bjd
.pdf
22. Привести электрическую принципиальную схему защитного заземления. Сравнить напряжения на корпусе поврежденного электрооборудования при отсутствии и наличии защитного заземления.
Защитное заземление.
Однофазные замыкания на корпус создают опасные потенциалы на нем и возле него из-за растекания тока с основания на землю. Существуют три способа защиты от поражения:
-автоматическое отключение за время менее допустимого; этот способ называется защитным отключением;
-снижение потенциала на корпусах до допустимой величины путем защитного заземления;
-зануление – обеспечивает автоматическое отключение и снижение потенциала на корпусах до допустимой величины.
Всетях с изолированной нейтралью токи замыкания (в случае попадания напряжения на корпус) недостаточны по величине для срабатывания автоматического отключения. Поэтому в таких сетях используют защитное заземление.
Нормирование заземлений по ГОСТ 12.1.030-81. Заземление
применяется при U £ 1000B в сетях с изолированной |
нейтралью, при |
U ³ 1000B - в сетях с любым режимом нейтрали. |
при U ³ 36B в |
Заземление обязательно при U ³ 500B во всех случаях; |
помещениях особо опасных и с повышенной опасностью; независимо от U во взрывоопасных помещениях.
С целью обеспечения надежного контакта с землей корпуса, оболочки машин, аппаратов соединяют с заземлителем, находящимся в земле.
В этом случае при попадании фазы на корпус он окажется под напряжением U 3 = I3 R3 , (15)
Рис.15.Схема заземления: а) принципиальная, б) замещения.
Ток через тело человека при прикосновении к корпусу будет равен.
I h = I3 R3 , (16)
Rh
Чем меньше R3 , тем меньше ток I h .
Потенциал и сопротивление заземлителей.
Рассмотрим методику определения распределения потенциала в зоне растекания тока с заземленного корпуса и сопротивления заземлителя на примере полусферического заземлителя (считаем грунт однородным, а значит растекание тока замыкания равномерным по радиальным направлениям).
В грунте под воздействием растекающегося тока создается электрическое поле с напряженностью Е. Плотность тока δ (дельта) убывает по мере роста диаметра полусферы
δ = |
I3 |
|
|
2π(r + x) |
2 |
||
|
Рис.16.
Напряженность электрического поля определяется по выражению:
E = |
dU |
E = ρδ = ρ |
I3 |
|
∞ |
|
|
dφ = Edx φx = ∫ Edx; |
|||||
|
; |
|
; |
|||
|
2π(r + x)2 |
|||||
|
dx |
|
|
r + x |
||
∞∞
φx = ∫ dU = ∫ Edx
|
x |
x |
||
Потенциал земли равен φx = |
I3 |
ρ |
, (17) |
|
2π(r |
+ x) |
|||
|
|
|||
т.е. он убывает по гиперболическому закону с увеличением расстояния x.
Из анализа зависимости φx (x) следует:
-при x → ∞ φx → 0 . (зоной нулевого потенциала называется участок земли, где ϕ малозаметен - x ³ 20м);
-при x ® 0 , φx → φmax = φ3
U3 = φ3 − 0 = I3 ρ , (18) 2πr
Напряжение зз. называется падение напряжения на сопротивлении земли между зз. и зоной нулевого потенциала. Сопротивлением заземления называется сопротивление земли возле зз:
|
|
|
R = |
U3 |
|
= |
|
ρ |
, (19) |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
3 |
|
|
|
I3 |
|
|
2πr |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Сопротивление зз. зависит от ρ грунта, формы зз. и его размеров. |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Приближенные значения ρ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Электрическое со- |
|
||||
Вода, грунт |
|
ρ, Ом м |
|
|
|
|
|
|
противление грунта |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
характеризуется его |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
объемным удельным |
|
|
Морская вода |
|
0,2 - 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Речная вода |
|
10 - 100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сопротивлением ρ, т.е. |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сопротивлением куба |
|
|||||
|
|
|
8 - 70 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Глина |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
грунта с ребром длиной |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Суглинок |
|
40 - 150 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1м или 1см. единица |
|
|||
Песок |
|
400 - 700 |
|
|
|
|
|
|
|
|
ρ- 1Омм |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Каменистый |
|
500 - 800 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
При расчете зз. ρ измеряют на месте их сооружения. |
|||||||||||||||||
|
Сопротивление одиночных заземлителей. |
|||||||||||||||||
|
В качестве таких зз. применяют : |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
а) |
вертикальные электроды длинной l = 3 ÷10м, |
диметром d = 0,012 ÷ 0,02 |
||||||||||||||||
|
(трубы при l ³ 50d ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Rз.в. » |
ρ |
ln |
4l |
; (при l ³ 50d ), |
(20) |
|
||||||||||
|
|
2πl |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
б) |
горизонтальные |
полосы, |
их |
закладывают в траншеи глубиной |
||||||||||||||
|
t = 0,5 ÷ 0,8м; L – |
длина полосы; b - ширина |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
Rз.п. |
≈ |
ρ |
|
ln |
2L2 |
, (21) |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
bt |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2πL |
|
|
|
|
||||||
Проектирование зз. по допустимому Rз .
На заданной площади подбирают и рассчитывают конструкцию зз. (размеры и число электродов) таким образом, чтобы выполнялось неравенство:
Rз ≤ Rз.доп, (основное расчетное уравнение), (22)
Применяются следующие конструкции зз.:
1. |
|
|
Rз.доп |
|
|
|
|||
|
≤1000В |
|
>1000В |
|
|
|
|||
|
≤ 100кВА |
>100 |
Зазем. |
|
|
|
|
||
|
|
|
нетрл. |
|
|
|
|
||
|
10Ом |
4Ом |
0,5Ом |
|
250 |
≤10 |
|
125 |
≤10 |
|
|
|
|
|
I3 |
|
I3 |
||
а) |
б) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.17. Контур (а) и сетка (б) с вертикальными электродами.
|
R |
|
= |
|
0,42ρ |
+ |
ρ |
, (23) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
з |
|
|
|
|
L + nl |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
S +l +t |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
где S – |
площадь зз.; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l, n – длина и число вертикальных электродов; |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
L – |
общая длина горизонтальных полос; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
t – |
глубина из заложения в землю. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ρ |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rз = |
|
KB ln |
2L |
, (24) , |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2πL |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
bt |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
|
KB = f (l |
|
L , a l) |
- |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
коэффициент, |
|
|
учитывающий |
||||||||
Рис.18. Полоса с вертикальными |
снижение |
Rз |
|
за |
счет |
||||||||||||||
электродами. |
|
|
|
|
|
|
вертикальных электродов. |
|
|||||||||||
3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R з= |
R |
з.в. |
, (25) |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n × η |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
где R з.в. - сопротивление одного |
|||||||||||
Рис.19. Вертикальные электроды без |
вертикального |
|
заземлителя |
(по |
|||||||||||||||
20); |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
полосы связи в земле. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n – число в.з.
η = f (a
l , n) - коэффициенты использования вертикальных электродов; учитывает явление взаимного экранирования полей при растекании тока с электродов.
23. Привести электрическую принципиальную схему защитного заземления. Показать зависимость токов через заземлитель и через человека от удельного сопротивления грунта.
См 22
24. Привести электрическую принципиальную схему компенсации емкостных токов. Зависит ли ток через человека в режиме полной компенсации: а) от емкости фаз относительно земли;
б) от сопротивления рабочего заземлителя?
Компенсация емкостных токов.
Протяженные сети, кабельные линии обладают большой емкостью фаз
относительно земли (С = 0,25 ÷1мкФ) |
и большим сопротивлением |
|||||||
изоляции фаз Rиз → ∞ . |
|
|
|
|
|
|||
Ih = |
|
|
3UФ |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
9R |
2 |
+ ( |
1 |
)2 |
|
|||
|
|
|
||||||
|
|
|||||||
|
|
h |
|
ωC |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
Изменение тока Ih при увеличении С показано на рисунке 9-б. При больших емкостях фаз ток опасен даже при Rиз → ∞ .
Для компенсации емкостной составляющей тока через человека в нейтраль или на каждую фазу включают индуктивное сопротивление – дроссель.
Рис.12. Схема компенсации емкостных токов.
Ток проходящий через человека, равен геометрической сумме токов:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∙ |
∙ |
|
∙ |
|
|
∙ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ih = Ia + Ic |
+ Ik , (11) |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Для |
|
|
компенсации |
|
емкостной |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∙ |
∙ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
составляющей необходимо: I c |
+ Ikp = 0 |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Из |
векторных |
|
|
диаграмм |
следует, что |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∙ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
индуктивная |
составляющая |
I kp |
отстает |
от |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∙ |
|
|
|
180O , т.е. |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
емкостной |
Ic |
на |
|
находится |
в |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
противофазе. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Рис.13. Векторная диаграмма токов через человека. |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
При полной компенсации ток Ih равен |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
Ih |
= |
UФ |
× |
|
3gиз + gk |
|
, (13) |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Rh 3gиз + gh + gk |
|
|
|
|
|
|
|||||||
где g |
|
= |
|
rn |
- проводимость дросселя ( r = Rk + R0 ) |
|
|
||||||||||||||
|
r 2 |
+ (ωLk )2 |
|
|
|||||||||||||||||
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
R |
из |
|
||
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ток Ih зависит только от активных сопротивлений Rиз и rn . |
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Требуемая |
для |
полной |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
компенсации |
индуктивность |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дросселя |
|
|
находится |
из |
условия |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∙ |
|
∙ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I c |
= − I KP . |
|
|
|
|
|
|
|||
Рис.14. Зависимость Ih(c) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
U |
|
j3ωC = −(− j |
1 |
|
)U |
|
|
, (14) |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
Ф |
|
|
Ф |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ωLk |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Lk = 1 3ω2C
25. Привести электрическую принципиальную схему защитного зануления с повторным заземлением нулевого провода. Зависит ли ток через человека при прикосновении к корпусу электрооборудования, оказавшегося под напряжением от удельного сопротивления грунта?
См 22
26. Каким образом необходимо выбрать и включить устройство защитного отключения, реагирующего на дифференциальный ток, в однофазной сети?
Защитное отключение.
Защитное отключение (а.з.о.) – быстродействующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки при возникновении опасности поражения человека током.
В основе З.О. лежит принцип ограничения времени протекания тока через человека. Наибольшее распространение получили З.О. с I уст = 30мА,
tоткл = 30мс.
Основные требования к а.з.о.
а) быстродействие tоткл ≤ tдоп, где tдоп ≤ |
50 |
|
|
Ih.доп. |
|||
|
|||
время отключения а.з.о. складывается из времени срабатывания прибора |
|||
з.о. (реле 0,02 ÷ 0,05с) и времени срабатывания собственного автомата |
|||
(0,06с электромагнитного и 0,2 ÷ 0,5с теплового) tоткл = t р + tотк.а. ; |
|||
б) надежность, т.е. отсутствие отказов, а также ложных срабатываний; в) высокая чувствительность, т.е. способность реагировать на малые
изменения входного сигнала; г) селективность – отключение только аварийного участка;
д) самоконтроль, а.з.о. могут применятся в сетях любого напряжения с любым режимом нейтрали (больше – до 1000В).
Принцип построения схем а.з.о. зависит от типа входного сигнала, поступающего к датчику:
-напряжение на корпусе (прямого действия);
-напряжение нулевой последовательности (косвенного действия);
-ток нулевой последовательности (косвенного действия);
-ток замыкания на землю (прямого действия);
-комбинированные.
Применяется в СССР:
-в передвижных устройствах;
-как дополнительная мера к защите заземления и заземления;
-в электроинструментах.
Пример: удар током от прикосновения к троллейбусу (если есть утечка на корпус).
Ежегодно от этого гибнет около 50 человек.
1ая Схема а.з.о. (вх. сигнал – напряжение на корпусе). Схема осуществляет защиту от глухих замыканий на землю и пригодна для сетей с изолированной и заземленной нейтралью, любого напряжения.
Такие схемы могут применятся только совместно с заземлением или другими мерами защиты. Напряжение срабатывания U3 = 20 ÷ 60В, при этом I p
воздействует на реле Ph , нормально – замкнутые контакты K1 которого
размыкаются и отключают МП.
Достоинства - простая. Недостатки:
9)нет контроля исправности и самоконтроля;
10)I уст зависит от Rвсп ;
11)трудности с селективностью при общем заземлении;
12)требуются вспомогательные заземления.
2ая Схема а.з.о. (входной сигнал – ток нулевой последовательности). В этой схеме датчиком является трансформатор тока нулевой последовательности ТТНЛ. Первичная обмотка ТТНЛ – три фазных провода (1), вторичная обмотка (2) намотана на кольцевом магнитопроводе (3).
Схема а.з.о. по току н.п. а) принципиальная б) ТТНП
Схемы этого типа осуществляют защиту от глухих ( I у > 30мА) или неполных ( I у = 10мА) замыканий на землю.
Назначение – обеспечить безопасность при прикосновении и заземлении или занулении корпуса при попадании ан него фазы или при прикосновении к токоведущим частям электроустановки.
В нормальном режиме геометрическая сумма токов трех фаз равна нулю
∙ |
∙ |
|
∑ I = 0. При замыкании на корпус симметрия токов нарушается ∑ I |
¹ 0 . |
|
Реле тока Т срабатывает при |
Iср = 10мА и отключается с помощью МП |
|
оборудованное М. |
|
|
Схема имеет:
11)высокое быстродействие;
12)чувствительность;
13)обеспечивает селективность;
14)не зависит от сопротивления заземления;
15) пригодность для схем с заземленной и изолированной нейтралью
( < 1000B, > 1000B ).
27. Привести электрическую принципиальную схему устройства защитного отключения, реагирующего на дифференциальный ток. От каких ситуаций защищает это
устройство?
АВТОМАТИЧЕСКОЕ ЗАЩИТНОЕ ОТКЛЮЧЕНИЕ
Рассмотрим схему, реагирующую на дифференциальный ток (или ток нулевой последовательности) – УЗО(Д). Эти устройства наиболее универсальны и, поэтому, находят широкое применение на производстве, в
общественных зданиях, в жилых домах и т.д.
По принципу действия этот тип УЗО является быстродействующим защитным выключателем, автоматически отключающим контролируемую электроустановку от сети в случае возникновения в ней однофазной или трехфазной несимметричной утечки тока на землю. Утечка тока может быть вызвана прямым прикосновением человека к токоведущим частям, повреждением или старением изоляции и другими причинами. Из всех электрозащитных средств этот тип УЗО является единственным, обеспечивающим защиту человека от поражения электрическим током в
случае прямого прикосновения к токоведущим частям.
Основное назначение УЗО - защита человека от поражения электрическим током. Кроме того, УЗО обеспечивают выполнение и другой важной задачи, а именно предотвращение возгораний и пожаров, возникающих вследствие длительного протекания токов утечки и
развивающихся из них токов короткого замыкания.
Устройство УЗО. УЗО формируется из следующих основных функциональных блоков (рис.1):
1 N
4 I1
Т Ф1
3 |
|
I2 |
|
1 |
2 |
I |
|
Ф2 |
|
2 N
Рис.1.Структурная схема УЗО
Обозначения на схеме:
1 - датчик дифференциального тока;
2 - блок управления с пороговым элементом;
3 - исполнительный механизм;
4 - цепь тестирования; Т - кнопка цепи тестирования.