Исследование опасности поражения током в трехфазных электрических сетях напряжением до 1000 В

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование опасности поражения током в трехфазных электрических сетях напряжением до 1000 В

Введение

Цель работы

Исследовать опасность поражения электрическим током в трехфазных сетях переменного тока напряжением до 1000 В.

Содержание работы

1. По значению тока, проходящего через тело человека, оценить опасность прикосновения к фазе двух трехфазных сетей: а) трехпроводной с изолированной нейтралью; б) четырехпроводной с заземленной нейтралью.

Параметры обеих сетей - линейные напряжения, сопротивления изоляции и емкости фаз относительно земли - одинаковы и задаются.

2. Определить зависимость опасности прикосновения человека к одной фазе двух указанных электрических сетей в период нормального режима их работы от: а) значения сопротивления изоляции проводов относительно земли (при отсутствии или при неизменном значении емкости); б) значения сопротивления тела человека.

3. Оценить эффективность защитного заземления в трехфазных сетях переменного тока.

1. Теоретическая часть

Проходя через организм человека, электрический ток производит термическое, электролитическое и биологическое воздействия

Термическое действие тока проявляется в ожогах отдельных участков тела, нагреве кровеносных сосудов, нервов, крови и т.п.

Электролитическое действие тока проявляется в разложении крови и других органических жидкостей, вызывая значительные нарушения их физико-химических составов.

Биологическое действие тока проявляется раздражением и возбуждением живых тканей организма, что сопровождается непроизвольными судорожными сокращениями мышц, в результате может произойти полное прекращение деятельности органов кровообращения и дыхания.

Различают два основных вида поражения человека электрическим током - электрические травмы и электрические удары.

Электрические травмы представляют собой четко выраженные местные повреждения тканей организма.

Различают следующие электрические травмы: электрические ожоги, электрические знаки, металлизация кожи, электроофтальмия и механические повреждения.

Электрический удар - это возбуждение живых тканей электрическим током, проходящим через организм, сопровождающееся судорожным сокращением мышц. Электрический удар приводит к нарушению и полному прекращению деятельности легких и сердца, т.е. гибели организма.

Тело человека является проводником электрического тока. Сопротивление тела человека при сухой и неповрежденной коже колеблется от 3 до 100 кОм. В качестве расчетной величины при переменном токе частотой 50 Гц сопротивление тела человека принимают равным 1000 Ом. В действительности сопротивление тела величина нелинейная и зависит от значения тока, проходящего через человека, длительности его воздействия, пути прохождения в теле человека, рода и частоты тока, величины напряжения, индивидуальных особенностей пострадавшего, состояния окружающей среды.

Основным фактором, обуславливающим исход поражения человека током, является значение тока, проходящего через тело человека.

Условие безопасности человека при действии электрического тока определяется зависимостью:

(1)

где - Jч сила тока, протекающего через тело человека, А;

Uпр - напряжение прикосновения (напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек), В;

Rч - сопротивление тела человека, Ом;

Jдоп - допустимый ток через тело человека, А.

Степень опасности переменного тока промышленной частоты и постоянного тока приводится в табл. I.

Таблица 1

Степень опасности электрического тока

Ток, мА	Переменный ток	Постоянный ток
0,6-1,5	Порог ощущения	Не ощущается
2-3	Судороги в руках	Не ощущается
5-7	Судороги в руках с болью	Зуд, ощущение нагрева (порог ощущения)
8-10	Сильные боли в пальцах и кистях рук (порог отпускающего тока)	Усиление нагрева
13-14	Очень сильные боли, слабый паралич рук (пороговый не отпускающий ток)	Дальнейшее ощущение нагрева
20-50	Паралич рук; самостоятельно оторваться невозможно; затрудненное дыхание	Сокращение мышц; незначительные боли; продолжение нагрева
50-65	Паралич дыхания; фибрилляция сердца (хаотически разновременные сокращения волокон сердечной мышцы)	Сильные боли; слабый паралич рук; оторваться самостоятельно практически невозможно
70-80	Начало трепетания желудочков сердца	Руки парализуются; оторваться самостоятельно невозможно
90-100	Паралич дыхания; при длительности 3 с и более -паралич сердца, трепетание желудочков; клиническая смерть	Паралич дыхания; начало трепетания желудочков сердца

Путь прохождения тока в теле человека играет существенную роль в исходе поражения. Возможных путей тока в теле человека, которые именуются также петлями тока, очень много. Характерными, обычно встречающимися в практике являются не более 15 петель, однако самые распространенные из них (6 петель) показаны на рис. 1 и приведены в табл. 2.

Рис. 1. Наиболее распространенные пути тока в теле человека (петли тока):

1 - рука - рука; 2 - правая рука - ноги; 3 - левая рука - ноги; 4 -- нога -- j нога; 5 - голова - ноги; 6 - голова - руки

Опасность различных петель тока приведены в табл. 2.

Таблица 2. Характеристика наиболее распространенных путей тока в теле человека

Пути тока	Частота возникновения пути тока, %	Доля терявших сознание во время воздействия током, %	Значение тока, проходящего через область сердца, % общего тока, проходящего через тело
Рука - рука	40	83	3,3
Правая рука - ноги	20	87	6,7
Левая рука - ноги	17	80	3,7
Нога - нога	6	15	0,4
Голова - ноги	5	88	6,8
Голова - руки	4	92	7,0
Прочие	8	65	-

Состояние окружающей воздушной среды может усиливать или ослаблять опасность поражения током. Так, например, сырость, токопроводящая пыль, едкие пары и газы разрушающе действуют на изоляцию электроустановок, резко снижая её сопротивление и создавая угрозу перехода напряжения на нетоковедущие металлические части электрооборудования, к которым может прикасаться человек.

По "Правилам устройства электроустановок" (ПУЭ) все помещения по степени поражения электрическим током подразделяются на три класса: без повышенной опасности, с повышенной опасностью и особо опасные.

Помещения без повышенной опасности: сухие, беспыльные с нормальной температурой воздуха, с изолирующими полами, в которых отсутствуют или очень мало заземленных предметов. Это обычно жилые помещения (за исключением ванных комнат), конторы, некоторые лаборатории и производственные помещения.

Помещения с повышенной опасностью: сырые (относительная влажность превышает 75%), жаркие (температура воздуха превышает +30°С), пыльные с токопроводящей пылью, с токопроводящими полами (металлическими, железобетонными, земляными, кирпичными и т.п.), с возможностью одновременного прикосновения человека к имеющим соединение с землей металлоконструкциям зданий, технологическим аппаратам, с одной стороны, и к металлическим корпусам электрооборудования - с другой.

Особо опасные помещения: особо сырые (относительная влажность близка к 100%), с химически активной средой, а также характеризующиеся наличием двух или более условий повышенной опасности. Территория размещения наружных электроустановок приравнивается к особо опасным помещениям. В зависимости от класса помещений по опасности поражения электрическим током устанавливается величина напряжения в сети, при которой не требуется специальных мер защиты:

- в помещениях без повышенной опасности защитное заземление или зануление электроустановок необходимо выполнять при напряжении U>380 В

- переменного тока; в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных при напряжениях U > 42 В переменного тока.

При производстве работ с помощью переносных электрифицированных инструментов и светильников, когда человек имеет длительный контакт с корпусами этого электрооборудования, наиболее эффективной мерой защиты является применение малого напряжения - не более 42 В.

В помещениях без повышенной опасности разрешается пользоваться электроинструментом и переносными светильниками до 220 В без защитных средств.

В помещениях с повышенной опасностью и особо опасных электроинструмент при напряжении U > 42 В должен быть заземлен или занулен.

В помещениях с повышенной опасностью и особо опасных разрешается использовать переносные светильники на напряжение до 42 В включительно без применения каких-либо защитных средств.

В особо опасных помещениях при неблагоприятных условиях работы (например, работа в металлических емкостях, кабельных колодцах и т.п.) для питания ручных переносных светильников должно применяться напряжение не выше 12 В.

Источниками пониженного напряжения 42, 36 и 12 В являются, как правило, специальные понижающие трансформаторы.

Схемы включения человека в электрическую цепь могут быть различными. Наиболее характерными являются две схемы включения: между двумя фазами (двухполюсное прикосновение) - рис. 2 и между одной фазой и землей (однополюсное прикосновение) -- рис. 3.

ток человек фаза заземление

Сила тока, проходящего через тело человека (рис 2):

(2)

где Uз - линейное напряжение сети;

Uф -- фазное напряжение сети.

Сила тока, проходящего через тело человека (рис. 3):

(3)

где Rиз - сопротивление изоляции проводов.

Наиболее распространены электрические сети трехфазного тока с напряжением до 1000 В: трехпроводная с изолированной нейтралью и четырех проводная с глухозаземленной нейтралью.

Нейтраль обмотки источника тока, не присоединенная к заземлителю, называется изолированной нейтралью.

Нейтраль обмотки источника тока, заземленная путем непосредственного присоединения к, заземлителю через малое сопротивление, называется глухозаземленной нейтралью.

В трехфазной сети с изолированной нейтралью (рис. 4) ток, проходящий через тело человека в землю, возвращается к источнику тока через изоляцию проводов сети, которая в исправном состоянии обладает большим сопротивлением.

Если принять, что сопротивление Rиз трех фаз до момента прикосновения равны, т.е. Rиз = R'из = R''из = R'''из, то величина тока, походящего через человека, будет равна:

(4)

Это выражение показывает, что в сетях с изолированной нейтралью опасность для человека, прикоснувшегося к одному из фазных проводов в период нормальной работы сети, зависит от сопротивления изоляции проводов относительно земли: с увеличением сопротивления опасность уменьшается. При аварийном режиме, когда имеет место замыкания фазы на землю (Rиз = 0), человек оказывается под линейным напряжением сети и величина тока, протекающего через тело человека, может быть опасной.

В трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью (рис. 5) цепь тока, проходящею через тело человека, включает в себя, кроме сопротивления тела человека, еще и сопротивление его обуви, пола (основания), на котором стоит человек, а также сопротивление заземления нейтрали источника тока (генератора или трансформатора). Все эти сопротивления включены последовательно.

Если человек одет в токопроводящую обувь и стоит на то ко проводящем полу, т.е. когда можно принять Rоб =0 и Rn = 0, то ток, проходящий через тело человека будет:

(5)

где R0 - сопротивление заземления нейтрали источника тока.

Поскольку R0, как правило, не превышает 10 Ом, то им без ущерба для точности подсчета можно пренебречь, тогда ток через тело человека в самом неблагоприятном случае будет:

(6)

Рис. 5. Прикосновение человека к одной фазе трехфазной сети с заземленной нейтралью

Для предотвращения поражения человека электрическим током при прикосновении к нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания фазы сети на корпус, применяется защитное заземление, зануление, защитное отключение, выравнивание потенциалов.

Защитное заземление - это преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей электрооборудования, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам (рис. 6).

Защитное заземление применяется в трехфазных сетях до 1000 В с изолированной нейтралью и выше 1000 В с любым режимом нейтрали.

Принцип действия защитного заземления -- снижение напряжения между корпусом электрооборудования, оказавшимся под напряжением, и землей до безопасного значения.

Рис. 6. Схема замыкания на корпус в сетях трехфазного тока с изолированной, нейтралью при заземленном электрооборудовании

Величина тока, проходящего через тело человека при заземлении электрооборудования, если Rоб = Rn = 0, определяется из выражения:

(7)

где Rз - сопротивление защитного заземления.

При весьма малом значении Rз по сравнению с Rч и Rиз, что обычно имеет место на практике, это выражение упростится:

(8)

Зануление - преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам.

Схема зануления в сети трехфазного тока показана на рис. 7.

Принцип действия зануления - превращение замыкания на корпус в однофазное короткое замыкание (т.е. замыкание между фазным и нулевым проводами) с целью вызвать большой ток, способный обеспечить срабатывание защиты и тем самым автоматически отключить поврежденное электрооборудование от питающей сети.

Такой защитой являются: плавкие предохранители или максимальные автоматы, устанавливаемые перед потребителями энергии для зашиты их от токов короткого замыкания, магнитные пускатели с встроенной тепловой защитой.

Зануление применяется в трехфазных четырехпроводных сетях до 1000 В с глухозаземленной нейтралью.



Рис. 7. Принципиальная схема зануления.

1 - корпус электрооборудования;

2 - плавкие предохранители;

1ф, 2ф, Зф - фазные провода;

03 - нулевой защитный провод;

r0 - сопротивление заземления нейтрали источника тока;

Rn -сопротивление повторного заземления нулевого защитного провода;

Jк - ток однофазного короткого замыкания.

Нулевым защитным проводником называется проводник, соединяющий зануляемые части с глухозаземленной нейтральной точкой обмотки источника тока.

Повторное заземление нулевого защитного провода необходимо для уменьшения опасности поражения людей током, возникающей при обрыве нулевого защитного провода и замыкании фазы на корпус за местом обрыва.

Для обеспечения минимального времени срабатывания защиты необходимо так подобрать сечение зануляющего провода, чтобы ток короткого замыкания превышал по меньшей мере в 3 раза номинальный ток ближайшего плавкого предохранителя (вставки).

2. Расчет сопротивления защитного заземления

Расчет защитного заземления имеет целью определить основные параметры заземления, число, размеры и порядок размещения одиночных заземлителей и заземляющих проводников, при которых напряжение прикосновения в период замыкания фазы на заземленный корпус не превышает допустимых значений.

При устройстве заземления из искусственных заземлителей (например, стальных труб) обычно определяют сопротивление растеканию тока единичного заземлителя по формуле:

(9)

где с - удельное электрическое сопротивление почвы. Ом" см;

l - длина электрода (заземлителя), см;

d - диаметр заземлителя, см:

t - расстояние от центра заземлмтеля до поверхности земли, см.

Величины удельного сопротивления почвы, указаны в табл. 3.

Таблица 3

Почва	Удельное электрическое сопротивление. Ом·см
Песок	7 · 104
Суперпесок	3· 104
Чернозем	2· 104
Суперглинок	1· 104
Глина	0,4· 104
Торф	0,2· 104

Необходимое число трубчатых заземлителей определяется по формуле:

 (10)

где Rз - сопротивление растеканию тока заземляющего устройства, Ом;

з - коэффициент экранирования (использования) электродов в зависимости от расстояния между ними (принимаем равным 0,55-0,70).

Сопротивление растеканию тока заземляющего устройства определяется по формуле:

(11)

где Jк - расчетный ток замыкания на корпус электрооборудования. А;

б - коэффициент напряжения прикосновения, зависящий от расстояния между точкой, на которой стоит человек, и заземлителем (принимаем равным 0,75).

Величина сопротивления защитного заземления согласно ПУЭ не должна превышать 4 Ом для электроустановок напряжением до 1000 В и 0,5 Ом для электроустановок напряжением выше 1000 В.

Порядок выполнения работы

А. Оцепить опасность поражения человека электрическим током при пробое фазы на корпус электрооборудования в трехфазной сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В.

1. Рассчитать по формуле (4) величину тока через тело человека, приняв

Uф =127 В, Rч =1000 Ом и Rиз от 0 до 400 кОм. Данные занести в

таблицу. Построить график Jч = f (Rиз).

1. Привести стенд в исходное положение:

а) все тумблеры поставить в положение "Выкл" (вниз);

б) переключатели "Пу" и "Пф" включить в фазу "А";

в) тумблер "устр" установить в положение "вкл".

3. Переключателем "Rч" установить сопротивление 1000 Ом.

4. Переключатели сопротивления изоляции фаз установить на ra = rb = rc = 1 кОм.

5. Нажать кнопку "Замыкание", при этом имитируется замыкание фазы "А" на корпус электрооборудования. Вычертить схему из общей принципиальной схемы стенда.

Записать показания миллиамперметра "А" т.е. измерить ток, проходящий через тело человека. Снять показания вольтметра V, т.е. измерить напряжение фазы.

6. С помощью переключателей ra, rb, rc изменять сопротивления изоляции фаз относительно земли, соответственно устанавливая их положение: 2, 5, 40 и 400 кОм. Записать показания миллиамперметра А2 и вольтметра V при каждом положении переключателя.

Результаты измерений занести в табл. 4.

Привести стенд в исходное положение согласно указаниям п. 2.

Б. Определить опасность поражения человека электрическим током при пробое фазы на корпус электрооборудования в чстырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью.

Рассчитать по формуле (5) величину тока через тело человека, приняв Uф =220 В, R0 =10 Ом, Rx от 0 до 10 кОм. Данные занести в таблицу.

Построить график Jч = f(Rч).

8. Собрать схему трехфазной четырехпроводной сети с заземленной нейтралью. Для этого тумблер "устр" установить в положение "вкл"; установить заданное значение сопротивления заземления нейтрали (R0 =10 Ом), включив тумблер "r0"; переключатели "Са", "Сb", "Сc" в положение 0,1; "ra " = "rb "= "rc "= 0.

9. Переключателем "Rчел" установить заданное значение Rч = 1 кОм

10. Нажать кнопку "Замыкание". Записать показания миллиамперметра А2 и вольтметра V. Вычертить схему из общей принципиальной схемы стенда. Меняя значения сопротивления тела человека путем установки переключателя " Rчел " в положение 2, 4, 5 и 10 кОм, измерить ток, идущий через тело человека, по миллиамперметру А2. Результаты измерений записать в табл. 4.

11. Привести стенд в исходное положение согласно указаниям п. 2. В. Опенка эффективности защитного заземления.

12. Собрать схему трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью согласно пп. 2 - 5 "Порядка выполнения работ". Снять показания миллиамперметра А2 и вольтметра V.

13. Заземлить электрическую установку через заземлитель сопротивления, для чего включить тумблер "rз1". Снять показания миллиамперметра А2 и вольтметра V. Менять значения сопротивления заземления, для чего выключить тумблер "rз1" и последовательно включить "rз1", а затем "rр", при этом установка присоединяется к заземлителю с сопротивлением 4 Ом, соответствующим нормам ПУЭ. Снять показания миллиамперметра А2 и вольтметра V. Результаты измерений записать в табл. 5.

14. Привести стенд в исходное положение, установить тумблер в положение "устр".

Содержание отчета

1. Параметры исследуемых электрических сетей в результате расчета и измерения токов и напряжений, сведенные в табл.4 и 5. 2 Электрические схемы прикосновения человека к корпусу электроустановки в сетях трехфазного тока с указанием пути прохождения тока.

3. Нанести на графики экспериментально полученные зависимости. Сравнить экспериментальные данные с теоретическими:

Jч = f(Rиз) и Jч = f(Rч).

4. Определитыю графикам значения Rч и Rиз при величине Jч = 10 мА (значение отпускающего тока).

5. Рассчитать значение тока, проходящего через тело человека при прикосновении к корпусу электрооборудования, в случае его заземления через сопротивление Rз = 4 Ом по формуле (7). Принять Uф = 127 В.

6. Рассчитать количество трубчатых заземлителей, необходимых для помещении с повышенной опасностью поражения электрическим током, по формулам (9-11).

Принять d = 4 см; t == 120 см; l = 200 см; Jк = 12 A; Uпр = 36 В. Значение удельного сопротивления с выбрать для любого вида грунта.

3. Техника безопасности при работе на экспериментальном стенде

1. При выполнении эксперимента необходимо убедиться в наличии и исправности защитного заземления стенда.

2. Необходимо сообщить преподавателю о замеченных недостатках и неисправностях стенда.

3. Все тумблеры, переключатели и кнопки включать в строгой последовательности.

4. Запрещается самостоятельно менять плавкие предохранители

Контрольные вопросы к лабораторной работе

1. Какой величины ток протекает через тело человека при прикосновении к одной из фаз сети с заземленной нейтралью напряжением 380/220 В? Принять расчетное сопротивление тела человека 1000 Ом, сопротивление заземления нейтрали - 4 Ом.

1.1. 0,38 А

1.2. 0,22А

1.3. 0,19 А

1.4. 0,11 А

1.5. 0,127 А

2. Рассчитать величину тока, протекающего через тело человека, при прикосновении к корпусу заземленного электродвигателя с поврежденной изоляцией при замыкании фазы на корпус. Принять ток, протекающий через защитное заземление - 10 А, сопротивление защитного заземления - 4 Ом, расчетное сопротивление тела человека 1000 Ом, сопротивление обуви - 1000 Ом.

2.1. 0,1 А

2.2. 0,2 А

2.3. 0.01А

2.3. 0,02 А

2.4. 10 А

3. Трехфазный двигатель присоединен к сети с заземленной нейтралью напряжением 380/220 В. Под каким напряжением окажется человек при прикосновении к двигателю в случае замыкания одной фазы па корпус, если двигатель заземлен (сопротивление защитного заземления двигателя 4 Ом, сопротивление заземления нейтрали 1 Ом)?

3.1. 380В

3.2. 220В

3.3. 304В

3.4. 176В

3.5. 76В

4. Указать максимальную допустимую величину переменного тока, проходящего через тело человека.

4.1. 0,5 мА

4.2. 1,0 мА

4.3. 10 мА

4.4. 100 мА

4.5. 1000 мА

5. Указать максимально допустимое напряжение прикосновения на электрооборудовании в случае замыкания фазы на корпус в помещении с повышенной опасностью поражения электрическим током.

5.1. 6 В

5.2. 12 В

5.3. 36 В

5.4. 42 В

5.5. 110 В

6. Определить ток, проходящий через тело человека, в случае прикосновения к одной фазе в сети с изолированной нейтралью напряжением 380/220 В. Принять сопротивление изоляции фазы относи тела земли 30000 Ом (R'из = R''из = R'''из). Расчетное сопротивление тела человека 1000 Ом.

6.1. 0,01 А

6.2. 0,02 А

6.3. 0,03 А

6.4. 0,04 А

6.5. 0,05 А

7. Определить величину тока, проходящего через тело человека в однофазной сети, в случае его прикосновения к фазе, если фазное напряжение равно 220 В. Сопротивление изоляции первой фазы относительно земли 42000 Ом, расчетное сопротивление тела человека 1000 Ом.

7.1. 0,001 А

7.2. 0,002 А

7.3. 0,003 А

7.4. 0,004 А

7.5. 0,005 А

8. Определить величину тока, проходящего через тело человека, при прикосновении к одной фазе сети с изолированной нейтралью напряжением 380/220 В. Вторая фаза замкнута на землю. Расчетное сопротивление тела человека 1000 Ом, сопротивление изоляции первой фазы относительно земли 97000 Ом.

8.1. 0,22 А

8.2. 0,38 А

8.3. 0,66 А

8.4. 1,14 А

8.5. 1,32 А

9. Определить величину тока, проходящего через тело человека, при его прикосновении к одной фазе сети с заземленной нейтралью напряжением 380/220 В. Вторая фаза замкнута на землю (сопротивление замыкания фазы па землю принять равным нулю). Сопротивление замыкания нейтрали 1 Ом, сопротивление тела человека 1000 Ом, сопротивление изоляции первой фазы относительно земли равно 97000 Ом.

9.1. 0,22 А

9.2. 0,38 А

9.3. 0,66 А

9.4. 1,44 А

9.5. 1,32 А

10. На лабораторном столе в помещении без повышенной опасности поражения человека электрическим током установлены три электрических прибора. Определить наиболее опасный случай прикосновения человека к приборам при пробое изоляции на корпус. Корпус одного прибора заземлен (пол нетокопроводящий). Возможно замыкание на корпус любого прибора.

10.1. 1

10.2. 2

10.3. 3

10.4. 4

11. Определить силу тока, проходящего через тело человека в сети переменного тока при двухфазном прикосновении. Фазовое напряжение сети 220 В, расчетное сопротивление изоляции фаз относительно земли 97 000 Ом.

11.1 0,022 А

11.2. 0,038 А

11.3. 0,066 А

11.4. 0,22 А

11.5. 0,38 А

12. Каким должно быть максимальное напряжение электрифицированного инструмента в помещениях с повышенной опасностью?

12.1. 6В

12.2. 12В

12.3. 36В

12.4. 42В

12.5. 220В

Размещено на Allbest.ru

...