Исследование опасности поражения электрическим током в различных сетях и при различных схемах электрозащиты

ОХРАНА ТРУДА

 

Методические указания к лабораторным работам

Для студентов всех специальностей

 

Часть 2

ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ

 

Могилев 2012

 

УДК 621.311:658

ББК 68.9

О 92

Рекомендовано к опубликованию

учебно-методическим управлением

ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет»

 

Одобрено кафедрой «Безопасность жизнедеятельности» «25» мая 2012 г., протокол № 9

 

Составитель канд. техн. наук, доц. С. В. Матусевич

Рецензент канд. техн. наук, доц. С. К. Крутолевич

 

Предназначены для студентов всех специальностей и используются при самостоятельном изучении теоретической части курса по дисциплине «Охрана труда», выполнении контрольных, лабораторных работ и расчетной части разделов «Охрана труда» в дипломных проектах и работах В методических указаниях дается анализ опасности поражения электрическим током в различных электрических сетях, исследуется эффективность защитного заземления и зануления, излагается расчет защитного заземления и зануления на ЭВМ.

 

Учебное издание

 

ОХРАНА ТРУДА

 

Часть 2

 

Ответственный за выпуск В. И. Мрочек

 

Технический редактор А. А. Подошевко

 

Компьютерная верстка Н. П. Полевничая

 

Подписано в печать Формат 60×84×16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс

Печать трафаретная. Усл. печ. л. Уч.-изд. л. Тираж 99 экз. Заказ №

 

Издатель и полиграфическое исполнение

Государственное учреждение высшего профессионального образования

«Белорусско–Российский университет»

212000, Могилев, пр. Мира, 43

 

© ГУ ВПО «Белорусско-Российский

университет», 2012

Содержание

 

 

1Общие положения…………….…………...…………………………..……...4

2 Исследование опасности поражения электрическим током в различных сетях и при различных схемах электрозащиты………………..…………......4

2.1 Общие сведения ……...……………………….………………………..…..4

2.2 Порядок выполнения работы………..…………………………………..4

3 Исследование электробезопасности сетей на стенде ОТ 9А.………...…...9

3.1 Общие сведения.………………..………………...…………...…...….......9

3.2 Порядок выполнения работы ……………………………….…….…..11

3.3 Требования к отчету ………………………………………….…..……14

4 Измерение сопротивлений заземляющих устройств ……….…...….....14

4.1 Порядок измерения сопротивлений заземляющих устройств ………14

4.2 Результаты измерения сопротивлений заземляющих устройств ……15

5 Расчет защитного заземления и зануления ……………………..……...15

5.1 Расчет защитного заземления ……………………………...…....…….15

5.2 Расчет системы зануления………….…………………………..…..….19

6 Расчет защитного заземления на персональном компьютере.………...23

7 Расчет зануления на персональном компьютере…………………..…...25

Список литературы……………………………….………….…………...….29

Приложение А ……………..………………………………..……..………..30

Приложение Б …………………………………………………..….………...30

 

 

Общие положения

 

Целью методических указаний является ознакомление с основными средствами и методами защиты от поражения электрическим током и выяснение обусловленности выбора тех или иных средств электрозащиты. Приведена методика расчета защитного заземления и зануления с использованием ЭВМ.

Основной теоретический материал, необходимый для выполнения работ, изложен в [5].

 

 

Исследование опасности поражения электрическим током в различных сетях и при различных схемах электрозащиты

Цель работы: изучить теоретический материал, изложенный в [5, с. 9–18, 22–29]; сделать анализ опасности поражения электрическим током.

Общие сведения

 

Анализ опасности поражения электрическим током выполняется на электрифици­рованных стендах, на которых показана трёхфазная сеть с изолированной и глухоза­землённой нейтралью напряжением 380 В для приёмников с защитным заземлением и занулением.

 

Порядок выполнения работы

 

2.2.1 Анализ опасности поражения электрическим током в трёхфазных четырёх­проводных сетях с глухозаземлённой нейтралью.

2.2.1.1 Общие положения.

В трёхфазных сетях напряжением до 1000 В с глухозаземлённой нейтралью защитное заземление не обеспечивает защиту обслуживающего персонала от поражения током при пробое изоляции. Пробой изоляции и замыкание токоведущих проводников на заземлённый корпус в этих сетях обусловливают появление на корпусах опасных напряжений. Если нейтраль трансформатора заземлена через сопротивление r_o (схема с глухозаземлённой нейтралью), а электроприёмник имеет отдельное защитное заземление с сопротивлением r_з, то при замыкании фазы на корпус ток замыкания определится как

 

I₃ = U/(r₀+r₃).

 

Рассмотрим три случая:

1) если r_o = r_з, ток I₃ может оказаться недостаточным, чтобы вызвать срабатывание максимальной токовой защиты, т. е. установка может не отключаться. Например, при U_ф = 220 В и r_o = r_з = 4 Ом

 

I₃ = 220/(4+4) = 27,7 А.

 

Если при этом ток срабатывания защиты больше I₃ (в рассматриваемом примере больше 27,5 А), то отключение не произойдёт, и корпус будет находиться под напряжением до тех пор, пока установку не отключат вручную.

 

U_k = I₃ r₃ = U_ф·r₃ / (r₀+r₃) = 220×4 / (4+4) = 110 В.

 

Безусловно, такое положение недопустимо, поскольку при этом возникает угроза поражения током людей, прикоснувшихся к корпусу повреждённого оборудования или к металлическим предметам, имеющим соединение с этим корпусом;

2) опасность поражения током резко возрастает при r_з>r_o, падение напряжения на заземлителе, а следовательно, и напряжение относительно земли на корпусах заземлённых электроприемников будут ещё больше. Например, при U_ф = 220 В и r_o = 4 Ом и r_з = 8 Ом

 

U_k = I₃ r₃ = U_ф r₃ / (r₀+r₃) = 220×8 / (4+8) = 147 В;

 

3) при обратном отношении сопротивлений r_з < r_o опасное напряжение возникает на заземляющем устройстве нейтрали трансформатора, а следовательно, и на корпусах всего оборудования, соединённого с этим заземляющим устройством. Уменьшить опасность поражения током в этом аварийном режиме можно только за счёт быстрого автоматического отключения повреждённого участка, что достигается устройством зануления. При занулении металлической части электроустановки, не находящиеся под напряжением, соединяются с глухозаземлённой нейтралью источника питания. Наличие такого соединения превращает замыкание токоведущих частей на корпус в короткое замыкание, вследствие чего аварийный участок отключается автоматом или предохранителем.

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что применение в четырёхпроводных сетях только защитного заземления не обеспечивает электробезопасность.

2.2.1.2 Краткое описание стенда.

На электрифицированном стенде показана трёхфазная сеть напряжением 380 В с глухозаземлённой нейтралью.

Корпус первого двигателя слева заземлён, а корпус второго двигателя занулён. На схеме есть два переключателя П1 и П2 для изменения сопротивлений зануляющего устройства и вторичного заземления нейтрали. Данная электросхема позволяет исследовать влияние сопротивления петли фаза-нуль Z_n и сопротивления повторного заземления нулевого провода r_n на опасность поражения током при одновременном нарушении изоляции и прикосновении человека к корпусу двигателя. На схеме также показано сопротивление рабочего заземления первого двигателя r_o.

2.2.1.3 Порядок проведения исследования.

При исследовании необходимо учитывать теоретические положения, изложенные выше. Исследование проводится в следующем порядке:

1) включим питающий шнур модели схемы в сеть переменного тока 220 В;

2) включим тумблер, расположенный на панно, при этом высветится трёхфазная система, которая изображена на электросхеме. К трёхфазной системе подключены электродвигатели. Корпус первого двигателя заземлён, второго – занулён. Данная схема показывает, в каких случаях человеку опасно касаться электроустановок;

3) кнопкой «Вкл. 1 дв.» включим освещение цепи первого двигателя. Если нажмём кнопку «Кас. чел.», опасность отсутствует, т. к. не включена кнопка пробой на двигатель;

4) кнопкой «Вкл. 1 дв.» осветим цепь первого двигателя, потом осветим пробой первого двигателя, т.е. нажмём кнопку «Пробой 1 дв.» и нажмем кнопку «Кас. чел.» (переключатель П1 установить на положение «до 3 Ом») и наблюдаем, как начинает мигать цепь, проходящая через человека, т.е. касание человека ко второму двигателю опасно, если пробой произошёл на первом двигателе. Объясняется это тем, что в случае замыкания фазы на заземлённый, но не присоединённый к нулевому защитному проводнику корпус образуется цепь тока I_З через сопротивление заземления этого корпуса r_з и сопротивление заземления нейтрали источника тока r_o. В результате между этим корпусом и землёй возникает напряжение

 

U_k = I₃ r₃.

 

Одновременно возникает напряжение между нулевым защитным проводником и землёй, т.е. между всеми корпусами, присоединёнными к нулевому защитному проводнику, и землёй:

 

U₀ = I₃ r₀.

 

При равенстве сопротивлений r_o = r_з = 4 Ом (п. 2.2.1.1) напряжения U_k и U₀ будут одинаковы и равны 110 В;

5) выключаем двигатель, пробой и т. д. кнопками «Выкл. 1 дв.», «Выкл. пробоя», «Выкл. кас. чел.»;

6) перейдём ко второму двигателю. Кнопкой «Вкл. 2 дв.» осветим цепь второго двигателя. Наблюдаем, что при прикосновении человека ничего не происходит, опасности для человека нет;

7) цепь второго двигателя оставим освещённой. Далее осуществим пробой второго двигателя, нажимая кнопку «Пробой 2 дв.» и кнопку «Кас. чел.». Переключатели П1 и П2 при этом стоят соответственно на делении «до 3 Ом» и «4 Ом». Как только нажмём кнопку «Кас. чел.», цепь второго двигателя гаснет, т. е. автомат отключил цепь, и касание человека к двигателю уже не опасно;

8) переключатель П1 поставим на деление «3 Ом», переключатель П2 ставим на деление 4 Ом, нажимаем кнопки «Вкл. 2 дв.», «Пробой 2 дв.», «Кас. чел.»; вольтметр и амперметр показывают напряжение и силу тока, загорается зелёная лампочка, а цепь второго двигателя гаснет, двигатель отключен;

9) переключатель П1 поставим на деление 3 Ом, переключатель П2 поставим на деление 10 Ом, нажмём соответственно кнопки «Вкл. 2 дв.», «Пробой 2 дв.», «Кас. чел.». Горят жёлтые лампочки вольтметра и амперметра – положение более опасное, и автомат срабатывает, цепь второго двигателя гаснет;

10) самое опасное положение: переключатель П1 поставим на деление «12 Ом», а второй – на «». Включим кнопки «Вкл. 2 дв.», «Пробой 2 дв.», «Кас. чел.». На вольтметре и амперметре замигает красная лампочка, и автомат срабатывает;

11) если происходит ослабление изоляции, то это опасно для человека. Включаем кнопки «Вкл. 2 дв.», «Ослаб. изоляции», «Кас. чел.». Цепь мигает, что говорит об опасности для человека. Затем кнопки и тумблер выключаются.

2.2.2 Анализ опасности поражения электрическим током в трёхфазных трёх­проводных сетях с изолированной нейтралью.

2.2.2.1 Общие положения.

В сетях с изолированной нейтралью прикосновение человека к одной из фаз вызывает ток I_h, проходящий через человека, и полное сопротивление двух других фаз сети R_из. Если ёмкостное сопротивление сети мало (сети небольшой протяжённостью), то

 

I_h = 3U_ф / (3R_n+R_из),

 

т. е. ток, проходящий через человека, будет меньше, чем в сетях с глухозаземлённой нейтралью. Однако это преимущество имеет место лишь тогда, когда постоянно обеспечивается высокое значение сопротивления изоляции R_из двух других фаз сети. В нормальных условиях эксплуатации

R_из > 0,5 МОм.

Защиту людей от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим частям оборудования, которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции, обеспечивает защитное заземление. Степень опасности поражения электрическим током в трёхфазных трёхпроводных сетях с изолированной нейтралью зависит от сопротивления защитного заземления и режима работы сетей.

2.2.2.2 Краткое описание стенда.

На электрифицированном стенде показана трёхфазная трёхпроводная сеть напряжением 380 В с изолированной нейтралью.

Корпус первого двигателя, который соединён с нейтральной точкой источника питания, расположен слева, а корпус второго двигателя заземлён. На схеме показан переключатель П для изменения сопротивления заземляющего устройства. Нейтральная точка источника питания заземлена через пробивной предохранитель.

Данная электросхема позволяет исследовать зависимость степени поражения электрическим током от величины сопротивления заземляющего устройства при одновременном нарушении изоляции и прикосновении человека к корпусу электродвигателя. Стенд также позволяет исследовать опасность поражения током человека при касании корпуса незаземлённого оборудования, но соединённого с нейтральной точкой источника питания.

2.2.2.3 Порядок работы электросхемы.

1) включаем питающий шнур стенда в сеть переменного тока 220 В;

2) включаем тумблер, расположенный на стенде. При этом осветится система, которая изображена на электросхеме. К трёхфазной системе подключены электродвигатели. Корпус первого двигателя соединён нейтральной точкой источника питания, второго – заземлён;

3) кнопкой «Вкл. 1 дв.» включаем освещение цепи первого двигателя. Если нажать кнопку «Кас. чел.», то ничего не произойдёт. Опасности нет и при включении второго двигателя и кнопки «Кас. чел.». На корпусах нет напряжения;

4) кнопкой «Вкл. 2 дв.» осветим цепь второго двигателя, потом осветим пробой второго двигателя и нажмем кнопку «Кас. чел.». Наблюдаем, как начинает мигать цепь, проходящая через первого человека, горит красная лампочка первого миллиамперметра, т. е. касание первого человека к первому двигателю опасно, если пробой произошёл на втором двигателе;

5) включаем кнопки «Вкл. 2 дв.» и «Пробой 2 дв.», осветив цепь и пробой второго двигателя. Переключатель П поставим последовательно в положение «4 Ом», «100 Ом» и «¥». На амперметре, показывающем величину тока, проходящего через второго человека, видим, как последовательно загораются зелёная, жёлтая и красная лампочки, т. е. с увеличением сопротивления заземляющего устройства возрастает опасность поражения человека электрическим током;

6) если происходит ослабление изоляции, то появляется опасность для человека. Включаем кнопку «Вкл. 1 дв.», «Ослаб. изоляции» и «Кас. чел.». Цепь мигает, что говорит об опасности для человека. Такую же картину наблюдаем и при включении цепи второго двигателя.