Оборудование и приборы
Лабораторная работа проводится на стенде, который позволяет моделировать:
1) трехфазый источник питания сети;
2) трехфазный потребитель электроэнергии, подключенный к сети с использованием устройства защитного отключения (УЗО), реагирующего на дифференциальный (остаточный) ток;
3) два типа сети: трехфазную трехпроводную с изолированной нейтралью и трехфазную четырехпроводную с заземленной нейтралью.
Теоретические сведения
Как известно из курса электротехники, при соединении фаз обмоток электрического генератора в звезду их концы соединяются в общую точку, называемую нейтральной точкой (или нейтралью)генератора.
Соответственно общая точка соединения концов фаз обмоток приемника электрической энергии называется нейтральной точкой приемника.
Проводники, соединяющие начало фаз генератора и приемника, называются линейными; проводник, соединяющий нейтральную точку генератора и приемника, называется нейтральным.
Напряжение между началом и концом каждой фазы генератора называется фазным напряжением, а напряжение между началами фаз - линейным.
Электрическая сеть, состоящая из трех фазных и одного нейтрального проводника, называется четырехпроводной.
При соединении в звезду симметричной нагрузки токи в фазах будут одинаковыми по величине. Угол сдвига фазовых токов по отношению к соответствующим напряжениям будет один и тот же. В этом случае ток в нейтральном проводнике отсутствует, и необходимость в нем отпадает.
Трехфазную сеть без нейтрального проводника называют трехпроводной.
Поражение человека электрическим током наступает при замыкании электрической цепи через тело человека. Это происходит в случае прикосновения человека не менее чем к двум точкам электрической цепи, между которыми имеется некоторое напряжение. Включение человека в цепь может произойти по нескольким схемам: между фазным проводником и землей - однофазное включение и между двумя фазными проводниками - двухфазное включение.
Ток, проходящий через человека, попавшего под напряжение, помимо таких факторов, как параметры сети, сопротивление тела человека и т.д., зависит от режима нейтрали, которая может быть глухозаземленной или изолированной.
При глухозаземленной нейтрали средняя точка обмотки генератора присоединяется к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление.
При изолированной нейтрали средняя точка обмотки генератора не имеет электрической связи с заземляющим устройством или присоединяется к нему через аппараты с большим сопротивлением (трансформаторы напряжения, компенсаторы емкостного тока и др.).
Однофазное включение - это непосредственное соприкосновение человека с частями электрооборудования или установки, находящимися под напряжением. При этом степень опасности поражения электрическим током будет различной в зависимости от того, имеет электрическая сеть заземленную или изолированную нейтраль, а также в зависимости от качества изоляции проводов сети, ее протяженности, режима работы и ряда других факторов.
При однофазном включении в сеть с заземленной нейтралью человек попадает под фазное напряжение и подвергается воздействию тока, величина которого определяется величиной фазного напряжения установки и сопротивления тела человека. Дополнительное защитное действие оказывают изоляция пола, на котором стоит человек, и сопротивление обуви (рис.1).
Таким образом, в четырехпроводной трехфазной сети с заземленной нейтралью цепь тока I ч, проходящего через человека, включает сопротивление его тела, а также сопротивления пола, обуви и заземления нейтрали источника тока. При этом величина тока I определяется по выражению
, (1)
где U ф - фазное напряжение; R ч - сопротивление тела человека; R п -сопротивление пола, на котором находится человек; R об - сопротивление обуви человека; R 0 - сопротивление заземления нейтрали.
При прикосновении к одной из фаз сети с заземленной нейтралью при одновременном замыкании другой фазы на землю (рис.2) напряжение замкнувшейся фазы A распределяется пропорционально сопротивлению R 0 и сопротивлению земли в месте замыкания R зм. В этом случае человек оказывается под напряжением выше фазного, равном
(2)
где U 0 - напряжение нулевой точки трансформатора, определяемое повыражению
(3)
При однофазном включении (при прикосновении к одной из фаз (рис.3) в сеть с изолированной нейтралью создается цепь тока через тело человека и изоляцию проводов двух других фаз. В этом случае ток через человека определяется по выражению
(4)
где R = RA = RB = RC - сопротивление изоляции фаз относительно земли.
Таким образом, при прикосновении к одной из фаз трехфазной сети с изолированной нейтралью человек находится под защитой изоляции R других фаз относительно земли.
 |
В случае прикосновения к одной из фаз при наличии замыкания на землю любой другой фазы ток, протекающий через человека, равен
(5)
где U л - линейное напряжение.
Таким образом, изоляция фаз теряет свое защитное свойство, и человек оказывается под линейным напряжением.
Однополюсное прикосновение к трехфазной сети
с большой емкостью
При обслуживании трехфазной сети с изолированной нейтралью опасным является однофазное прикосновение даже при наличии очень большого сопротивления изоляции, но при значительной емкости фаз относительно земли. Величина емкости зависит главным образом от конструкции сети (кабельная или воздушная) и ее протяженности.
Если допустить, что равномерно распределенные емкости фаз относительно земли сосредоточены в одном месте и равны между собой (СA = СB = СC = С), а сопротивление изоляции R равно бесконечности, то при однополюсном прикосновении ток, проходящий через тело человека, определяется по выражению
(6)
где w = 2p f - угловая частота переменного тока, f - частота переменного тока (50 Гц); С - емкость фазы относительно земли.
Если учесть сопротивление изоляции проводов, то при RА = RВ =
= RС = R величина тока через тело человека определяется по выражению
(7)
В электрических сетях с большой емкостью этот ток может оказаться опасным для жизни. Поэтому к сетям с изолированной нейтралью, обладающим большой емкостью, необходимо предъявлять повышенные требования к защите персонала при их обслуживании.
Выбор режима нейтрали
Анализ случаев прикосновения к трехфазным сетям показывает, что степень опасности прикосновения к одной фазе сети напряжением до 1000 В во многом определяется режимом нейтрали.
При равенстве сопротивлений изоляции всех фаз ток, проходящий через тело человека, в сети с изолированной нейтралью всегда меньше, чем в сети с заземленной нейтралью. В общем случае, когда сопротивления изоляции всех фаз не равны между собой, напряжение, под которое попадает человек в сети с изолированной нейтралью, зависит от соотношения результирующего сопротивления тела человека и изоляции фазы, которой он касается, а также от сопротивления двух других фаз. При этом ток, протекающий через тело человека, может оказаться больше, чем в сети с заземленной нейтралью, где сопротивление изоляции совершенно не имеет защитного значения.
В предельном случае, когда человек касается фазы при одновременном замыкании какой-либо другой фазы на землю, протекающий через него ток в сети с изолированной нейтралью больше в 1,75 раз, чем в сети с заземленной нейтралью, если пренебречь переходным сопротивлением в точке замыкания на землю.
Исходя из этих соображений, решается вопрос о режиме нейтрали в трех фазной сети с напряжением до 1000 В. На предприятиях, где осуществляется постоянный контроль за электрооборудованием и обеспечены высокий уровень сопротивления изоляции и немедленное устранение возможных замыканий на землю, целесообразно иметь трехфазную сеть с изолированной нейтралью.
В тех случаях, когда возможны понижения сопротивлений изоляции отдельных фаз или частые замыкания на землю и отсутствует постоянный контроль за сопротивлением изоляции, целесообразно иметь трехфазную сеть с заземленной нейтралью.
Лабораторный стенд подключается к реальной четырехпроводной сети трехфазного тока и включается автоматом S 2 при переводе переключателя в положение 1. При этом загораются индикаторы желтого, зеленого и красного цветов, расположенные рядом с фазными проводами А, В, С соответственно. Значения активных сопротивлений RA, RB, RC, RPEN (переключатели S 4, S 6, S 8, S 10) и емкостей CA, CB, CC, CPEN (переключатели S 5, S 7, S 9, S 11) фазных проводов А, В, С и нулевого (PEN) провода относительно земли могут изменяться в зависимости от лабораторного задания.
Переключатель S 3 предназначен для подключения к стенду PEN -провода.
Переключатель S 1служит для изменения режима нейтрали исследуемой сети: левое положение - изолированная нейтраль, правое - заземленная нейтраль. Значение сопротивления заземления нейтрали, установленное на стенде равно 4 Ом.
Переключатели S 12, S 14 предназначены для моделирования аварийных режимов работы исследуемой сети. Положение “0” переключателя S 12соответствует нормальному режиму работы сети. Положении “ А ”,“ В ”,“ С ” переключателя S 12 соответствуют замыканию фазных проводов А, В, С на землю, при этом сопротивление растеканию тока в месте замыкания на землю R зм может иметь различные значения. Изменяя положение переключателя S 14 можно задать следующие значения сопротивления R зм: 10, 100, 1000 Ом.
Сопротивление тела человека в схеме стенда имитируется переменным сопротивлением Rh, величина которого может плавно изменяться в пределах от 0 до 100 кОм. Значение сопротивления тела человека может быть задано дискретно (1, 5, 10 кОм) с помощью переключателя S 13при нулевом значении переменного резистора. Стенд позволяет моделировать подключение человека к каждому фазному проводу сети или к проводу сети на стороне потребителя электроэнергии, подключенного к сети через устройство защитного отключения (УЗО) посредством переключателя S 15. Положение “0” переключателя S 15 означает что, человек не касается фазного провода сети. Положения “ А ”,“ В ”,“ С ”, “ PEN ” переключателя S 15имитируют касание человеком соответственно фазных проводов А, В, С или PEN. Положение “УЗО” переключателя S 15 соответствует касанию человека фазного провода на стороне трехфазного потребителя электроэнергии при нажатой кнопке S 16.
Трехфазный потребитель электроэнергии показан на лицевой панели стенда в виде корпуса, подключенного к сети с помощью УЗО, которое реагирует на дифференциальный (остаточный) ток.
Корпус трехфазного потребителя может быть занулен с помощью переключателя S 18(правое положение). Нажатием кнопки S 17 моделируется замыкание фазного провода на корпус потребителя электроэнергии, при этом на корпусе загорается индикатор красного цвета.
На лицевой панели УЗО расположена кнопка “ПУСК”, при нажатии которой трехфазный потребитель электроэнергии подключается к сети, при этом загорается индикатор красного цвета. Кнопка “Стоп” отключает трехфазный потребитель электроэнергии от сети; кнопкой “Контроль” осуществляется оперативный контроль работоспособности УЗО.
Значения активных сопротивлений изоляции и емкостей фазных проводов относительно земли в зоне защиты УЗО установлены на стенде изготовителем и не меняются в процессе выполнения работы.
Кроме того, в правой части стенда размещены следующие измерительные приборы:
Миллисекундомер, предназначенный для измерения времени срабатывания УЗО, срабатывает при нажатии кнопки S 16; кнопкой “Сброс” его показания обнуляются;
Амперметр, имеющий четыре предела измерений и предназначенный для измерения тока (мА) в цепи тела человека (положение “ Ih ” переключателя амперметра) и измерения тока в системе УЗО (положение “ I уст” переключателя амперметра).
Вольтметр, предназначенный для измерения напряжения (В) фазных проводов А, В, С относительно земли; подклается к фазным проводам с помощью переключателей А, В, С.
Примечание. Поскольку стенд подсоединен к реальной сети трехфазного тока МИЭТ, то в момент проведения лабораторной работы возможна различная нагрузка на фазные провода и, как следствие, различное напряжение в фазных проводах А, В, С.
Методика выполнения работы
1. Сравнить опасность прямого прикосновения человека к проводам двух типов трехфазных сетей напряжением до 1 кВ: трехпроводной с изолированной нейтралью и четырехпроводной с заземленной нейтралью для двух режимов работы сетей - нормального и аварийного (при замыкании одного из фазных проводов на землю).
1.1. Трехфазная трехпроводная сети с изолированной нейтралью при нормальном режиме работы:
а) изолировать нейтраль - перевести переключатель S 1в левое положение; отключить PEN -провод, переведя переключатель S 3в нижнее положение; переключатель S 12перевести в нулевое положение;
б) установить значения активных сопротивлений изоляции (переключатели S 4, S 6, S 8, S 10) и емкостей (переключатели S 5, S 7, S 9, S 11) фазных проводов относительно земли одинаковыми в соответствии с заданием преподавателя;
в) переключателем S 13в соответствии с заданием преподавателя установить значение сопротивления тела человека Rh, при этом ручка регулятора резистора Rh должна находиться в нулевом положении.
г) установить переключатель S 15 в положение “А”;
д) включить стенд, переведя переключатель S 2 в положение “1”;
е) измерить величину тока IhА в цепи тела человека с помощью амперметра, выбрав необходимый предел измерений. Положение переключателя амперметра - “ Ih ”;
ж) повторить измерения тока в цепи тела человека IhВ, IhС при касании им фазных проводов В, С, для чего переключатель S 15 последовательно перевести в положения “ В ”и “ С ”;
з) выключить стенд, переведя переключатель S 2 в положение “0”;
и) подсчитать значение тока в цепи тела человека по выражению (4) и сравнить расчетные данные с экспериментальными.
1.2. Трехфазная трехпроводная сеть с изолированной нейтралью при аварийном режиме работы (при замыкании одного из проводов на землю):
а) в дополнение к вышеописанным действиям перевести переключатель S 12 в любое из трех положений - “ А ”,“ В ”,“ С ”. Переключателем S 14установить значение R зм в соответствии с указанием преподавателя;
б) включить стенд;
в) произвести измерения токов в цепи тела человека IhА, IhВ, IhС в соответствии с положениями переключателя S 15 “ А ”, “ В ”, “ С ”;
г) выключить стенд;
д) по выражению (5) подсчитать значение тока в цепи тела человека и сравнить расчетные данные с экспериментальными (в данном случае вольтметр показывает величины линейного напряжения);
е) сравнить оба случая касания человека к трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью по степени их опасности.
1.3. Трехфазная четырехпроводная сеть с заземленной нейтралью при нормальном режиме работы:
а) заземлить нейтраль, переведя переключатель S 1 в правое положение;
б) подключить PEN -провод, переведя переключатель S 3 в верхнее положение. Переключатель S 12перевести в положение “0”;
в) установить значения активных сопротивлений изоляции и емкостей фазных проводов в соответствии с заданием преподавателя;
г) установить значение сопротивления цепи тела человека Rh в соответствии с заданием преподавателя;
д) установить переключатель S 15в положение “ А ”;
е) включить стенд;
ж) измерить величину тока IhА в цепи тела человека с помощью амперметра, выбрав необходимый предел измерений. Положение переключателя амперметра - “ Ih “;
з) для положений “ В ”,“ С ” переключателя S 15повторить измерения токов в цепи тела человека IhВ, IhС;
и) подсчитать значение тока в цепи тела человека по выражению (1) и сравнить расчетные данные с экспериментальными;
к) выключить стенд.
1.4. Трехфазная четырехпроводная сеть с заземленной нейтралью при аварийном режиме работы сети (один из фазных проводов замкнут на землю):
а) в дополнение к вышеописанным действиям перевести переключатель S 12 в любое из трех положений - “ А ”, “ В ”, “ С ”. Переключателем S 14установить значение R зм в соответствии с указанием преподавателя;
б) включить стенд;
в) произвести измерения токов в цепи тела человека IhА, IhВ, IhС в соответствии с положениями переключателя S 15 “ А ”, “ В ”, “ С ”.
г) Подсчитать значение тока в цепи тела человека по выражению (1), заменив в нем напряжение U ф на U ч, подсчитанное по выражению (2) с привлечением выражения (3), и сравнить расчетные данные с экспериментальными;
д) выключить стенд.
2. Определить изменение величины тока, проходящего в цепи тела человека, при прямом прикосновении к фазному проводу сети в зависимости от активного сопротивления изоляции фазных проводов относительно земли при заданной емкости фазных проводов относительно земли для двух типов сетей при нормальном режиме работы (Ih = f (R)).
2.1. Трехфазная трехпроводная сеть:
а) изолировать нейтраль - перевести переключатель S 1в левое положение; отключить PEN -провод, переведя переключатель S 3 в нижнее положение; перевести переключатель S 12 в положение “0”;
б) установить переключатель S 15 в одно из положений (“ А ”,“ В ”,“ С ”) по указанию преподавателя;
в) переключателем S 13в соответствии с заданием преподавателя установить значение сопротивления тела человека R h, при этом ручка регулятора резистора R hдолжна находиться в положении “0”;
г) установить значения емкостей (переключатели S 5, S 7, S 9) фазных проводов относительно земли одинаковыми в соответствии с заданием преподавателя;
д) включить стенд, переведя переключатель S 2в положение “1”;
е) произвести измерения тока Ih в цепи тела человека с помощью амперметра при касании им одной из фаз (по указанию преподавателя), устанавливая поочередно одинаковые значения активных сопротивлений фазных проводов относительно земли (переключатели S 4, S 6, S 8) и равные 1; 2.5; 10; 25; 100 кОм;
ж) выключить стенд;
з) построить график искомой функциональной зависимости.
2.2. Трехфазная четырехпроводная сеть:
а) заземлить нейтраль, переведя переключатель S 1 правое положение;
б) подключить PEN -провод, переведя переключатель S 3 в верхнее положение; переключатель S 12 перевести в положение “0”;
в) переключателем S 11 установить значение емкости PEN -провода, равное значению фазных проводов;
г) повторить пп. б) - г) п. 2.1;
д) включить стенд;
е) произвести измерения тока Ih в цепи тела человека с помощью амперметра при касании им одной из фаз (по указанию преподавателя), устанавливая поочередно одинаковые значения активных сопротивлений фазных проводов и PEN -провода относительно земли (переключатели S 4, S 6, S 8, S 10) и равные 1; 2.5; 10; 25; 100 кОм;
ж) выключить стенд;
з) построить график искомой функциональной зависимости.
3. Определить изменение величины тока, проходящего в цепи тела человека, при прямом прикосновении к фазному проводу сети в зависимости от емкости фазных проводов относительно земли при заданном активном сопротивлении изоляции фазных проводов относительно земли для двух типов сетей при нормальном режиме работы (Ih = f (С)).
3.1. Трехфазная трехпроводная сеть:
а) повторить позиции пп. а) - в) п. 2.1;
б) установить значения активного сопротивления изоляции (переключатели S 4, S 6, S 8) фазных проводов относительно земли одинаковыми в соответствии с заданием преподавателя;
в) включить стенд;
г) произвести измерения тока Ih в цепи тела человека с помощью амперметра при касании им одной из фаз (по указанию преподавателя), устанавливая поочередно одинаковые значения емкости фазных проводов относительно земли (переключатели S 5, S 7, S 9) и равные 0; 0,02; 0,1; 0,25; 0,5; 1,0; 2,5 мкФ.
д) выключить стенд;
е) построить график искомой функциональной зависимости;
ж) для любого значения емкости фазного провода по выражениям (6) (активное сопротивление изоляции фазных проводов равно бесконечности) и (7) (активное сопротивление изоляции фазных проводов равно одному из значений из диапазона стенда) подсчитать величину тока в цепи тела человека.
3.2. Трехфазная четырехпроводная сеть:
а) повторить позиции пп. а) - б) п. 2.2;
б) установить значения активного сопротивления изоляции (переключатели S 4, S 6, S 8) фазных проводов и PEN -провода (переключатель S 10) относительно земли одинаковыми в соответствии с заданием преподавателя;
в) включить стенд;
г) произвести измерения тока Ih в цепи тела человека с помощью амперметра при касании им одной из фаз (по указанию преподавателя), устанавливая поочередно одинаковые значения емкости фазных проводов и PEN -провода относительно земли (переключатели S 5, S 7, S 9, S 11) и равные 0; 0,02; 0,1; 0,25; 0,5; 1,0; 2,5 мкФ.
д) выключить стенд;
е) построить график искомой функциональной зависимости.
Требования к отчету
1) название и цель работы;
2) краткие сведения из теоретической части;
3) экспериментальные и расчетные данные, представленные
в виде таблиц;
4) графические зависимости Ih = f (R) и Ih = f (R).
Контрольные вопросы
1. Какие электрические цепи называются трехпроводными?
2. Какие электрические цепи называются четырехпроводными?
3. Какие существуют режимы нейтрали?
4. Под каким напряжением оказывается человек при однофазном включении в сети с заземленной нейтралью?
5. Под каким напряжением оказывается человек при однофазном включении в сети с изолированной нейтралью?
6. Как влияет протяженность трехфазных сетей на опасность поражения человека электрическим током?
7. Какие факторы учитываются при выборе режима нейтрали?
8. Что может служить причиной различного напряжения фазных проводов лабораторного стенда?
9. В каком случае опасность поражения человека электрическим током при прямом прикосновении к фазному проводу трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью является более высокой: при нормальном или аварийном режиме работы?
10. В каком случае опасность поражения человека электрическим током при прямом прикосновении к фазному проводу трехфазной четырехпроводной сети с заземленной нейтралью является более высокой: при нормальном или аварийном режиме работы?
Литература
1. Безопасность жизнедеятельности. Учебник для вузов / С.В. Белов, А.В. Ильницкая, А.Ф. Козьяков и др. Под ред. С.В. Белова. - М.: Высшая школа, 1999. - 448 с.
2. Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок. - М.: Энергия, 1991.
