Рассмотрим ряд случаев, характерных для зануления.

Случай 1. Фаза 2 замкнута на корпус ЭО2, корпус ЭО1 не заземлен (R_З1 à ∞), замыкание фазы 1 на землю отсутствует (R_ЗМ à ∞). Влиянием сопротивлений R_h1, R_h2 пренебрегаем, так как они во много раз больше сопротивлений R₀, R_Ф. Кроме того, сопротивление R_Ф чаще пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлениями R₀, R_З2. Поэтому, обозначив R_З = R_З2, U_К = U_К2, R_Н = R_Н1 + R_Н2, от схемы рис. 1 можно перейти к эквивалентной схеме рис. 2, откуда находим:

I_КЗ = I_ЗМ2 = U/(R_Ф + R_Н);

U_Н = I_КЗR_Н = UR_Н/(R_Ф + R_Н);

U_К=U_НR_З/(R₀+R_З) = UR_НR_З/((R_Ф + R_Н) *(R₀+R_З));

U₀ = U_Н – U_К.

Из формул следует, что, если корпус ЭО2 не заземлен, то U_К = U_Н, U₀ = 0. Если НЗП оборван (R_Н à ∞), то I_КЗ = 0, U_Н = U, а ток I_ЗМ2 = U/(R₀ + R_З) мал, и аппарат защиты может не сработать. Поэтому длительно действуют опасные напряжения U_К = R_ЗI_ЗМ2 = UR_З/(R₀ + R_З) и U₀ = U - U_К, а при отсутствии заземления корпуса ЭО2 (R_З à ∞)

U_К= U, U₀ = 0.

Анализ показывает, что опасность поражения снижается при уменьшении сопротивления R_Н НЗП. Заземление корпуса ЭО2 также уменьшает напряжение U_К, особенно при обрыве НЗП, но при этом возрастает напряжение U₀ на нейтрали, а к ней могут быть подключены корпуса ЭО, питающегося по другим линиям. Поэтому в лучшем случае при R₀ = R_З люди, работающие с ЭО, попадут под одинаковое напряжение U_К = U₀ = U_Н/2.

Случай 2. Зануление при случайном замыкании фазы на землю (фаза 1 на рис. 1). Замыкания фаз на корпуса ЭО1, ЭО2 отсутствуют. Для упрощения анализа полагаем, что корпуса ЭО1, ЭО2 не заземлены (R_З1 à ∞, R_З2 à ∞)), R_h1=R_h2=R_h.

С учетом этого от схемы рис. 1 переходим к схеме рис. 3. В сети с ГН сопротивления R₀, R_Н1, R_Н2 пренебрежимо малы по сравнению с сопротивлением R_h тела человека, что позволяет определить из рис. 3: U₀ = U_К1= U_К2 = UR₀/(R₀ + R_ЗМ). Напряжения действуют длительно до момента устранения повреждения линии. На практике обычно выполняется соотношение R_ЗМ >> R₀, поэтому напряжения U₀, U_К1, U_К2 меньше напряжения U_ПД, допустимого согласно ГОСТ 12.1.038-82 при времени воздействия тока t>1с. Таким образом, назначение заземления нейтрали состоит в уменьшении напряжения относительно земли на зануленных корпусах ЭО до длительно допустимого значения при случайном замыкании фазы на землю.

Если зануление ошибочно использовали в сети с ИН, где R₀ à ∞, R_З1 à ∞, R_З2 à ∞, то, как следует из рис. 3, U₀ = U_К1 = U_К2 = UR_h/(R_h + 2R_ЗМ). В худшем случае R_h >> 2R_ЗМ, поэтому напряжения на нейтрали и корпусах ЭО1, ЭО2 близки к фазному напряжению сети U и действуют длительно, что очень опасно. Поэтому согласно ПУЭ запрещено использовать зануление в сети с ИН, а глухое заземление нейтрали является обязательным при использовании зануления.

Случай 3. Вдоль кабельной линии питания расположены зануленные корпуса исправного ЭО1 и поврежденного ЭО2 (фаза 2 замкнута на корпус ЭО2) оборудования, замыкание фазы 1 на землю отсутствует (см. рис. 1), т. е. R_ЗМ à∞. Оценим зависимость напряжений U₀, U_К1, U_К2, действующих до момента отключения ЭО2, от коэффициента k=R_Н1/R_Н = R_Н1/(R_Н1 + R_Н2), характеризующего в случае линии питания с одинаковыми параметрами расположение ЭО1 на участке сети от ИП до ЭО2 (0 ≤ k ≤ 1). Влиянием сопротивления тела человека R_h пренебрегаем, так как оно несоизмеримо больше сопротивлений R₀, R_Ф, R_Н. С учетом этого от схемы рис. 1. переходим к эквивалентной схеме рис. 4, где R₁ = R_З1; R_З2 = R₂; U₁ = U_K1; U₂ = U_K2.

Для определения напряжений U₀, U₁, U₂ при заданных значениях параметров схемы рис. 4 можно воспользоваться следующей методикой.

Применяя эквивалентное преобразование «звезда» – «треугольник» переходим от схемы рис. 4 к схеме рис. 5, где

R₁₂ = R_Н1 + R_Н2 + R_Н1R_Н2/R₁;

R₁₃ = R_Н1 + R₁ + R_Н1R₁/R_Н2;

R₂₃ = R_Н2 + R₁ + R_Н2R₁/R_Н1.

Так как R_Н1=kR_Н, R_Н2=(1-k)R_Н, то R₁₂ = R_Н(1 + k(1-k)R_Н /R₁);

R₁₃ = kR_Н + R₁/(1-k);

R₂₃ = (1-k)R_Н + R₁/k.

Обозначив R_ОЭ = R₀R₁₃/(R₀ + R₁₃),

R_2Э = R₂R₂₃/(R₂ + R₂₃), переходим от схемы рис. 5 к схеме рис. 6.

Рис. 5

Рис. 6

Находим эквивалентное сопротивление R_Э=R₁₂(R_ОЭ+R_2Э)/(R₁₂+R_ОЭ+ R_2Э) и из схемы рис. 6 определяем

U_Н=U₂+U₀ = UR_Э/(R_Ф + R_Э);

U₀ = U_НR_ОЭ/(R_ОЭ + R_2Э);

U₂ = U_Н – U₀.

Возвращаясь к схеме рис. 4, на основе полученных значений U_Н, U₀, U₂ переходим к схеме рис. 7. Используя теорему об эквивалентном генераторе, преобразуем схему рис. 7 к виду схемы рис. 8, где R_НЭ = R_Н1R_Н2/(R_Н1 + R_Н2) = k(1-k)R_Н; U_Э = (U₂/R_Н2 – U₀/R_Н1)k(1-k)R_Н. Если учесть, что R_Н1 = kR_Н, R_Н2 = (1-k)R_Н, то, введя коэффициент α = U₀/U_Н = R_ОЭ/(R_ОЭ + R_2Э), получим:

U_Э=U_Н(k-α).

Рис. 7

Рис. 8

Из схемы рис. 8 следует, что

U₁=U_ЭR₁/(R_Э+R₁)=U_H(k-α)/(1+k(1-k)R_H/R₁)

Отрицательное значение U₁ означает, что синусоидальные напряжения U₁ и U₂ находятся в противофазе. Опасность поражения током определяется модулями вычисленных значений, то есть действующими (среднеквадратичными) значениями напряжений, измеряемых вольтметром.

На основе полученных формул и рис. 4 можно сделать ряд выводов.

При k=α независимо от значения R₁ U₁=0, что соответствует выполнению соотношения R₀/R₂=R_H1/R_H2.

Напряжения на зануленных корпусах ЭО, подключенных к одному источнику питания до момента срабатывания аппарата защиты могут находиться в пределах от 0 до U_Н. Напряжение U_Н на сопротивлении R_Н снижается при уменьшении отношения R_Н/R_Ф. Заземление корпуса поврежденного ЭО уменьшает напряжение на нем. Однако при этом может увеличиться напряжение на корпусе другого ЭО. Напряжения на корпусах ЭО зависят от коэффициента k = R_Н1/R_Н, например, от расположения ЭО вдоль линии питания.

Одинаковые условия безопасности для работающих с исправным и поврежденным ЭО можно обеспечить, если выполнить условие U₀=U_К2=U_Н/2 (к нейтрали могут быть подключены корпуса ЭО, питающегося по другим линиям).

Экспериментальная часть

Исследование свойств защитного зануления осуществляются на универсальном лабораторном стенде (см. раздел «Общие сведения о защитном заземлении и занулении»).

Зависимости исследуются при значениях параметров, заданных на стенде в таблице выриантов.

Порядок выполнения работы

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

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

3. Исследовать случай 1 (см. рис. 2). Для этого установить тумблеры ЗМ1, ЗМЗ в положение Р, тумблеры R_Н1, R_Н2, ЗМ2 в положение З и перевести переключатель R_З1 в положение ∞. Снять зависимости I_ЗМ2 = f(R_Н), U_К2 = f(R_З2), U₀ = f(R_З2). Для анализа опасности при обрыве НЗП перевести тумблер R_Н2 в положение Р и измерить U₀, U_К1, U_К2, I_ЗМ2 при заданных значениях параметров и при R_З2 à∞.

4. Исследовать случай 2 (см. рис. 3). Для этого установить переключатели R_З1, R_З2, в положение ∞, тумблер ЗМ2 перевести в положение Р, а тумблеры ЗМ, R_Н1, R_Н2 – в положение З. Снять зависимость U_К2 = f(R₀) для сети с ГН и измерить U_К2 для сети с ИН (R₀ à ∞).

5. Исследовать случай 3 (см. рис. 4).

Перевести тумблер ЗМ в положение F, тумблер ЗМ2 - в положение 3 и, пользуясь переключателем К, снять зависимости U_К1 = f(k), U_К2 = f(k), U₀ = f(k). Перевести переключатель R_З1 в положение ∞ и измерить U₀, U_К1, U_К2, I_ЗМ2.

Содержание отчета

1. Таблицы и графики экспериментальных зависимостей

2. Для случая 3 расчет U₀, U_К1, U_К2, I_ЗМ2 по формулам при заданных по варианту значениях параметров схемы и сравнение результатов расчета с данными эксперимента.

Определение предельно допустимого времени отключения t_ПД, при котором требования электробезопасности будут выполняться для всех людей, контактирующих с корпусами ЭО1, ЭО2 или с ГН. Использовать зависимость t_ПД = 50/U_ПР, где 0,1с ≤ t_ПД ≤ 1c; размерность U_ПР – В.

3. Расчет номинальных токов I_НОМ предохранителя, автоматического выключателя, обеспечивающих их надежное срабатывание под действием тока I_ЗМ2, измеренного при задданых значениях параметров для случаев 1 и 3.

Контрольные вопросы

1. Защитное зануление, область применения, принцип действия. Классификация помещений по степени опасности поражения людей электрическим током.

2. Требования к элементам зануления и его устройству. Анализ опасности обрыва НЗП.

3. Показать недопустимость применения зануления в сети с ИН (система IN) и защитного заземления в сети с ГН (система TT). Из каких соображений выбирается сопротивление R₀ заземления нейтрали?

4.Как измениться напряжение U_К2, если при k = 0,2, R₀ = 4 Ом, R_З2 = 8 Ом сопротивление R_З1 уменьшить с 8 до 4 Ом? Сопротивление R_Н = R_Ф считать пренебрежимо малым по сравнению с R₀, R_З1 и R_З2.

5. Как изменится напряжение U_К1, если сопротивление R_З1 увеличить с 2 до 4 Ом? Значения параметров: R₀ = 2 Ом, R_З2 = 8 Ом, k = 0,2, R_Н = R_Ф = 0,1 Ом.

6. Охарактеризовать системы заземления электрических сетей, в которых может применяться защитное зануление.

7. Назначение повторных заземлителей и требования к ним.

8. Как изменятся напряжения U_К1, U_К2 на корпусах ЭО1, ЭО2, если в системе TN-C-S при U = 220В произошло случайное замыкание фазы на землю через эквивалентное сопротивление R_ЗМ = 80 Ом.

Библиографический список

1. Маньков В.Д., Заграничный С.Ф. Защитное заземление и защитное зануление электроустановок: Справочник. – Спб.: Политехника, 2005. – 400 с.

2. ГОСТ 12.1.030-81. ССБТ. Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление.

3. ГОСТ 12.1.038-82. ССБТ. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов.

4. Правила устройства электроустановок: Все действующие разделы ПУЭ-6 и ПУЭ-7. 8-й выпуск. – Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2007. – 854 с.

Содержание

1. Общие сведения о защитном заземлении и занулении……….1

2. Лабораторная работа №1. Исследование защитного заземления………………………………………………………………….6

3. Лабораторная работа №2. Исследование защитного зануления………………………………………………………………….15