U_пр в худшем случае равно напряжению U_k, действующему на ОПЧ относительно земли.

В сети с ИН напряжением до 1 кВ ток замыкания фазного проводника на землю I_зм принципиально ограничен, обычно не превышает 1 – 2 А, а чаще составляет десятки или сотни миллиампер.

Поэтому снизить напряжение U_пр до приемлемого значения можно, подключив ОПЧ к заземляющему устройству с малым (например, единицы ом) сопротивлением R_з.

Согласно ПУЭ достаточно обеспечить R_з ≤ 10 Ом при мощности источника питания до 100 кВ*А и R_з ≤ 4 Ом в любом случае.

На рис.1 представлена обобщенная схема для случаев замыкания фаз 1 и 2 на корпуса электрооборудования ЭО1, ЭО2 и фазы 1 на землю через эквивалентное сопротивление R_зм случайного замыкания.

На рис.1 приняты следующие обозначения: R_ф1, R_ф2 – сопротивления фазных проводников (ФП) на участках соответственно от выводов источника питания (ИП) до ЭО1 и от ЭО1 до ЭО2; Н – нейтраль ИП; R₃₁ и R₃₂ – заземляющих устройств, подключенных к корпусам ЭО1 и ЭО2; R_Н2 – сопротивление защитного проводника уравнивания потенциалов на участке между корпусами ЭО1 и ЭО2 (если корпуса не соединены, то R_Н2 → ∞); R_h – электрическое сопротивление тела человека; R_зм – эквивалентное сопротивление случайного замыкания ФП на землю (обычно десятки и сотни ом); R₀ – сопротивление заземления нейтрали источника питания (в сети с ИН R₀ → ∞); Z – комплексное сопротивление параллельного соединения емкости изоляции С и активного сопротивления R изоляции фазы относительно земли; F₁ , F₂ – аппараты, защиты например плавкие предохранители.

Рис.1

Комплексное сопротивление изоляции фазы z=R/(1+jωRC), где ω=2πf, f – частота сети. Качество изоляции характеризуется модулем этого сопротивления , который в сети с ИН обычно составляет не менее единиц килоом. Так как в симметричной трехфазной сети векторная сумма фазных напряжений равна нулю, то с учетом равенства их модулей и взаимного фазового сдвига 120 градусов, от схемы рис.1 можно перейти к обобщенной эквивалентной схеме рис.2, используемой для анализа основных свойств защитного заземления. В схеме рис.2 Z/3 – эквивалентное комплексное сопротивление изоляции фаз, представленное к нейтрали ИП.

Характерные значения параметров элементов схемы рис.2: R_h – единицы кОм; R_31, R_32, R₀ – единицы Ом; R_H2, R_φ= R_φ1+R_φ2 – не более десятых долей Ом; |Z|/3=z/3 – не менее сотен Ом, чаще более единиц кОм.

1. Анализ действия защитного заземления при однофазном замыкании на корпус (ОП4) ЭО1 и при отсутствии его соединения c корпусом ЭО2 (R_Н2 → ∞).

При анализе следует учитывать, что в сети с ИН напряжением до 1кВ электрооборудование при замыкании фазного проводника на его корпус может продолжать функционировать, поэтому ток I_h действует в течение времени t > 1 с. Обозначим Ů₁ = U, U_л = | Ů₁ – Ů₂ |, и рассмотрим ряд характерных случаев.

1.1. Сеть с ИН (R₀ à ∞), корпус ЭО1 подключен к заземляющему устройству с сопротивлением R_З1.

Так как R_Ф1 << R_З1, то от схемы на рис. 2 можно перейти к схеме рис.3 из которой следует, что при R_h1 >> R_З1, ток I_ЗМ1= I_З1 = U/| R_З1 + Z/3|. С учетом того, что R_З1 << |Z/3|, а |Z/3| = z/3, получаем I_ЗМ1 = 3U/z; U_К1 = U_ПР = I_ЗМ1R_З1 = 3UR_З1/z; I_h1 = U_ПР/ R_h = 3UR_З1/zR_h.

Если ввести коэффициент a = (z/3)/R_h, то (z/3) = aR_h1; I_h1 = UR_З1/(aR_h²).

1.2. Сеть с ИН, корпус ЭО1 не подключен к заземляющему устройству (R_З1 à ∞).

Для этого случая от схемы рис. 2 переходим к схеме рис. 4, из которой можно определить ток I_ЗМ1 = I_h1. При заданном значении модуля z комплексного сопротивления изоляции Z значение тока I_h1 будет находиться в пределах от I_h1 = U/(R_h1 + z/3) = U/(R_h1(1 + a)) при z = R (C = 0) до при .

Анализ показывает что при одном и том же значении z больший ток I_h1 соответствует емкостному характеру сопротивления изоляции, что справедливо для кабельных линий большой протяженности и в случае больших емкостей изоляции нагрузок сети. Определим напряжение на корпусе оборудования, к которому прикасается человек: U_К1 = U/(1+a) при z= R (C = 0) и U_К1) при z = (R à∞). Анализ значений токов I_h1, протекающих через тело человека в схемах рис.3 и рис.4, приводит к выводу о том, что применение заземления корпуса ЭО1 по сравнению со случаем его отсутствия позволяет уменьшить ток I_h1 в (R_h1/R_З1)*(a/1+a) раз при z= R(c=0) и в раз при . Если а >>1, т.е. R _h1 << (z/3), то ток I_h1 может уменьшиться в R_h1 /R_З1 раз.

1.3. Случай ошибочного применения защитного заземле-ния в сети с ГН (система ТТ).

Так как R₀ << z/3, от схемы рис. 2 переходим к схеме рис. 5, откуда, учитывая, что R_h1 >> R_З1 определяем I_ЗМ1=I_З1=U/(R₀+R_З1);

U_К1=I_ЗМ1R_З1=UR_З1/(R₀+R_З1);

I_h1=U_К1/R_h1= UR_З1/((R₀ + R_З1)R_h).

Например, при U = 220 В, R₀ = 4 Ом, R_З1 = 10 Ом имеем U_К1=U_ПР = 157 В. Вместе с тем, ток I_ЗМ1 = 15,7 А может оказаться недостаточным для срабатывания аппарата защиты, поэтому опасное напряжение 157В действует длительно и защитное заземление не обеспечивает безопасности человека. Поэтому в системе ТТ должно быть выполнено автоматическое отключение питания с обязательным применением устройств защитного отключения.

2. Анализ действия защитного заземления в сети с ИН при одновременном замы-кании фаз 1, 2 на корпуса ЭО1, ЭО2 (двухфазное замыкание).

2.1. Корпуса ЭО1, ЭО2 не соединены между собой (R_Н2 à ∞), но подключены к заземляющим устройствам с сопротивлениями R_З1, R_З2.

В этом случае с учетом соотношений R_З1, R_З2 << z/3, R_Ф1, R_Ф << R_З1, R_З2 от схемы рис. 2 можно перейти к схеме рис. 6.

Так как R_h1, R_h2 << R_З1, R_З2, то

I_ЗМ= U_Л/(R_З1 + R_З2); U_К1 = I_ЗМR_З1;

U_К2 = I_ЗМR_З2; I_h1 = U_К1/R_h1; I_h2 = U_К2/R_h2.

Например, если U=220 В, U_Л = 380 В, R_З1 = R_З2 = 10 Ом, то I_ЗМ=19 А; U_К1 = U_К2 = 190 В.

Недопустимо большие значения напряжений U_К1, U_К2 могут существовать длительно, так как при токе I_ЗМ = 19 А аппараты защиты в цепи нагрузок достаточно большой мощности не срабатывают. Для уменьше-ния опасности двухфазного замыкания корпуса ЭО, питающегося от одного источника, подключают к единой магистрали заземления, используя метод уравнивания потенциалов. В этом случае двухфазное замыкание превращается в короткое замыкание между фазами и из-за срабатывания одного из аппаратов защиты наступает режим однофазного замыкания.

2.2. Корпуса ЭО1, ЭО2подключены к магистрали заземления с сопротивлением R_Н2 на участке между ними.

Для анализа от схемы рис. 2 переходим к схеме рис. 7 с учетом того, что R_З1, R_З2 << z/3, а значения R_Ф1, R_Ф = R_Ф1 + R_Ф2, R_H2 – соизмеримы. Так как R_H2 << R_З1, R_З2, то из рис. 7 определяем ток

I_КЗ=U_Л/(R_Ф1 + R_Ф + R_Н2);

U_Н2 = I_КЗR_Н2 = U_ЛR_Н2/(R_Ф1 + R_Ф + R_Н2).

Например, при U_Л=380В, R_Ф1 = 0,1 Ом, R_Ф = R_Н2 = 0,2 Ом, ток I_КЗ=380/(0,1 + 0,2 + 0,2) = 760 А. Такой ток короткого замыкания приводит к надежному срабатыванию аппарата защиты с меньшим номинальным током, и двух-фазное замыкание превра-щается в однофазное. При этом защитное заземление обеспечивает условия безопа-сности. До момента срабаты-вания аппарата защиты

U_К1=U_Н2R_З1/(R_З1 + R_З2); I_h1 = U_К1/ R_h2 ; U_k2=U_H2 R_З2 /(R_З1+R_З2); I_h2 =U_k2 /R_h2

Пусть R_З1 = R_З2 = 10 Ом, тогда при выбранных ранее значениях параметров R_Ф1, R_Ф и R_Н2 можно найти напряжения

U_Н2 = 760∙0,2 = 152В; U_К1 = U_К2 = 74 В.

Отсюда следует, что даже при существовании двухфазного замыкания напряжения U_К1, U_К2 значительно меньше напряжений, действовавших в случае отсутствия соединения корпусов ЭО1, ЭО2 (см. п. 2.1).

С учетом быстрого автоматического отключения аппарата защиты требования электробезопасности могут быть выполнены.

Экспериментальная часть

Ознакомиться с описанием лабораторного стенда (см. «Общие сведения о защитном заземлении и занулении»). Зависимости исследуются при значениях параметров, приведенных на стенде в таблице вариантов.

Порядок выполнения работы

1. Включить стенд тумблером «Сеть, при этом должна загореться сигнальная лампа.

2. Измерить фазное U и линейное напряжение U_Л, пользуясь переключателем «Измеряемый параметр».

3. Исследовать свойства защитного заземления в сети с ИН (R₀ à ∞) при замыкании фазы 1 на корпус ЭО1 (см. рис. 3). Для этого поставить тумблеры R_Н1, R_Н2, ЗМ2, ЗМЗв положение «P», а тумблер ЗМ1 – в положение «З».

Снять зависимости U_К1 = f(R_З1), I_ЗМ1 = f(R_З1), I_ЗМ1 = f(z).

4. Для случая (см. рис. 4), когда корпус ЭО1 не заземлен (R_З1 à ∞), снять зависимости U_К1 = f(z), I_ЗМ1 = f(z). Установить значение Z по варианту задания и измерить U_К1, I_ЗМ1 при значении R_h1=1 кОм. Перевести тумблер ЗМЗ в положение «З» и измерить U_К1, I_ЗМ1 при R_З1 à ∞ и его заданном значении.

5. Исследовать опасность поражения током в случае ошибочного применения защитного заземления в сети с ГН (см. рис. 5). Для этого установить значение R₀ по варианту задания и снять зависимости U_К1 = f(R_З1), I_ЗМ1 = f(R_З1).

6. Исследовать опасность двухфазного замыкания на не соединенные друг с другом корпуса ЭО1, ЭО2(см. рис. 6).

Для этого перевести тумблер ЗМ2 в положение «З», тумблер R_Н2 оставить в положении «P» (R_Н2 à ∞), установить переключателем значение k по варианту задания (R_Ф1=kR_Ф, R_Ф =0,5 Ом). Измерить значение U_k1, I_ЗМ1, U_k2, I _ЗМ2 при заданном значении R_З2 и для случая, когда корпус ЭО2 не подключен к заземляющему устройству (R_З2 à ∞)

7. Соединить корпуса ЭО1 и ЭО2 (см. рис. 7), для чего переключить тумблер R_Н2 в положение «З». Установить значения К и R_Н по варианту задания (R_Н2 = R_Н(1 – k)) и измерить значения U_К1, I_ЗМ1, U_К2, I_ЗМ2 для случаем, когда корпус ЭО2 дополнительно не заземлен (R_З2 à ∞) и заземлен через заданное сопротивление R_З2.

Содержание отчета

1. Эквивалентные схемы и на их основе расчет точек экспериментальных зависимостей при значениях параметров, указанных в таблице вариантов.

2. Таблицы и графики экспериментальных зависимостей, выводы об опасности поражения током по каждому пункту.

Сравнивая расчетные и экспериментальные данные, сделать вывод о характере сопротивление изоляции (емкостный, активный).

3. Анализ возможных отклонений расчетных и опытных данных.

Контрольные вопросы и задания

1. Основные термины и определения электробезопасности.

2. Принцип действия, область и особенности применения защитного заземления.

3. Объяснить, почему в системе ТТ для обеспечения безопасности работающих применяют не защитное заземление, а автоматическое отключение питания.

4. Показать, в чем проявляется опасность двухфазного замыкания на заземленные корпуса оборудования при отсутствии их электрического соединения с целью уравнивания потенциалов.

5. Оценить, при каком значения сопротивления R_ЗМ случайного замывания фазы сети с ИН на землю напряжение на заземленном корпусе ЭО, замкнутом на другую фазу сети, будет меньше длительного допустимого значения, если U = 220В, мощность источника питания 250 кВ∙А, а R_З удовлетворяет требованиям ПУЭ.

6. Рассчитать, во сколько раз изменятся значения U_ПР, I_h, если в режиме однофазного замыкания на корпус ЭО произошел обрыв заземляющего проводника. Значения параметров: R_h = 1 кОм, R = 9 кОм, C = 0, U = 220 В, R_З соответствует требованиям ПУЭ при мощности источника питания до 100 кВ∙А.

Лабораторная работа №2