Исследование условий электробезопасности в трехфазных сетях с изолированной и с компенсированной нейтралями

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра безопасности жизнедеятельности

отчет

по лабораторной работе

по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности»

Тема: Исследование условий электробезопасности в трехфазных сетях с изолированной и с компенсированной нейтралями

Санкт-Петербург 2021

Цель работы

· Исследование опасности при однофазном прикосновении человека;

· Изучение основных принципов защиты от поражения электрическим током;

· Изучение опасности при аварийных режимах работы.

Основные теоретические положения

Сети с изолированной или с компенсированной нейтралями применяются во многих ответственных электроустановках, в частности, на судах, в шахтах, карьерах, больницах, лабораториях и т.д., где недопустимо отключение питания даже при аварийной ситуации, например при замыкании фазы на землю. При нормальной работе сети прямое однофазное прикосновение человека к токоведущей части или непрямое (косвенное) прикосновение к токопроводящему корпусу приёмника электроэнергии, на который произошло замыкание фазы, менее опасно, чем подобные прикосновения в сети с глухозаземлённой нейтралью.

В работе исследуются следующие физические величины: напряжение однофазного прикосновения U_h, сопротивление изоляции фаз (R_A, R_B, R_C), ёмкость фаз относительно земли (C_А, С_В, С_С), сопротивление защитного заземления R_заз.

Напряжение прикосновения может быть от близкого к нулю до фазного при неаварийном режиме: 0<U_h<U_ф, и только при замыкании другой фазы на землю - от фазного до линейного: U_ф<U_h<U_л.

При большой ёмкости сети эквивалентные сопротивления фаз относительно земли равны между собой (сопротивление R_h не нарушает их симметрию), поэтому напряжение прикосновения равно фазному напряжению. Если ёмкость C_ф невелика, то эквивалентные сопротивления становятся неравными (меньше у фазы A при прикосновении к ней человека); напряжение U_А01 становиться меньше фазного, а напряжения U_В01, U_С01 возрастают и становятся больше фазных. В случае замыкания фазы на землю при небольших C_ф напряжение U_В01 близко к нулю, а U_А01 и U_С01 близки к U_л.

Защитное заземление - преднамеренное соединение токопроводящих частей электрооборудования с землёй. Напряжение прикосновения при этом снижается до безопасного значения вследствие перераспределения напряжений между фазами сети и землёй.

Согласно ГОСТ 12.1.030-84 сопротивление защитного заземления корпуса электрооборудования R_заз в системе IT при напряжении до 1 кВ не должно превышать 4 Ом (если мощность генератора или трансформатора больше 100 кВ*А) либо 10 Ом (если мощность меньше 100 кВ*А).

Допустимое напряжение прикосновения U_hдоп= 20 В. Допустимая сила тока прикосновения I_hдоп = 6 мА.

Рис 1. Схема установки

Этот стенд имитирует трёхфазную сеть, работающую в режиме с изолированной или компенсированной нейтралью.

Переменные резисторы R_a, R_b, R_c и конденсаторы С_а, C_b, C_c имитируют сопротивления изоляции и емкости фаз сети относительно земли; их значения 2, 10, 50, 250, 500 кОм, ? и 0; 0,1; 0,3; 0,5; 1,0; 10 мкФ устанавливаются переключателями S8-S13. Выключателем S7 устанавливается режим замыкания фазы b на землю через сопротивление R_зам = 100 Ом. Однофазное прикосновение человека имитируется подключением резистора R_h = 1 кОм к фазе а сети или корпусу приемника электроэнергии (переключатель S4); выключателем S5 выполняется замыкание фазы а на корпус электроприемника. Последний может быть заземлен через сопротивление R_з, значения которого 0,1; 1 или 100 Ом устанавливается переключателем S6. С помощью вольтметра и переключателя S3 можно измерить напряжение смещения нейтрали U₀, напряжения фаз сети относительно земли U_ф-з и напряжения U_пр.

Протокол измерений (вариант 3)

Таблица 1. Анализ условий опасности прямого прикосновения к сети IT

Таблица 2. Изучение условий безопасности при непрямом прикосновении

Таблица 3. Анализ условий опасности прямого прикосновения к сети CT

Анализ условий опасности прямого прикосновения к сети IT

Рис 2. Электрическая схема

1. Переключателем S4 устанавливаем режим прямого прикосновения человека к фазе А.

2. Устанавливаем переключателями S8, S10, S12 емкости фаз C=0.1 мкФ и, изменяя переключателями S9, S11, S13 одновременно сопротивления изоляции фаз от минимального (положение 1) до максимального (положение 5), измеряем напряжение смещения нейтрали, соответствующих фаз относительно земли и напряжение прикосновения. Результаты заносим в таблицу, представленную ниже.

3. Измерения, аналогичные п.2, проводим и для C размерностью 1 мкФ, 10 мкФ.

Таблица 4. Измерение напряжения смещения нейтрали относительно земли, напряжений смещения соответствующих фаз относительно земли, напряжения прикосновения при заданных емкостях фаз относительно земли и сопротивлений изоляции фаз.

где - фазное напряжение источника электроэнергии

Вывод: экспериментально определенное напряжение прикосновения отличается от рассчитанного аналитически незначительно, что говорит о достаточно высокой для данного опыта точности измерительных приборов в лаборатории. Также, разницу можно списать на паразитные токи и емкости в системе.

Рис 3. Векторная диаграмма

Если емкость сети невелика, то эквивалентные сопротивления становятся неравными (меньше у фазы А при прикосновении к ней человека); соответственно напряжение фазы А относительно земли становиться меньше фазного.

Вывод: по графику 4 зависимости напряжения прикосновения от сопротивления изоляции можно сделать вывод о том, что тенденция к падению напряжения прикосновения с ростом сопротивления изоляции не свойственна при высокой емкости фаз относительно земли.

Рис. 4 Зависимость напряжения прикосновения Uh от сопротивления изоляции R.

Рис. 5 Зависимость напряжения прикосновения Uh от емкости фаз относительно Сф.

Вывод: по графику 5. зависимости напряжения прикосновения от емкости фаз относительно земли можно сделать вывод о том, что на напряжение прикосновения не влияет значение сопротивления изоляции при высокой емкости фаз напряжения.

4. Получаем задание на расчет напряжения прикосновения при несимметричных активных сопротивлениях фаз и определяем его экспериментально для последующего сравнения.

Таблица 5.

41,76

Вывод: экспериментально определенное напряжение прикосновения отличается от рассчитанного аналитически всего на 4,13 В, что говорит о достаточно высокой для данного опыта точности измерительных приборов в лаборатории. Также, разницу можно списать на паразитные токи и емкости в системе.

5. Устанавливаем выключателем S7 замыкание фазы В на землю. При емкости C=0.5 мкФ и сопротивлениях фаз 2кОм измеряем напряжения. Убеждаемся, что напряжение прикосновения становится больше фазного.

Замыканием фазы В на землю мы добиваемся создания аварийного режима в сети, который сопровождается возрастанием напряжения прикосновения до линейного напряжения.

Таблица 6.

6. Отключаем выключателем S7 замыкание фазы В на землю!

Изучение условий безопасности при непрямом прикосновении

Рис 6. Электрическая схема исследуемых средств защиты

Для защиты человека при переходе напряжения на нетоковедущие части установок применяют защитное заземление. Защитным заземлением называется преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Защитное заземление осуществляется с помощью специальных заземляющих устройств (ЗУ). Назначение ЗУ заключается в том, чтобы создать между корпусом и землей соединение с достаточно малым сопротивлением. Согласно ПУЭ в электроустановках напряжением до 1000 В сопротивление ЗУ R не должно превышать 4 Ом. При мощности источника 100 кВА и менее сопротивление ЗУ может быть увеличено до 10 Ом.

1. Переключателем S4 устанавливаю режим непрямого прикосновения человека к фазе А, а выключателем S5 замыкаем фазу на корпус. Устанавливаем переключателями S8, S10, S12 емкости фаз C=10мкФ, а переключателями S9, S11 и S13 сопротивления изоляции фаз 50 кОм. Измеряем напряжения сначала при отсутствии дополнительной защиты, а после этого при использовании защитного заземления для всех возможных сопротивлений 0.1, 1 и 100 Ом (переключатель S6) и заносим их в таблицу.

2. Устанавливаем выключателем S7 замыкание фазы В на землю. При емкости С=0.5 мкФ и сопротивлениях фаз 2 кОм повторяем измерения по п.1, убедившись, что напряжение прикосновения становится больше, чем без замыкания.

Таблица 7.

Рис. 7

5,80

Вывод: экспериментально определенное напряжение прикосновения отличается от рассчитанного аналитически всего на 2,65 В, что говорит о достаточно высокой для данного опыта точности измерительных приборов в лаборатории. Также, разницу можно списать на паразитные токи и емкости в системе.

Рис. 8 Зависимость напряжения прикосновения Uh от сопротивления заземления R_заз.

Вывод: Напряжение прикосновения в данном случае снижается до безопасного значения вследствие перераспределения напряжений между фазами сети и землей, т.к. за счет малого значения сопротивления защитного заземления эквивалентное сопротивление поврежденной фазы относительно земли понижается достаточно заметно, а потому и уменьшается напряжение между этой фазой и землей, но напряжения других фаз увеличиваются до линейных. Также наблюдаем тенденцию повышения напряжения прикосновения при увеличении сопротивления заземления.

Вывод: По графикам и таблице делаем практический вывод о том, что замыкание фазы на землю приводит к более значительному повышению напряжения прикосновения

Рис. 9 Зависимость напряжения прикосновения Uh от сопротивления заземления R_заз. при замкнутой на земле фазе В

Анализ условий опасности прикосновения к сети СТ

Рис 10. Электрическая схема исследуемых средств защиты

Компенсация емкостных токов подключением нейтрали к земле с помощью катушки с регулируемой индуктивностью позволяет уменьшить ток прикосновения в сетях с большой емкостью.

1. Переключателем S4 устанавливаем режим прямого прикосновения человека к фазе А.

2. Устанавливаем переключателями S8, S10, S12 емкости фаз C=1 мкФ и переключателями S9, S11, S13 сопротивления изоляции фаз 50 кОм, измеряем напряжения смещения нейтрали, фаз относительно земли и напряжение прикосновения. Результаты заносим в таблицу.

3. Выключателем S2 включаем между нейтралью источника и землей реактор L с регулируемой индуктивность. Измеряем и записываем напряжение прикосновения при трех значениях индуктивности реактора.

Таблица 8.

Вывод: Компенсация емкостных токов подключением нейтрали к земле с помощью катушки с регулируемой индуктивностью позволяет уменьшить ток прикосновения в сетях с большой емкостью. Что мы, собственно, и наблюдаем в данной ситуации. Ток, протекающий через место замыкания фазы на землю, имеет две составляющие - емкостную и индуктивную. Т.к. емкостной ток опережает по фазе на 90 градусов напряжение, а индуктивный отстает на 90 градусов, то эти два тока оказываются в противофазе и взаимно компенсируют друг друга.

Выполнить расчет и сравнить с экспериментом

При С = 1 мкф

Вывод: это соответствует экспериментальным данным, т.к. при L=3, Uh стремится к 0. Следовательно, показания приборов корректны.

При полной компенсации ток I_h не зависит от емкостей C_ф и уменьшается до значения, ограничиваемого сопротивлениями изоляции фаз.

Рис 11.

прикосновение напряжение фаза

Заключение

В ходе выполнения работы было изучено влияние сопротивления изоляции фаз и фазной ёмкости сети с изолированной нейтралью на значение напряжения прикосновения (при и без прикосновении к одной из фаз). Компенсация емкостных токов подключением нейтрали к земле с помощью катушки с регулируемой индуктивностью L позволяет уменьшить ток, протекающий через тело человека, в сетях с большой ёмкостью.

Размещено на Allbest.ru