Методические указания к выполнению лабораторной работы "Исследование эффективности способов защиты человека от поражений электрическим током с помощью зануления и защитного заземления" (для студентов всех специальностей)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

"МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ МИНИСТЕРСТВА ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ"

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторной работы

"Исследование эффективности способов защиты человека

от поражений электрическим током с помощью

зануления и защитного заземления"

(для студентов всех специальностей)

Юрий Михайлович Бурашников

Наталья Анатольевна Беляева

Кафедра «Охрана труда,

окружающей среды,

строительства и сантехники »

Рецензенты:

,

Цель работы: изучить устройство, принцип работы и исследовать эффективность систем зануления и защитного отключения.

Введение

На предприятиях для электроснабжения используется переменный ток напряжением до 1000 В: трехфазная трехпроводная сеть с изоли­рованной нейтралью понижающего трансформатора и четырехпроводная сеть с заземленной нейтралью. На рис.1 приведены схемы электриче­ских сетей.

 

Трехпроводные сети с изолированной нейтралью применяются в ос­новном при коротких линиях между трансформатором и потребителем (подвижные трансформаторные средства, передвижные электростанции, линии автоблокировки и т. п.), т. е. там, где сопротивление изоляции установок легко контролировать, и где емкость фазных проводов отно­сительно земли невелика. В такой сети прикосновение человека, сто­ящего на земле, к одному из фазных проводов или металлическому кор­пусу электроустановки, оказавшемуся под напряжением вследствие замыкания одной из фаз не корпус, что бывает часто в производственных условиях, при хорошем состоянии изоляции практически безопасно. Ток, проходящий через человека, не будет превышать пороговых ощутимых значений, т. к. зависит от сопротивления изоляции и емкости фаз от­носительно земли. Ток, проходящий через человека тем меньше, чем больше сопротивление между фазными проводами и землей.

Однако большинство стационарных электрических сетей промышлен­ных предприятий имеют значительную протяженность и сильно разветвлены. В этом случае емкость разных проводов относительно земли значительна (С > 0,1 МкФ на фазу), сопротивление изоляции мало, намно­го меньше сопротивления цепи человека, т. е. человек, касаясь фазы, окажется под фазным напряжением, а изоляция никак не влияет на ве­личину проходящего через него тока.

В сети напряжением 380 В (фазное напряжение 220 В) ток, проходящий через человека, достигает смертельно опасной величины - 220 мА. Сеть с плохой изоляцией и большой емкостью опасна, т. к. ток через человека, прикоснувшегося к фазе, достигает опасных и даже смертельных величин Jчел > 50 мА.

Также значительную опасность в сетях с изолированной нейтралью представляет замыкание одной из фаз на землю. Электрические установ­ки при этом будут продолжать работать в нормальном режиме, но прикосновение человека к любой из соседних фаз эквивалентно двухфазному включению и ток, проходящий через человека Jчел = Uл/Rч может превысить опасную величину.

На рис.2 показана схема включения человека в сетях с изолированной нейтралью при замыкании одной из фаз на землю.

Для защиты обслуживающего персонала от прикосновения к метал­лическим корпусам установок, оказавшимся под напряжением, в сетях с изолированной нейтралью используют защитное заземление (устройст­во, принцип действия даны в методическом указании "Исследование защитного заземления электроустановок").

Защита человека от поражения электрическим током при случайном соприкосновении с корпусом электроустановки, оказавшимся под напря­жением, в сетях четырехпроводных с глухозаземленной нейтралью обеспечивается занулением.

Зануление – преднамеренное соединение металлических нетоковедущих корпусов электрооборудования с многократно заземленным нулевым проводом. При этом любое замыкание одной из фаз на корпус превраща­ется в однофазное короткое замыкание, которое приводит к срабатыва­нию максимальной токовой защиты - сгорают предохранители либо отклю­чается автоматический выключатель, что обеспечивает отключение неисправной установки от сети.

На рис.3 показана схема зануления и путь тока при замыкании одной фазы на корпус.

Из рисунка видно, что обязательным условием четкого срабаты­вания защиты в системе зануления является наличие исправных пре­дохранителей, а также достаточно малое сопротивление току корот­кого замыкания участка между нулевым и фазным проводом - петли "фаза - нуль".

Для контроля исправности зануления сопротивление петли "фаза - нуль" периодически измеряется по методике, изложенной ниже. Соп­ротивление должно быть таким, чтобы расчетный ток короткого замы­кания в 1,5-3 раза превышал пороговый ток срабатывания защиты. Мно­гократное заземление нулевого провода обеспечивает снижение напря­жения на корпус электроустановки в момент короткого замыкания, осо­бенно при обрыве нулевого провода. Если повторное заземление отсут­ствует (Rn→∞), напряжение корпуса относительно земли будет рав­няться напряжению на корпусе UЗ = UК = U/2 (при U = 220 В; UЗ = 110 В), а напряжение нейтрали будет равно 0. При наличии повторного заземления потенциалы будут равны: UЗ = Uo = U/4 (при U = 220 В, Uo =UЗ = 55 В, что допустимо в течение 1 секунды).

Таким образом, повторное заземление при замыкании на корпус уменьшает его потенциал и тем самым повышает безопасность. На рис.3 показано распределение потенциалов вдоль нулевого провода, между повторным заземлением (а, значит, и корпусом) и заземлением нейтра­ли. Эти потенциалы будут существовать в течение времени срабатыва­ния защиты.

При обрыве нулевого провода, в случае замыкания на корпус, ко­роткого замыкания не произойдет. Все корпуса, соединенные с нулевым проводом за местом обрыва, оказываются под напряжением относитель­но земли, равным UЗ. Те корпуса, которые занулены до места обрыва, находятся под напряжением, равным Uo, что является опасным. При от­сутствии повторного заземления нулевого провода, опасность возрас­тает еще больше, т. к. замыкание происходит на корпус, не имеющий ни зануления, ни заземления. Корпуса, соединенные с поврежденным корпусом, оказываются под фазным напряжением относительно земли.

Таким образом, для работы системы зануления необходимо наличие следующих условий:

1.Надежное соединение корпуса электроустановки с исправным нулевым проводом (малое сопротивление петли "фаза-нуль").

2. Наличие исправных предохранителей или автоматов защиты.

3. Наличие заземления нейтрали и многократного заземления ну­левого провода.

Только совместное выполнение этих трех условий гарантирует на­дежную работу системы зануления.

Серьезным недостатком зануления является большое время сраба­тывания. Это обусловлено тем, что для целей защиты от поражения электрическим током используются те же предохранители, которые ис­пользуются для предохранения самой электроустановки от повреждений в различных аварийных ситуациях. Они, как и всякие типовые систе­мы, имеют сравнительно большую инерционность, время срабатывания может достигать нескольких секунд. В течение этого времени человек, коснувшийся корпуса электродвигателя, может быть поражен электри­ческим током.

С целью устранения вышеуказанного недостатка в четырехпроводных сетях с заземленной нейтралью в настоящее время все более ши­рокое применение находят системы защитного отключения (ЗО), кото­рые позволяют обеспечить время срабатывания защиты τ≤0,2 с.

Время 0,2 с. является рекомендованным допустимым временем при­косновения к токоведущим частям, находящимся под напряжением ≤ 250 В.

Наиболее простыми и широко распространенными системами защит­ного отключения являются системы, реагирующие на потенциал корпу­са установки относительно земли, который появляется на корпусе вследствие замыкания на нем одной из фаз.

Как правило, система защитного отключения включает в себя чувствительный элемент (например, реле) и исполнительное устрой­ство, отключающее неисправную установку от сети.

Время срабатывания защиты зависит от напряжения, при котором срабатывает чувствительный элемент. Это напряжение называется нап­ряжением установки (UУ). На графике рис.4 показан ход изменения потенциала на корпусе электроустановки относительно земли с момен­та замыкания фазы на корпусе.

Как только напряжение на корпусе достигает UУ, система за­щиты отключения отключает неисправную установку от сети.

В большинстве систем ЗО UУ можно регулировать, тем самым из­меняя время срабатывания защиты.

Работа состоит из двух частей.

 

Часть I

Исследование зануления

Работа выполняется на лабораторном стенде (левая часть), принципиальная электрическая схема которого приведена на рис.5.

Схема состоит из вторичной обмотки питающего трансформатора 10 кВ/0,4 кВ и потребителя – электродвигателя ~ тока 380 В. Сеть четырехпроводная с заземленной нейтралью (τ0) источника пи­тания (трансформатора).

Электродвигатель подсоединен к сети через трехфазный выключа­тель В8 и предохранители Пр1; Пр2; Пр3. Корпус электродвигателя занулен - соединен с нулевым проводом питающего трансформатора. Кроме того, имеется повторное заземление нулевого провода (rn) и возможность заземления корпуса электродвигателя (rk).

Короткое замыкание фазы А на корпус электродвигателя происхо­дит выключателем В6 , а на землю - выключателем В7.

При коротком замыкании на корпус загорается лампочка Лτ1 и амперметр ~ А2 показывает величину тока замыкания. При коротком замыкании на землю загорается лампочка Л2.

Выключатели В1, В2, В3, В4, В5, обеспечивают необходимые в ходе выполнения работ подключения (отключения) различных элементов схе­мы. Схема подключается к электросети лаборатории выключателем ВС1.

На нижней (горизонтальной) панели стенда расположены слева

направо:

- схема для измерения полного сопротивления петли "фаза-нуль",

состоящая из амперметра ~ А1, вольтметра ~ V1, понижающего трансформатора, регулировочного и балластного сопротивлений. Схема включается в сеть выключателями B15 и B16. Цифры у острия стре­лок указывают точки сети, к которым подключены плечи схемы;

- вольтметра ~ V2 - для замера в различных ситуациях напряже­ния на нулевом проводе и на корпусе электродвигателя относительно земли. Выключателями В12; B13; B14 вольтметр подключается к точкам 5, 6, 8 нулевого провода и корпуса электродвигателя, выключателем В11 - к точке 7 земли;

- секундомер τ для измерения времени срабатывания предохрани­теля Пр1, подключается к схеме выключателем В9.

Порядок выполнения работы

1. Исследование действия зануления.

Установить выключатели ВС1;В1, B2, В3, B8, В5 вверх в положение “включено” (горит лампочка Л3). Вернуть на ноль стрелки секун­домера, нажав рычаг - "сброс".

Сделать короткое замыкание фазы А на корпус электродвигателя, включив последовательно выключатели В9 и В6 и зафиксировать ток короткого замыкания (по амперметру ~ А2,) и время срабатывания защиты - предохранителя Пр1 (по секундомеру τ).

После срабатывания защиты выключить выключатели В6 и В9, нажав на клавишу, установить в исходное положение предохранитель Пр1 (за­горится лампочка Л3) и рычагом возврата "сброс" вернуть на ноль стрелки секундомера. Результаты замеров занести в табл.1.

Таблица 1

Ток срабатывания предохранителя Пр, JФ, А	40
Ток короткого замыкания (КЗ), JКЗ, А
Время срабатывания защиты при КЗ, τ, с

Сделать вывод:

- за счет чего зануление обеспечивает защиту работающих от поражения электрическим током при КЗ одной из фаз на корпус оборудо­вания;

- достаточно ли время срабатывания предохранителя Пр1 для

обеспечения безопасности работающих.

2. Исследование элементов зануления.

А. Назначение нулевого провода:

- включить выключатели ВС1, B1, B3, B8, B5;

- выключателем B2 отключить нулевой провод;

- включив В4 заземлить корпус электродвигателя;

- сделать короткое замыкание фазы А на корпус, включив выклю­чатель В6;

- зафиксировать ток КЗ по амперметру ~ А2;

- после снятия замера выключить выключатели B6, B4; включить зануление выключателем В2;

- результаты замеров занести в табл.2;

- объяснить причину снижения тока КЗ и почему не сработала за­щита.

Таблица 2

Ток КЗ при отключенном нулевом проводе, JКЗ, А

Сделать вывод: назначение нулевого провода.

Б. Назначение заземления нейтрали:

- включить выключатели Вс1: B2, B3, B8;

- выключателями В1 и В5 отключить заземление нейтрали транс­форматора и повторное заземление нулевого провода;

- выключателями B11 и В12 подключаем вольтметр ~ V2 к точкам 5 и 7 схемы;

- выключателем В7 делаем короткое замыкание фазы А на землю;

- зафиксировать показания вольтметра ~ V2; занести в табл. З;

- включив выключатель В1, подключить заземление нейтрали к схеме и снова замерить напряжение по вольтметру ~ V2; занести в табл.3 (при этом отклонение стрелки минимально);

- выключить выключатели B7, B11, B12, включить выключатель В5.

Таблица 3

Напряжение КЗ при отключении заземления UКЗ, В
Напряжение КЗ после подключения заземления нейтрали UКЗ, В

Сделать вывод: назначение заземления нейтрали трансформатора.

В. Назначение повторного заземления нулевого провода.

а) при исправной схеме:

- включить выключатели ВС1, B1, B2, B3, B8;

- выключателем B5 отключить повторное заземление нулевого провода;

- выключателями B11и B13 подключить вольтметр ~ V2 к точкам 6 и 7 схемы;

- сделать короткое замыкание фазы А на корпус выключателем В6 и до срабатывания защиты зафиксировать показания вольтметра ~ V2, занести в табл.4;

- выключить выключатель В5, установить в исходное положение Пр1 (горит лампочка Л3);

- выключателем В5 подключить повторное заземление нулевого провода;

- сделать короткое замыкание фазы А на корпус электродвигате­ля, включив выключатель B6 и до срабатывания защиты зафиксировать показания вольтметра ~ V2, занести в табл.4;

- выключить выключатели B6, B11, B13 установить в исходное по­ложение предохранитель Пр1 (горит лампочка Л3).

б) при обрыве нулевого провода:

- выключателем В5 отключить повторное заземление нулевого провода;

- оборвать нулевой провод, выключив выключатель B3;

- выключателями B11и B14 подключить вольтметр ~ V2 к точкам 7 и 8 схемы;

- сделать короткое замыкание фазы А на корпус электродвигате­ля., включив выключатель В6 и зафиксировать показания вольтметра ~ V2, занести в табл.4;

- выключателем В5 подключить повторное заземление нулевого провода к сети и зафиксировать показания вольтметра в этой ситуа­ции; занести в табл.4;

- выключить выключатели B6, B11, B14 включить выключатель В3

Таблица 4

Ситуация Измеряемые параметры	КЗ на корпус установки	КЗ при обрыве нулевого провода
Напряжение КЗ при отключении повторного заземления нулевого провода UКЗ, В
Напряжение КЗ при наличии повторного заземления нулевого провода UКЗ, В

Сделать вывод: сформулировать назначение повторного заземле­ния нулевого провода.

3. Контроль сопротивления петли "фаза-нуль":

- включить выключатели Вс1, B1, B2, B3, B5;

- выключателем B8 отключить электродвигатель от сети;

- соединить обмотки электродвигателя с его корпусом, включив выключатель В6;

- выключателями В15 и В16 подключить схему для измерения соп­ротивления петли "фаза-нуль";

- зафиксировать показания приборов схемы (амперметра ~ А1 и вольтметра ~ V1); занести в табл.5;

- выключить выключатели B15, B16, B6;

- выключить выключатели Вс1, B1, B2, B3, B5;

Таблица 5

Измеряемые параметры	Напряжение петля “Ф-Н” UФ-Н, В
Ток петли “Ф-Н” JФ-Н, А
Расчет петли сопротивления Ф-Н RФ-Н=, Ом
Расчет ожидаемого тока КЗ JКЗ=, А
Проверка выполнения условий срабатывания защиты JКЗ>JСР. ПР. (Jср=40 А)

Определить, обеспечил ли ожидаемый при R петли "фаза-нуль" ток короткого замыкания срабатывание защиты (предохранителя Пр1).

JК. З. = > Jср. пр.

Часть II

Исследование защитного отключения

Работа выполняется на лабораторном стенде (правая часть), принципиальная схема которого представлена на рис.6.

Четырехпроводная схема с заземленной нейтралью источника пи­тания состоит из вторичной обмотки питающего трансформатора 10/0,4 кВ и потребителя-электродвигателя ~ тока 380 В.

Корпус электродвигателя соединен с нулевым проводом, имеется повторное заземление нулевого провода сети - rп. При подключении электродвигателя к сети загорается лампочка Л1.

Короткое замыкание фазы С на корпус электродвигателя обеспечивается выключателем В17, при этом загорается лампочка Лτ2.

В схеме имеется устройство защитного отключения, реагирующее на потенциал корпуса электродвигателя, состоящее из реле РН, вс­помогательного (регулируемого) заземления RВ и отключающего кон­тактора МП.

При коротком замыкании фазы С на корпус электродвигателя, на нем возникает потенциал относительно земли, что приведет к сраба­тыванию реле РН и замыканию контакта КРН - замкнется цепь тягового реле отключающего контактора (МП), и последний отключит электро­двигатель от сети, разомкнув контакты КМП.

Схема подключается к электросети лаборатории выключателем ВС2.

Секундомер τ для измерения времени срабатывания реле РН - отключающий контактор (МП) подключается выключателем В10.

На нижней панели также представлены исходные данные для рас­четов элементов схемы защитного отклонения.

Порядок выполнения работы.

- по исходным данным схемы защитного отключения произвести расчет требуемого (для срабатывания защитного отключения с τ ≤ 0,2 с.) сопротивления вспомогательного заземления

RB=акт; Ом

- переключателем установить полученное значение на шкале RВ схемы защитного отключения. Если полученное значение находится между соседними значениями шкалы, установить по меньшему;

- включить питание правой части стенда выключателем ВС2 (при этом загорается лампочка Л1);

- выключателем B10 подключить к схеме секундомер τ (стрелки секундомера возвращаются на ноль нажатием на рычаг - "сброс");

- сделать короткое замыкание фазы С на корпус электродвига­теля, включив выключатель B17 (загорается лампочка Лτ2);

- зафиксировать показание секундомера и занести в табл.6, и рычагом возврата "сброс" установить на ноль его стрелки;

- выключить выключатели B17, B10, BС2;

- установить в исходное положение переключатель шкалы RВ.

Таблица 6

Исходные данные схемы защитного отключения	Напряжение срабатывания реле РН, UСР. РН, В	30
Допустимое напряжение прикосновения, UДОП. ПР, В	60
Активное сопротивление обмотки реле РН, RАКТ, Ом	400
Индуктивное сопротивление обмотки реле РН, RИНД, Ом	200
Расчет вспомогательного сопротивления RB=акт; Ом
Время срабатывания схемы защитного отключения τ, с

Сделать вывод об эффективности рассчитанной и собранной схемы защитного отключения при коротком замыкании одной из фаз сети на корпус электродвигателя.

ЛИТЕРАТУРА

1.  Правила устройства электроустановок. – М: «ДЕАН»,2003, - 176 с.

2.  , «Охрана труда в пищевой промышленности, общественном питании и торговле». – М.: Издательский центр «Академия», 2003г, - 249 с.

3.  , , и др. «Безопасность жизнедеятельности и охрана труда» - М.: Высшая школа, 2003, - 439 с.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………

Исследование зануления. Часть I……………………………………………

Порядок выполнения работы………………………………………………...

Исследование защитного отключения. Часть II……………………………

Порядок выполнения работы………………………………………………...

Литература……………………………………………………………………..