Исследование эффективности действия

Учебно-исследовательская

Лабораторная работа

Защитного заземления в электроустановках

Напряжением до 1000 В

4.1. Цель и содержание работы

Исследовать влияние защитного заземления на опасность поражения током в электроустановках, питающихся от трёхфазных трёхпроводных сетей с изолированной нейтралью и от трехфазных пятипроводных сетей с заземленной нейтралью напряжением до 1 кВ.

Содержание работы:

1. Исследовать эффективность защитного заземления корпуса электропотребителя, питающегося от трёхфазной трёхпроводной сети с изолированной нейтралью.

2. Исследовать зависимость напряжения на заземлённом корпусе электропотребителя от величины сопротивления его заземляющего устройства в сети с изолированной нейтралью.

3. Оценить опасность поражения током при одновременном замыкании разных фаз сети с изолированной нейтралью на корпуса электропотребителей, имеющих раздельные заземляющие устройства.

4. Исследовать влияние защитного заземления на опасность поражения током при замыкании фазы на корпус электропотребителя, питающегося от трёхфазной пятипроводной сети с заземленной нейтралью.

Теоретическая часть

Общие сведения

Технический прогресс сопровождается повышением энерговооруженности людей во всех сферах их жизнедеятельности. При этом расширяется номенклатура используемых электроустановок, представляющих собой любое сочетание взаимосвязанного электрооборудования в пределах данного пространства или помещения.

Под электрооборудованием понимается любое оборудование для производства, передачи, распределения или потребления электрической энергии, например: машины, трансформаторы, аппараты, измерительные приборы, устройства защиты, кабельная продукция, электроприемники.

Электрический ток, протекая через организм человека и оказывая тепловое (термическое), электролитическое и биологическое воздействие, может вызывать серьезные последствия для здоровья. И хотя электротравмы (травмы, вызванные воздействием электрического тока или электрической дуги) составляют лишь незначительную часть общего травматизма, количество смертельных электротравм в общем смертельном травматизме велико.

Действие на организм человека электрического тока одних и тех же параметров зависит от окружающей обстановки и состояния самого организма: электрический ток не вызывающий заметного воздействия на организм человека в одних условиях, может привести даже к смертельному исходу в других. Опасность поражения электрическим током усугубляется еще и тем, что он не может быть обнаружен при помощи наших органов чувств.

Защита людей от поражения электрическим током в условиях производства и быту достигается различными способами, одним из которых является защитное заземление.

Назначение, сущность и область применения

Защитного заземления

Защитное заземление предназначено для защиты людей от поражения электрическим поражающим током при косвенном прикосновении с открытыми проводящими частями электроустановки и сторонними проводящими частями, не являющимися частями электроустановки (например, металлоконструкции здания, металлические газовые сети, водопровод, трубы отопления и т.п. и неэлектрические аппараты, полы и стены из неизоляционного материала), которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения.

Под поражающим током понимается ток, проходящий через тело человека, характеристики которого могут обусловить патофизиологические воздействия или вызвать травму.

Под открытой проводящей частью понимается нетоковедущая часть, доступная прикосновению человека, которая может оказаться под напряжением при нарушении изоляции токоведущих частей.

Защитное заземление представляет собой преднамеренное электрическое соединение с землей или её эквивалентом, например, с неизолированным от земли водоемом (в дальнейшем - землей), открытых проводящих частей электроустановки и сторонних проводящих частей, не являющихся частями электоустановки (в дальнейшем – открытых проводящих частей), которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения.

Для электроустановок напряжением до 1 кВ в зависимости от типа систем токоведущих проводников (для переменного тока – однофазные двух- и трехпроводные, двухфазные трех- и пятипроводные и трехфазные четырех и пятипроводные и для постоянного тока – двух- и трехпроводные) по ГОСТ Р 50571.2-94 приняты следующие системы заземления: TN, TT, IT.

Буквенные обозначения здесь имеют следующий смысл.

Первая буква в обозначении (I или T) определяет характер заземления источника питания (генератора, трансформатора) (рис.4.1)

Буква I (изолированная нейтраль) обозначает, что все токоведущие части источника питания изолированы от земли, либо одна точка заземлена через приборы или устройства, имеющие большое сопротивление.

Буква Т (TERRA, земля) обозначает, что токоведущая часть (обычно нейтраль) источника питания соединена напрямую с заземляющим устройством (глухо заземленная нейтраль).

Вторая буква обозначает характер заземления открытых проводящих частей электроустановки.

Буква Т обозначает, что открытые проводящие части электроустановки заземлены независимо от характера связи источника питания с землей.

Буква N (нейтраль) обозначает непосредственную связь открытых проводящих частей электроустановки с глухозаземленной нейтралью источника питания.

Система ТN – система, в которой нейтраль источника питания глухо заземлена, а открытые проводящие части электроустановки присоединены к глухозаземленной нейтрали источника посредством нулевых защитных или совместных проводников.

По способу прокладки защитного проводника система TN подразделяется на:

- систему TN–C, в которой функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводника совмещены в одном PEN-проводнике на всём её протяжении (рис.4.1а);

- систему TN–S в которой нулевой защитный (PE) и нулевой рабочий (N) проводники разделены на всём её протяжении (рис.4.1 б);

- систему TN–C–S, в которой функции нулевого рабочего (N) и нулевого защитного (PE) проводников совмещены в одном (PEN) проводнике в какой-то ее части, начиная от источника питания (рис.4.1 в);

Рис. 4.3. Схема измерения

Экспериментальная часть

Порядок выполнения работы

Задание №1.Исследовать эффективность защитного заземления корпуса электропотребителя, питающегося от трёхфазной трёхпроводной сети с изолированной нейтралью.

1.1. Включить стенд, переведя тумблер «ВКЛ-ВЫКЛ» в верхнее
положение; при этом должны загореться светодиодные индикаторы наличия
фазных напряжений на мнемосхеме передней панели.

1.2. Моделировать трехфазную трехпроводную сеть с изолированной нейтралью, установив переключатель «S_N» в нижнее положение.

1.3. Привести стенд в исходное состояние: нажать кнопку «СБРОС»; при этом сбрасываются значения предыдущего состояния стенда. Нажать чёрную кнопку «S₂» и красную кнопку «S_КЗ2». Регулятором напряжения сети «U_ф», расположенном в левой части панели стенда, подобрать значение в соответствии с указанным преподавателем вариантом задания таблицы 4.1, для чего, повернув его рукоятку на некоторый угол в нужную от среднего положения сторону (значения U_ф изменяются в пределах 220В±10%), нажать кнопку «ИЗМЕРЕНИЕ», расположенную справа в нижней части передней панели стенда и наблюдать на цифровом табло вольтметра значение U_ф при соответствующем положении переключателя «U_ф – U₀ – U₁ – U₂ – U₃ – U_A – U_B – U_C» (в данном случае крайнее левое положение). Корректировать положение регулятора, повторяя этот процесс до получения заданного значения, после чего рукоятку «U_ф» не трогать во избежание изменения значения U_ф. После каждого нажатия кнопки «СБРОС» не забывать включать кнопку «S₂» (корпус 2).

Таблица 4.1

Варианты заданий параметров сети

№ варианта
Фазное напряжение U_ф, В
Сопротивление изоляции проводов R_E, кОм
Сопротивление заземляющего устройства R_ЗМ2, кОм

1.4. Переключателем «S_RE», расположенном в правой части панели, установить сопротивления изоляции проводов относительно земли R_E в соответствии с вариантом задания (таблица 4.1).

1.5. Присоединить электропотребитель 2 к сети, нажав кнопку «S₂». Замкнуть фазный провод B на корпус 2, нажав кнопку «S_КЗ2». Убедиться, что на кнопках «S₂» и «S_КЗ2» горят светодиодные индикаторы.

1.6. Нажать кнопку «ИЗМЕРЕНИЕ».

1.7. Измерить вольтметром значения напряжения относительно земли корпуса 2, а также фазных проводов А, В и С, для чего последовательно переводить рукоятку вольтметра в положения U₂, U_A, U_B, U_C. Полученные значения напряжений занести в отчёт о лабораторной работе (таблица 4.2, строка «При отсутствии защитного заземления»).

Таблица 4.2

Оценка эффективности защитного заземления

Вариант № : U_ф= В; R_E= кОм; R_ЗМ2= кОм
Параметры сети	I_з, А	U₂, В	U_A, В	U_B, В	U_C, В
При отсутствии защитного заземления
При наличии защитного заземления

1.8. Нажать кнопку «СБРОС».

1.9. Переключателем «S_R_ЗМ2» установить значение сопротивления R_ЗМ2 заземляющего устройства в соответствии с вариантом задания.

1.10. Заземлить корпус 2, для чего гибкий провод, присоединенный к клемме «Х₂» и снабженный наконечником, подсоединить к клемме «X_ЗМ2».

1.11. Присоединить электропотребитель 2 к сети, нажав кнопку «S₂». Нажать кнопку «S_КЗ2», имитируя тем самым замыкание фазы В на корпус 2. Убедиться, что на кнопках «S₂» и «S_КЗ2» горят светодиодные индикаторы.

1.12. Измерить ток, стекающий в землю через заземляющее устройство, установив переключатель амперметра в положение «A₁». Полученное значение тока записать в отчет (таблица 4.2, строка «При наличии защитного заземления»).

1.13. Измерить вольтметром значения напряжений относительно земли заземлённого корпуса электропотребителя 2, а также фазных проводов А, В и С, для чего последовательно переводить рукоятку вольтметра в положения U_C, U_B, U_A, U₂. Полученные значения напряжений занести в отчёт о лабораторной работе (таблица 4.2, строка «При наличии защитного заземления»).

Сделать вывод об опасности прикосновения человека к корпусу электропотребителя в случае замыкания на него фазного провода при отсутствии и наличии защитного заземления. Отметить при этом влияние защитного заземления на напряжение фазных проводов сети относительно земли.

Задание №2. Исследовать зависимость напряжения на заземленном корпусе электропотребителя от сопротивления его заземляющего устройства в сети с изолированной нейтралью.

2.1. Выполнить указания п.п. 1.2–1.5 и 1.10 (если предварительно выполнялось задание №1, то следует только проверить соответствие
положений коммутационных элементов указаниям перечисленных пунктов).

2.2. Устанавливая последовательно переключателем «S_R_ЗМ2» значения
сопротивления заземляющего устройства R_ЗМ2 = 4, 10 и 100 Ом, каждый раз производить измерение напряжения на корпусе электропотребителя 2 относительно земли (положение рукоятки вольтметра U₂), и ток, стекающий в землю через заземляющее устройство I_з, (положение выключателя амперметра – «А₁»), нажимая кнопку «ИЗМЕРЕНИЕ». При этом необходимо убеждаться каждый раз, что на кнопках «S₂» и «S_КЗ2» горят светодиодные индикаторы (т.е. корпус 2 подключен к сети и закорочен), в противном случае выполнить требования п. 1.11. После каждого измерения перед установкой нового значения R_ЗМ2 нажимать кнопку «Сброс». Полученные значения напряжения U₂ и тока I_з записать в отчет (таблица 4.3).

Таблица 4.3

Изменение величины тока I_з и напряжения на корпусе 2 U₂ относительно земли в зависимости от сопротивления заземляющего устройства R_ЗМ2

Сопротивление заземляющего устройства R_ЗМ2, Ом	Напряжение на корпусе электропотребителя 2 U₂, В	Ток замыкания на землю I_з, А

2.3. Нажать кнопку «СБРОС».

2.4. Проанализировать зависимость опасности поражения электрическим током от сопротивления заземляющего устройства в случае
прикосновения человека к заземленному корпусу.

Задание №3. Оценить опасность поражения током при одновременном замыкании разных фаз сети с изолированной нейтралью на корпуса электропотребителей, имеющих раздельные заземляющие устройства.

3.1. Проверить соответствие состояния стенда требованиям п.п. 1.2 – 1.4.

3.2. Подключить корпуса 1 и 2 к заземляющим устройствам путем соединения гибкими проводами со штекерами клемму «X₁» с клеммой «Х_ЗМ1», а клемму «Х₂» с клеммой «Х_ЗМ2».

3.3. Переключателем «S_R_ЗМ2» установить значение сопротивления заземляющего устройства корпуса 2 R_ЗМ2 = 4 Ом.

3.4. Присоединить электропотребители – корпуса 1 и 2 к сети, нажав кнопки «S₁» и «S₂», при этом должны загореться соответствующие этим кнопкам светодиоды. Замкнуть фазный провод B на корпус 2, нажав кнопку «S_КЗ2», а фазный провод A на корпус 1, нажав кнопку «S_КЗ1», при этом также должны загореться соответствующие этим кнопкам светодиоды.

3.5. Нажав кнопку «ИЗМЕРЕНИЕ», произвести замыкание фазных проводов A и B соответственно на корпуса 1 и 2; измерить напряжения корпусов 1 и 2 относительно земли, для чего перевести рукоятку вольтметра сначала в положение U_2,а после его измерения – в положение U₁. Одновременно измерить ток, стекающий в землю через заземляющее устройство корпуса 2, при положении «А₁» переключателя амперметра.

Полученные значения напряжений и тока замыкания записать в отчёт (таблица 4.4).

Таблица 4.4

Изменение величины тока I_з и напряжений на корпусах электропотребителей

1 (U₁) и 2 (U₂) относительно земли в зависимости от величины R_ЗМ2

Сопротивление заземления корпуса электропотребителя 1 R_ЗМ1= 4 Ом
Сопротивление заземляющего устройства R_ЗМ2, Ом	Напряжение на корпусе электропотребителя 1 U₁, В	Напряжение на корпусе электропотребителя 2 U₂, В	Ток замыкания на землю I_з, А

3.6. Нажать кнопку «СБРОС».

3.7. Повторно последовательно выполнить задание при значениях R_ЗМ2 = 10 Ом и 100 Ом.

3.8. Нажать кнопку «СБРОС».

3.9. Отсоединить гибкий провод от клеммы «Х_ЗМ1».

3.10. Оценить опасность косвенного прикосновения в случае двойного замыкания фаз на заземленные корпуса и её зависимость от сопротивления заземляющего устройства.

Задание №4.Исследовать влияние защитного заземления на опасность поражения током при замыкании фазы на корпус электропотребителя, питающегося от трёхфазной пятипроводной сети с заземленной нейтралью.

4.1. Выполнить указание п. 1.2.

4.2. Заземлить нейтраль источника питания, подключить к нему N и РЕ-проводники, для чего установить переключатель «S_N» в верхнее положение. Переключатель «S_R_ПОВ» установить в положение «∞».

4.3. Выполнить указания п.п. 1.9, 1.10, 1.4, 1.5.

4.4. Нажать кнопку «ИЗМЕРЕНИЕ».

4.5. Измерить, руководствуясь указаниями п. 1.7, напряжения относительно земли корпуса 2 (U₂), нейтральной точки источника питания (U_о), проводов сети A, B, C (соответственно U_A, U_B, U_C_,). Результаты измерения занести в отчёт (таблица 4.5).

4.6. Измерить ток I_з, стекающий на землю через заземляющее устройство, установив переключатель амперметра в положение «A₁», и результат измерения занести в таблицу 4.5.

Таблица 4.5

Значения тока замыкания и напряжений фазных проводов, нейтральной точки и корпуса 2 относительно земли

R_А_E = R_В_E = R_С_E = R_NE = кОм; R_ЗМ2 = Ом (по варианту задания)
Напряжение на корпусе 2 U₂, В	Напряжения фазных проводов относительно земли, В	Напряжение нейтрали источника питания U_о, В	Ток замыкания на землю I_з, А
U_A	U_B	U_C

4.7. Отсоединить гибкий провод от клеммы «Х_ЗМ2».

4.8. Выключить стенд, переведя тумблер «ВКЛ-ВЫКЛ» в нижнее положение; при этом должны погаснуть светодиодные индикаторы наличия фазных напряжений на мнемосхеме передней панели.

4.9. Определить напряжение прикосновения U_пр по формуле 4.8, приняв U_з= U₂, α₂равным единице, а α₁ – любое в выше указанных пределах. Оценить в выводе эффективность применения защитного заземления в сетях с глухозаземленной нейтралью.

Требования к содержанию отчета

1. Наименование лабораторной работы.

2. Цель работы.

3. Обработанные результаты измерений и расчетов в таблицах, необходимые расчетные формулы, принципиальные схемы, поясняющие сущность выполненных экспериментов.

4. Выводы по каждому из разделов проведенных исследований.

5. Заключение об эффективности защитного заземления на основе анализа полученных результатов.

6. Индекс группы и подписи членов бригады

Литература

1. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках: Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М: Энергоатомиздат, 1984. с. 182 – 221.

2. Монахов А.Ф. Защитные меры электробезопасности в электроустановках. Учебное пособие. – М.: ЗАО «Энергосервис», 2006. – 152 с.

3. Электробезопасность в машиностроении / Б.А. Князевский, А.И. Ревякин, Н.А. Чекалин, Л.Е. Трунковский – М.: Машиностроение, 1980.

4. Правила устройства электроустановок / М-во энергетики РФ – 7-е изд. – М.: Энергосервис, 2002.

5. Оценка эффективности действия защитного заземления в электроустановках: Метод. указания по выполнению учебно-исследовательской лабораторной работы /Сост. Н.А. Трофимов, Н.И. Захаров; Перм. гос. техн. ун-т.- Пермь, 2004.

6. ГОСТ Р 50571.1-93 Электроустановки зданий. Основные положения

7. ГОСТ Р 50571.2-94 Электроустановки зданий. Часть 3. Основные характеристики.

8. ГОСТ Р 50571.3-94 Электроустановки зданий Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Защита от поражения электрическим током.

Учебно-исследовательская

Лабораторная работа

Исследование эффективности действия