Анализ опасности поражения током в электрических сетях
Лабораторная работа №2
Оценка опасности поражения током в трехфазных электрических сетях напряжением до 1000 В.
Цель работы
Оценить опасность прикосновения человека к проводникам трехфазных сетей напряжением до 1000 В.
Изучить влияние параметров сети (режима нейтрали, сопротивления изоляции и ёмкости фазных проводников относительно земли) на опасность поражения человека электрическим током.
Содержание работы
1. Оценить опасность прямого прикосновения человека к проводникам трехфазных сетей с изолированной и заземлённой нейтралями при различных сопротивлениях изоляции и ёмкостях, проводников относительно земли. Провести сравнение опасности для двух режимов работы сетей – нормальном и аварийном, т.е. при замыкании на землю одного фазного проводника и отказе защитного автоматического отключения питания.
2. При нормальном режиме работы сети определить ток, проходящий через человека при прикосновении к фазному проводнику в зависимости от:
a. сопротивлений изоляции фазных проводников сети относительно земли при постоянной ёмкости этих проводников относительно земли,
b. ёмкостей фазных проводников сети относительно земли при постоянном сопротивлении изоляции.
Анализ опасности поражения током в электрических сетях.
Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) прямые прикосновения – это электрический контакт людей с токоведущими частями, находящимися под напряжением.
Тяжесть поражения человека электрическим током определяется напряжением прикосновения, т. е. напряжением между двумя проводящими частями или между проводящей частью и землей при одновременном прикосновении к ним человека.
Опасность прикосновения, оцениваемая током (Ih ) , проходящим через тело человека, или напряжением прикосновения (Uh ), зависит от ряда факторов: схемы включения человека в электрическую цепь, напряжения сети, а также сопротивлений изоляции и емкостей фазных проводников относительно земли. В данной работе исследуется включение человека между фазным проводником и землей.
Трехфазные сети напряжением до 1000 В выполняются с изолированной или глухозаземлённой нейтралями (рис.1). В сети с глухозаземлённой нейтралью – нейтраль источника питания – трансформатора или генератора присоединяется непосредственно к заземляющему устройству.
![]() | ![]() | |
![]() | ||
Рис.1 Трехфазные сети а) трёхпроводная с изолированной нейтралью, б) четырёхпроводная с глухозаземлённой нейтралью, в) пятипроводная с глухозаземлённой нейтралью | ||
Трехфазные сети с глухозаземлённой нейтралью выполняются в совокупности с нулевыми проводниками и могут быть четырех- и пятипроводными.
Для обозначения проводников, например, в электроустановках зданий используются следующие обозначения:
L1, L2, L3 – фазные проводники,
N – нулевой рабочий проводник,
PE – нулевой защитный проводник,
PEN – нулевой проводник, выполняющий функции рабочего и защитного проводников.
Современная классификация электроустановок, используемые термины и обозначения приведены в Приложении № 1 к данному сборнику лабораторных работ (для работ 2, 3, 4, 15).
В данной работе рассматриваются прямое прикосновение человека к фазным проводникам сетей с изолированной и глухозаземлённой нейтралями при условии, что защитные меры от поражения электрическим током отсутствуют.
Опасность прикосновения человека к фазному проводнику сети определяется значением проходящего через него тока Ih.
В сети с изолированной нейтралью при нормальном режиме работы (рис.2) и при равенстве между собой сопротивлений изоляции и емкостей проводников относительно земли ток через человека, касающегося фазного проводника определяется выражением:
(1)
где – ток через человека в комплексной форме, А,
Uф - фазное напряжение, В,
Rh – сопротивление тела человека, Ом,
Z – комплексное сопротивление фазного проводника относительно земли, Ом.
Комплекс полного сопротивления Z, как величину обратную проводимости Y, можно записать в виде
, (2)
где r - сопротивление изоляции проводников, Ом,
C – ёмкость проводников относительно земли, Ф,
- угловая частота, с-1,
f – частота переменного тока, Гц.
Рис.2 Прикосновение человека к фазному проводнику сети с изолированной нейтралью при нормальном режиме.
![]() | ![]() |
Рис.3 Прикосновение человека к фазному проводнику сети с изолированной нейтралью при аварийном режиме:
а) прикосновение к исправному проводнику,
б) прикосновение к замкнувшемуся проводнику.
При равенстве сопротивлений изоляции и весьма малых значениях емкостей проводников относительно земли, т. е. при r1=r2=r3=r и С1=С2=С3=0, что может иметь место в воздушных линиях небольшой протяженности ток, проходящий через человека, будет определяться как:
(3)
При равенстве емкостей и весьма больших сопротивлениях изоляции фазных проводников относительно земли, т. е. при r1=r2=r3=r и С1=С2=С3=C, что может иметь место в кабельных линиях, ток через человека согласно (1) и (2) определяется из выражения:
(4)
где - емкостное сопротивление, Ом.
В сети с глухозаземлённой нейтралью при нормальном режиме работы (рис. 4а) ток, проходящий через человека равен:
(5)
где - сопротивление заземлителя нейтрали, Ом.
![]() | ![]() |
Рис.4 Прикосновение человека к фазному проводнику четырех проводной сети с глухозаземлённой нейтралью:
а) нормальный режим,
б) аварийный режим.
Согласно требованиям Правил устройства электроустановок (ПУЭ) для сети 380/220 В наибольшее значение составляет 4 Ом, сопротивление же тела человека Rh не опускается ниже нескольких сотен Ом. Следовательно, без большой ошибки в (5) можно пренебречь значением
. Из выражений (1) и (5) следует, что прикосновение к фазному проводнику сети с глухозаземлённой нейтралью в нормальном режиме работы опаснее, чем прикосновение к проводнику сети с изолированной нейтралью, т.к. человек в этом случае попадает практически под фазное напряжение независимо от значений сопротивления изоляции и ёмкости проводников относительно земли.
В сети с изолированной нейтралью при аварийном режиме работы, т.е. когда произошло замыкание на землю одного из фазных проводников, выражение для тока через человека, коснувшегося незамкнувшегося на землю проводника (рис.3а) имеет вид:
(6)
где - линейное напряжение, В,
rзм - сопротивление растеканию тока в месте замыкания проводника на землю, Ом.
Если считать , что rзм<<Rh ,например rзм<100 [Ом] и Rh=1 [кОм], то получим
, (7)
т.е. человек окажется под линейным напряжением сети.
Если человек касается замкнувшего на землю проводника (рис 3,б), то ток через него намного меньше и определяется напряжением:
, (8)
Ток Iз находим без учета сопротивления человека из выражения аналогичного (3):
В сети с глухозаземлённой нейтралью при аварийном режиме (рис 4,б) ток через человека определяется напряжением фазных и нулевых проводников.
Определим ток Iз, считая что rзм<< Rh.
, (9)
Тогда напряжение нейтрали и нулевого проводника
, (10)
Напряжение замкнувшегося на землю фазного проводника 1
. (11)
Рис.5 Векторная диаграмма для сети с глухозаземлённой нейтралью при замыкании фазного проводника L1 на землю.
Напряжение на исправных фазных проводниках определим из векторной диаграммы (рис 5). Из треугольника 00'2 найдем:
, поскольку сos1200=-1/2, то
(12)
Рассмотрим два крайних случая, используя формулу (12):
1) rз=0, тогда U0=Uф и U2з=U3з= Uф;
2) r0=0, тогда U0=0 и U2з=U3з=Uф
Таким образом при любых соотношениях между r0 и rз напряжения на исправных фазах будет определяться неравенством:
Uф<(U2з=U3з)< Uф
Зная напряжения на проводниках сети с глухозаземлённой нейтралью можно определить ток через человека. Например, при прикосновении к исправным фазным проводникам.
Ih=U2з/Rh=U3з/Rh