I. Сеть с изолированной нейтралью

Рецензент

Кафедра безопасности жизнедеятельности
Ивановского государственного энергетического
университета

Цель работы – исследовать электробезопасность сетей трехфазного тока напряжением до 1000 В;
выявить зависимость электробезопасности от режима нейтрали сети, сопротивления изоляции и емкости фаз относительно земли.

Содержание работы

1. Сравнить опасность прикосновения человека к каждой из фаз двух сетей с разными режимами нейтрали (параметры сетей задает преподаватель);

а) при нормальном режиме работы сети (человек касается фазы);

б) при аварийном режиме работы сети (человек касается фазы при замыкании другой на землю).

2. При нормальном режиме работы сети выявить изменение опасности прикосновения к одной из фаз в зависимости от:

а) сопротивления изоляции фазных проводов сети относительно земли при постоянной емкости;

б) емкости фазных проводов сети относительно земли при постоянном сопротивлении изоляции (параметры сети задает преподаватель).

Краткий анализ безопасности
электрических сетей

Статистика электротравматизма доказывает, что
до 85% смертельных поражений людей электрическим током происходит в результате прикосновения пострадавшего непосредственно к токоведущим частям, находящимся под напряжением. При этом в сетях напряжением до 1000 В величина тока, протекающего через человека,
а, следовательно, и опасность поражения зависят прежде всего от режима нейтрали сети, а также от активной и емкостной проводимостей проводов относительно земли.

“Правила устройства электроустановок” (ПУЭ) предусматривают применение при напряжениях до 1000 В лишь двух сетей трехфазного тока: трехпроводной с изолированной нейтралью и четырехпроводной с заземленной нейтралью.

Каждая из этих сетей характеризуется своими технико-экономическими, эксплуатационными и другими показателями и различной степенью электробезопасности.

Трехфазная трехпроводная сеть
с изолированной нейтралью

При нормальном режиме рассматриваемой сети ток, протекающий через человека в период касания к одной фазе, например фазе I (рис.1), в комплексной форме запишется

, (1)

где Y₁, Y₂, Y₃ – полные проводимости изоляции фазных проводов;

Y_h – проводимость тела человека;

U_ф – фазное напряжение сети;

a – фазный оператор трехфазной системы, учитывающий сдвиг фаз.

На основании выражения (1) оценим опасность прикосновения человека к фазному проводу для следующих случаев.

1) При равенстве сопротивлений изоляции и емкостей проводов относительно земли, т.е. при

r₁ = r₂ = r₃ = r;

c₁ = c₂ = c₃ = c;

Рис. 1

а, следовательно, при ,

ток через человека в комплексной форме будет

; (2)

где Z – комплекс полного сопротивления провода относительно земли, А.

2) При равенстве сопротивлений изоляции и отсутствии емкостей, т.е. при

r₁ = r₂ = r₃ = r;

c₁ = c₂ = c₃ = 0;

что имеет место в коротких воздушных сетях, ток через человека будет, А,

(3)

3) При равенстве емкостей и весьма больших сопротивлениях изоляции, т.е. при

c₁ = c₂ = c₃ = c;

r₁ = r₂ = r₃ = ¥,

что может быть в кабельных сетях, будем иметь, А,

, (4)

где – емкостное сопротивление, Ом.

Из выражений (2–4) видно, что в сетях с изолированной нейтралью опасность для человека, прикоснувшегося к одному из фазных проводов в период нормальной работы сети, зависит от сопротивления проводов относительно земли; с увеличением сопротивления опасность уменьшается. Вместе с тем этот случай менее опасен, чем прикосновение в сети с заземленной нейтралью уравнения (3–4) и (8–9).

При аварийном режиме сети (рис. 2) ток через тело человека будет равен

, (5)

где R_зм – сопротивление переходного контакта в месте короткого замыкания провода на землю.

Напряжение прикосновения будет

, (6)

Если принять R_зм = 0 или R_зм << R_h (так обычно бывает на практике), то, согласно (6), получим

, (7),

т.е. человек окажется под линейным напряжением сети.

Рис. 2

Трехфазная четырехпроводная сеть
с заземленной нейтралью

При нормальном режиме рассматриваемой сети ток, протекающий через человека в период касания к одной фазе, например фазе I (рис. 3) будет равен, А,

, (8)

где R_з – сопротивление заземления нейтральной точки трансформатора.

Согласно ПУЭ R_з не должно превышать
4–10 Ом; сопротивление же тела человека не опускается ниже нескольких сотен Ом. Следовательно, без большой ошибки в уравнении (8) значением R_з можно пренебречь, тогда

, (9),

т.е. при прикосновении к одной из фаз трехфазной четырехпроводной сети с заземленной нейтралью человек оказывается под фазным напряжением U_ф.

Из уравнения (9) вытекает еще один вывод: если полные проводимости проводов относительно земли малы по сравнению с проводимостью заземления нейтрали, то ток, проходящий через человека, прикоснувшегося к фазе трехфазной сети с заземленной нейтралью в период нормальной его работы, практически не изменяется с изменением сопротивления изоляции и емкости проводов относительно земли.

Рис. 3

При аварийном режиме, когда одна из фаз сети, например фаза 2 (рис. 4а), замкнута на землю через малое сопротивление R_зм, напряжение прикосновения будет равно

, (10)

Ток через человека будет равен

, (11)

Если принять R_зм = 0, то уравнение (10) примет вид

, (12)

Следовательно, в данном случае человек оказывается под воздействием линейного напряжения сети.

Если принять равным нулю сопротивление заземления нейтрали R_з, то

, (13)

т.е. человек окажется под фазным напряжением.

Рис. 4(а)

Однако, в практических условиях сопротивления R_зм и R_з всегда больше нуля, поэтому напряжение, под которым оказывается человек, прикоснувшийся в аварийный период к исправному фазному проводу трехфазной сети с заземленной нейтралью, всегда меньше линейного, но больше фазного, (рис. 4б), т.е.

, (14) Рис. 4(б)

Таким образом, прикосновение человека к исправному фазному проводу сети с заземленной нейтралью в аварийный период более опасно, чем при нормальном режиме.

Выводы:

1. При нормальном режиме работы сети прикосновение человека к одному из фазных проводов в период нормальной работы более опасно в четырехпроводной сети с заземленной нейтралью.

2. При аварийном режиме работы сети прикосновение человека к одному из фазных проводов в трехпроводной сети с изолированной нейтралью более опасно, чем прикосновение к здоровой фазе четырехпроводной сети с заземленной нейтралью.

Выбор схемы сети
напряжением до 1000 В

При напряжениях до 1000 В распространение получили обе схемы трехфазных сетей: трехпроводная с изолированной нейтралью и четырехпроводная с заземленной нейтралью. По технологическим требованиям предпочтение чаще отдается четырехпроводной сети, так как она позволяет использовать два рабочих напряжения – линейное и фазное.

По условиям безопасности сети с изолированной нейтралью целесообразно применять в тех случаях, когда возможно поддержание высокого уровня изоляции проводов относительно земли и когда емкость проводов относительно земли незначительна (короткие сети, находящиеся под постоянным надзором, электротехнические лаборатории и т.д.).

Сети с заземленной нейтралью следует применять там, где трудно обеспечить хорошую изоляцию проводов (из-за высокой влажности, агрессивной среды и т.д.), когда нельзя быстро отыскать повреждение изоляции или когда емкостные токи из-за большой протяженности сетей достигают больших значений, опасных для человека (сети крупных предприятий, городские и сельские сети, сети собственных нужд электростанций и т.п.).

Экспериментальная часть

Работа производится на стенде путем моделирования основных параметров исследуемых сетей и определения величины тока, проходящего через человека при его соприкосновении с токоведущими частями. Схема стенда показана на рис. 5. Вместо реально существующих распределенных сопротивлений изоляции и емкостей проводов относительно земли, на стенде предусмотрены сосредоточенные сопротивления и емкости, меняя величину которых, а также соотношение между ними, можно получить сеть с нужными параметрами. Тело человека имитируется в схеме стенда активным сопротивлением, которое может подключаться к каждому проводу сети переключателем.

Изменение тока, проходящего через это сопротивление, производится с помощью миллиамперметра с шунтами.

Техника безопасности
при выполнении работы

1. Включать стенд под напряжение только с разрешения преподавателя.

2. Перед каждым измерением величины тока, проходящего через человека, определять ожидаемый предел измерения амперметра.

3. По окончании экспериментов все выключатели на стенде поставить в положение “откл.”.

Порядок проведения работы
и содержание отчета

Для выявления изменения опасности прикосновения к фазным проводам в сети с разными режимами нейтрали, как в нормальном режиме, так и в аварийном, произвести изменения в следующем порядке.

I. Сеть с изолированной нейтралью

В начале работы все выключатели на стенде поставить в положение “отключено”.

Нормальный режим работы

1. Тумблеры В2, В3, В4, В5, В6, В7 отключить. В этом случае емкости проводов относительно земли равны нулю.

2. С помощью резисторов R_A, R_B, R_C установить соответствующее сопротивление изоляции проводов относительно земли при R_A = R_B = R_C =.... Сопротивления R_A, R_B, R_C задаются преподавателем (3¸4 значения).

3. Включить схему под напряжение выключателем В1 “Сеть”.

4. Резистор R_h, имитирующий сопротивление тела человека, установить в положение, соответствующее заданному значению (задается преподавателем).

5. Переключатель В8 подключить поочередно к фазам А, В, С.

Этим имитируется прикосновение человека, стоящего на земле, к соответствующим фазам, т.е. измеряются токи, проходящие через человека . Показания миллиамперметра занести в таблицу 1.

Исследуемая	Режим работы			Ток, проход. через ч-ка
сеть	сети	R_A	R_B	R_C	С_C
3х-проводная с изолир. нейтралью	Норм. режим работы

6. С помощью резисторов R_A, R_B, R_C установить разное сопротивление изоляции проводов относительно земли R_A ¹ R_B ¹ R_C. Сопротивления R_A, R_B, R_C задаются преподавателем (2¸3 значения). Переключить В8, поочередно подключить к фазам А, В, С. Показания миллиамперметра занести в таблицу 1.

7. Произвести замеры токов I_h и записать их в таблицу 1 при подключении емкости проводов:

а) C_A = C_B = C_C =... (2¸3 значения, задаваемые преподавателем с помощью C_A, C_B, C_C).

R_A, R_B, R_C = const (задается преподавателем; достаточно задать одно значение).

Включить тумблеры В4, В5, В6.

Аварийный режим работы

8. В аварийном режиме работы проделать все аналогично пунктам 1–7. Переключатель В10 поочередно подключать к фазам А, В, С с одновременным кратковременным нажатием кнопочного замыкателя КНI, которые имитируют аварийный режим, т.е. соприкосновение одного фазного провода с землей. Результаты замеров занести в таблицу 1.

По окончании замеров выключить “Сеть”; В1 и все тумблеры и переключатели поставить в выключенное положение.