Лабораторная работа №20

Исследование эффективности действия защитного заземления в зависимости от режима нейтрали сети.

3.1. Цель работы

Изучить эффективность действия защитного заземления в сети с изолированной и заземлённой нейтралью.

3.2. Содержание работы

3.2.1. Ознакомиться с теоретической частью работы.

3.2.2. Исследовать эффективность действия защитного заземления в сети с изолированной нейтралью.

3.2.3. Исследовать эффективность действия защитного заземления в сети с заземлённой нейтралью.

3.2.4. Произвести расчёт токов во всех режимах исследования.

3.2.5. Оформить расчёт по работе.

3.3. Общие сведения

Защитное заземление применяется, в соответствии с ГОСТ 12.1.030-81 [11], в электроустановках напряжением до 1000 В сетей с изолированной нейтралью, в электроустановках напряжением выше 1000 В, независимо от режима нейтрали сети.

В электроустановках переменного тока в сетях с изолированной нейтралью сети до 1000 В или изолированными выводами однофазного источника питания электроэнергией защитное заземление должно быть выполнено в сочетании с контролем сопротивления изоляции.

Принцип действия защитного заземления в сетях с изолированной нейтралью – снижение до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, обусловленных замыканием на корпус. Это достигается путём уменьшения потенциала заземлённого оборудования, а также путём выравнивания потенциалов.

Физическая сущность защитного заземления заключается в создании параллельно телу человека цепи соединения корпусов оборудования с землёй, сопротивление которых (в установках до 1000 В R_з £ 4 Ом.) значительно меньше тела человека (расчётное значение принимается равным R_h = 1000 Ом).

Если металлический заземлённый корпус электроприёмника вследствие нарушения изоляции оказался соединённым с токоведущей частью электроустановки, то напряжение такого корпуса относительно земли становится равным фазному, а прикосновение человека к нему равносильно прикосновению к неизолированной токоведущей части.

Ток, протекающий через тело человека (рис. 3.1.), становится, при допущении, что R_A = R_B = R_C = R_из, C_A = C_B = C_C = C = 0, равным

I_h = U_ф / (R_h + R_из/3). (3.1.)

Напряжение прикосновения равно

U_пр = I_h×R_h (3.2.)

При наличии заземления (рис. 3.2.) ток определяется следующим образом. Из параллельного соединения сопротивлений R_з и R_h следует

I_h = I_общ × R_общ / R_h (3.3)

где I_общ = I_h + I_з, R_общ = R_h × R_з / (R_h + R_з)

Вместе с тем I_h = U_ф / (R_h + R_из× (R_h + R_з) / (3×R_З)) (3.4.)

Подставив I_общ и R_общ в (3.3.) и проведя соответствующие преобразования, получим

Ih = Uф / (R_h + R_из× (R_h + R_з) / (3×R_З)) (3.5.)

С учётом того, что R_з << R_h, R_з << R_из, выражение (3.5.) упрощается до вида:

I_h =(3×U_ф / R_h×R_из)×R_з (3.6.)

Если I_h = 0, то I_общ = I_з, R_общ = R_з, а ток через заземляющее устройство равен

I_з = U_ф / (R_з + R_из / 3) (3.7.)

Если учесть, что R_з << R_из, то I_з = 3U_ф / R_из (3.8.)

Рис. 3.1. прикосновение человека к незаземлённому электрооборудованию в сети с изолированной нейтралью при замыкании на корпус.

Рис. 3.2. Принципиальная схема защитного заземления в сетях с изолированной нейтралью.

В электроустановках напряжением выше 1000 вольт в сети с изолированной нейтралью должно быть выполнено защитное заземление, при этом рекомендуется предусматривать устройства автоматического отыскания замыкания на землю (установки напряжением 6, 10, 20, 35 кВ с I_з < 500А) следует выполнять защитное заземление. Замыкание на корпус, благодаря наличию защитного заземления, является коротким замыканием. При этом срабатывает максимальная токовая защита, и повреждённый участок электроустановки отключается. Ток замыкания будет равен

I_з = U_ф / (R₀ + R_з×R_h / (R_з+R_h)) (3.9.)

Если учесть, что R_з << R_h , то

I_кз = U / (R₀ + R_з) (3.10.)

В электроустановках трёхфазного тока до 1000 вольт с заземлённой нейтралью или заземлённым выводом однофазного источника питания электроэнергией, а также с заземлённой средней точкой в трёхпроводных сетях постоянного тока должно быть выполнено зануление (рис. 3.4.).

В соответствии с ПУЭ применять защитное заземление в этом случае запрещается, так как I_з < I_кз , и защита не сработает:

I_кз » U / (r₀ + r_ф)

где r₀ и r_ф – сопротивления фазового и нулевого провода, составляющие десятые доли ома.

R₀ и R_з – сопротивления рабочего заземления нейтрали и защитного заземления, равные 4Ом для сетей 380/220 В.

Рис. 3.3. Принципиальная схема защитного зазем7ления в сетях с заземлённой нейтралью.	Рис. 3.4. Принципиальная схема зануления

Рис. 3.5. Принципиальная схема стенда для моделирования защитных заземляющих устройств.

3.4. Экспериментальная часть

3.4.1. Описание лабораторной установки

лабораторная установка представляет собой стенд для исследования защитных заземляющих устройств типа ОТ 10, разработанный СКБ МВиССО СССР [12], модернизированный в лаборатории кафедры «Охрана труда» с целью обеспечения безопасности экспериментальных исследований. Принципиальная схема стенда приведена на рис. 3.5.

Стенд позволяет исследовать эффективность действия защитного заземления в сетях:

Трёхпроводной с изолированной нейтралью,

Трёхпроводной с заземлённой нейтралью,

Четырёхпроводной с заземлённой нейтралью.

Стенд также позволяет выявить зависимость электрического тока через тело человека в функции сопротивления изоляции и ёмкости фаз относительно земли при нормальном режиме работы сети. Сопротивление изоляции каждой из фаз цепи имитируется резисторами от 10 кОм до 100 кОм, ёмкость – от 0.01 мкф до 0.1 мкф. Стенд позволяет моделировать сопротивление почвы между двумя соседними заземлениями, предел регулирования сопротивления грунта от 2.4 кОм до 12 кОм.

Напряжение на стенд подаётся от трёхфазной сети переменного тока на три трансформатора, первичные обмотки которых соединены в звезду.

Цепи замыкания на корпус подключаются к каждой из фаз через переключатели В4 и В6.

В гнёзда ГН7, ГН8, ГН15, ГН16 подключены измерительные приборы для

Измерения величины тока, протекающего через цепь, замкнутую на корпус: миллиамперметр – при исследовании сети с изолированной нейтралью (предел 100 mА), амперметр – сети с заземлённой нейтралью (предел 20 А).

Аварийный режим заземления на корпус осуществляется кнопками Кн1 и Кн2.

Тумблеры В5, В7 осуществляют подключение к корпусам заземлителей.

Тумблеры В8, В9 подключают цепи, имитирующие сопротивление грунта между двумя заземлителями.

Для измерения предназначены вольтметры с пределами 250В и 50 В.

3.4.2. Порядок выполнения работы

Привести стенд в исходное состояние:

Ручки блоков имитации изоляции фаз и нулевого провода – в положение 10 кОм и 0.1 мкф. Тумблеры В2, В3,В5,В7 выключены, переключатели В4, в положение «откл».

3.4.2.1. Напряжение напряжения на корпусе и напряжения фаз относительно земли

Подготовить стенд, для чего ручками блоков имитации изоляции фаз и нулевого провода выставить сопротивление изоляции и ёмкости проводов в соответствии с вариантом задания по таблице 3.1.

Таблица 3.1.

Варианты	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Сопротивление изоляции, кОм	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Ёмкость фазы С, мкф	0	0.25	0.5	0.75	1.0	1.25	1.5	1.75	2.0	2.25	2.5

Для замера тока, протекающего в цепи пробитого на землю корпуса (Корп.1) включён микроамперметр или (Корп.2) амперметр.

Для замера напряжения на корпусе относительно земли включить вольтметр с пределом измерения 250 В.

Переключатель В4 поставить в положение А, В6 – отключён.

Корпуса – Корп.1 и Корп.2 должны быть не заземлены, следовательно, тумблеры В5 и В7 – отключены.

Собранную схему показать преподавателю, осле его разрешения подать питание, включив В1.

Записать значения напряжения фаз относительно земли в таблицу 3.2.

Произвести замыкание на корпус, нажав кнопку Кн1, записать показания приборов в таблицу 3.2.

Таблица 3.2.

Напряжение на корпусе и фаз относительно земли в сети с изолированной нейтралью

Заданное значение сопротивления изоляции и ёмкости
Фазы, замыкаемые на корпус
Напряжения корпуса относительно земли, В
Напряжения фаз относительно земли, В