Лабораторная работа №3 оценка эффективности защитного заземления цель работы

Лабораторная работа №3
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Цель работы

Оценка эффективности защитного заземления в трехфазной сети с изолированной нейтралью и в трехфазной четырех­проводной сети с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В.

Содержание работы

1. Оценить эффективность защитного заземления в трехфазной сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В (система заземления IT).

2. Оценить эффективность защитного заземления в сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В при двухфазном замыкании на корпуса электроустановок, имеющие раздельные заземляющие устройства.

3. Оценить эффективность защитного заземления в трехфазной сети с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В (система заземления TT).

Описание электрических сетей и систем заземления приведены в Приложении I к лабораторному практикуму.

Защитное заземление

С заземляющим устройством открытых проводящих частей электроустановок (например, корпусов электрооборудования).

Защитным заземлением называется преднамеренное электрическое соединение которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам (индуктивное влияние со­седних токоведущих частей, вынос потенциала и т.п.).

Замыкание на корпус  случайный электрический контакт между токоведущими частями и открытыми проводящими частями электроустановки.

Назначение защитного заземления  устранение опасности пора­жения электрическим током в случае прикосновения к корпусу и дру­гим открытым проводящим частям электроустановки, оказав­шимся под напряжением.

Область применения защитного заземления  трехфазные трехпро­водные сети до 1000 В с изолированной нейтралью и выше 1000 В с любым режимом нейтрали.

Принцип действия защитного заземления  снижение напряжения между корпусом электроустановки, оказавшимся под напряжением, и землей до безопасного значения. Защитное заземление выполняется путем подсоединения корпуса электроустановки к заземляющему устройству, состоящему из искусственного или естественного заземлителей, выполненных из металла или других токопроводящих материалов и имеющим электрический контакт с грун­том.

Поясним это на примере сети до 1000 В с изолированной нейтра­лью. Если корпус электроустановки не заземлен и он оказался в контакте с фазным проводником, то прикосновение человека к такому корпусу равносильно прикосновению к фазному проводнику (рис.1). В этом случае ток, проходящий через человека, будет определяться по формуле (в комплексной форме):
, (1)
где U_ф  фазное напряжение сети, В; R_h,  сопротивление тела человека, Ом; z  комплекс полного сопротивления проводника относительно земли, Ом;
(2)
Здесь r и С  сопротивление изоляции и емкость проводников относи­тельно земли соответственно;   угловая частота, с^1 .

Рис.1. Прикосновение человека к изолированному от земли корпусу при замыкании на него фазного проводника

При малых значениях С уравнение (1) принимает вид:
, (3)
где I_h  ток в действительной форме, проходящий через человека, А.

Напряжение, под которым окажется человек, прикоснувшийся к корпусу (напряжение прикосновения), определяется формулой
U_пр = I_hR_h.
Если же корпус электроустановки заземлен, то при замыкании на него фазного проводника (рис.2) через заземление пойдет ток I_з, значение которого зависит от r и сопротивления заземления кор­пуса r_з и определяется выражением, подобным (3):
(4)

Рис.2. Принципиальная схема защитного заземления

в сети с изолированной нейтралью (система IT)

Напряжение корпуса относительно земли в этом случае будет равно

U_корп = U_з = I_зr_з , (5)

а напряжение прикосновения

U_корп = U_з₁₂,

где ₁  коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий форму потенциальной кривой и расстояние до заземлителя; ₂  коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий паде­ние напряжения на сопротивлении основания, на котором стоит чело­век.
Ток через человека, касающегося корпуса при самых неблагоприятных условиях (₁ = ₂ = 1), будет

(6)

Сопротивление заземляющего устройства выбирается таким, что­бы напряжение прикосновения не превышало допустимых значений. Для электроустановок напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью наибольшие допустимые значения r_з составляют 10 Ом при суммарной мощности генераторов или трансформаторов, питающих дан­ную сеть не более 100 кВА; а в остальных случаях r_з не должно превышать 4 Ом.

При двухфазном замыкании в сети до 1000 В, то есть замыкании двух фаз на два корпуса, имеющие раздельные заземлители (рис.3), эти и другие корпуса, присоединенные к указанным заземлителям, окажутся под напряжением относительно земли, равным: в установке 1  U_з1= I_зr_з1, в установке 2  U_з2 = I_зr_з2.



Рис.3. Двухфазное замыкание на корпуса электроустановок, имеющие раздельные заземлители

Сопротивление изоляции и емкости фазных проводников относитель­но земли в данном случае практически не влияют на значение тока замыкания на землю, цепь которого устанавливается через сопротив­ления заземлений r_з1 и r_з2. При этом U_з1 + U_з2 = U_л (U_л  ли­нейное напряжение сети). При равенстве r_з1 и r_з2, U_з1=U_з2= 0,5U_л. Наличие таких напряжений на заземленных элементах установок явля­ется опасным для человека, тем более, что замыкание в сетях до 1000 В может существовать длительно.

Если же заземлители, или корпуса электроустановок 1 и 2 соединить провод­ником достаточного сечения или эти заземлители выполнить как од­но целое, то двухфазное замыкание на корпуса превратится в ко­роткое замыкание между фазными проводниками, что вызовет быстрое от­ключение установок максимально токовой защитой (предохранители, автоматические выключатели), т.е. обеспечит кратковременность опасного режима.

В сети с глухозаземленной нейтралью (рис.4) при замыкании фазно­го проводника на корпус по цепи, образовавшейся через землю, будет проходить ток

,
где r₀  сопротивление заземления нейтрали, Ом.

При этом фазное напряжение распределится между r_з и r₀, т.е. U_з= I_зr_з; U₀= I_зr₀; U_з + U₀ = U_ф.

Рис.4. Защитное заземление в сети с глухозаземленной нейтралью

(система ТТ)

Таким образом, напряжение корпуса относительно земли зависит от соотношения сопротивлений r₀ и r_з. При равенстве r₀ и r_з на­пряжение на заземленном корпусе будет

U_з = U₀ = 0,5U_ф
Это напряжение является опасным для человека, поэтому в сети на­пряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью защитное заземление не применяется.

В сетях с глухозаземленной нейтралью и корпусами, имеющими отдельное заземление (система заземления TT) обязательным согласно ПУЭ является применение устройств защитного отключения на дифференциальном токе.
Экспериментальная часть

Применяемое оборудование

Лицевая панель стенда представлена на рис.5. Стенд включа­ется кнопкой "Вкл". Распределенные вдоль фазных проводников сопротивления изоляции относительно земля имити­руются на стенде резисторами R₁, R₂ и R₃, величина этих сопротивлений варьируется от 5 до 120 кОм последовательным нажатием на кнопку П5.

Вольтметр U_L измеряет напряжение относительно земли каждого фазного проводника (подключение вольтметра к фазному проводнику осуществляется последовательным нажатием на кнопку П3), вольтметр U₀ – напряжение нейт­рали источника тока относительно земли, вольтметр U_К1 – напряжение корпуса первой электроустановки относительно земли, вольтметр U_К2 – напряжение корпуса второй электроустановки относительно земли.

Замыкание фазного проводника на корпус первой электроустановки осуществляется кнопкой П1. Корпус первой электроустановки подсоединяется к заземлителю кнопкой В2. С помощью кнопки П4 можно изменять значение сопротивления заземления

Замыкание фазного проводника на корпус второй электроустановки осуществляется кнопкой П2. Корпус второй электроустановки подсоединяется к заземлителю кнопкой В3. Величина сопротивления заземления корпуса второй электроустановки не изменяется.

Амперметр измеряет ток I_З, стекающий в землю при замыкании фазы на корпус первой электроустановки, если последний заземлен.

Кнопка В1 предназначена для подключения нейтральной точки источника тока к рабочему заземлению R₀, значение которого неизменно и составляет 4 Ом.

Рис. 5. Лицевая панель стенда

Указания по технике безопасности

При обнаружении в стенде какой-либо неисправности необхо­димо прекратить работу, отключить стенд и сообщить о случившемся преподавателю.

Порядок проведения работы

I. Оценка эффективности защитного заземления в сети с изолированной нейтралью до 1000 В.

а) Корпус электроустановки не заземлен.

1. Включить стенд.

2. В соответствии с табл.1 установить зна­чения сопротивлений, имитирующих сопротивление изоляции проводников относительно земли.

Таблица 1

№ бригады	1	2	3	4	5	6
Сопротивление изоляции	5	20	60	120	5	20
Сопротивление заземлителя корпуса 1 (rз), Ом	4	10	100	4	10	100

3. Отключить корпус первой электроустановки от защитного заземлителя.

4. Отключить нейтраль источника тока от рабочего заземлителя.

5. Произвести замыкание фазы L₃ на корпус первой электроус­тановки, измерить напряжение этого корпуса относительно земли и напряжения всех фазных проводников относительно земли. Результаты измерений занести в табл.2.

б) Корпус электроустановки заземлен.

1. Заземлить корпус первой электроустановки. Величину сопротивле-ния заземлителя установить в соответствии с табл.1.

2. Произвести замыкание фазы L₃ на корпус первой электроус­тановки, измерить напряжение этого корпуса относительно земли и напряжения всех фазных проводов относительно земли. Результаты измерений занести в табл.2.

3. Отключить стенд от сети.
II. Оценка эффективности защитного заземления в сети с изоли­рованной нейтралью до 1000 В при двухфазном замыкании на заземленные корпуса электроустановок.

1. 
   Включить стенд.
   
2. 
   Заземлить корпуса первой и второй электроустановок.
   

3. На корпус первой электроустановки замкнуть фазу L₃, на корпус второй электроустановки – фазу L₁ или фазу L₂.

4. Измерить значения тока замыкания на землю и напряжений корпусов первой и второй электроустановок относительно земли. Результаты измерений занесите в табл.3.

5. Отключить стенд от сети.
III. Оценка эффективности защитного заземления в четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В.

1. 
   Включить стенд.
   
2. 
   Заземлить нейтраль источника тока четырехпроводной сети.
   
3. 
   Замкнуть фазный провод L₃ на корпус первой электроустановки.
   
4. 
   Измерить напряжения корпуса первой электроустановки и нейтрали источника тока относительно земли, а также ток замыкания на землю. Результаты измерений занесите в табл.4.
   
5. 
   Отключить стенд.
   

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

По теме 1.Оценка эффективности защитного заземления в сети с изолированной нейтралью.

1.1. Принципиальную схему защитного заземления в сети с изолированной нейтралью.

1.2. Результаты измерения в виде табл.2.

Таблица 2

Режим измерений	Корпус не заземлен				Корпус заземлен
Замыкание на корпус:	Uкорп, В	U1, В	U2, В	U3,В	Uкорп, В	U1, В	U2, В	U3,В	Iз, мА
 фазного провода L3

1.3. Заключение об эффективности защитного заземления в се­ти с изолированной нейтралью до 1000 В.
По теме 2.Оценка эффективности защитного заземления в сети с изолированной нейтралью до 1000 В при двухфазном замыкании на заземленные корпуса электроустановок.

2.1. Принципиальную схему двухфазного замыкания на заземленные корпуса электроустановок.

2.2. Результаты измерений в виде табл.3.

Таблица 3

Uф , В	Uф , В	Uкорп1 , В	Uкорп2 , В	Iз , А	Расчетные значения
					RЗ1, Ом	RЗ2, Ом

2.3. Результаты расчета сопротивлений заземлителей корпусов 1 и 2 по данным измерений.

2.4. Оценку эффективности защитного заземления при двухфазном замыкании по результатам измерений.
По теме 3. Оценка эффективности защитного заземления в сети с глухозаземленной нейтралью .

3.1. Принципиальную схему защитного заземления в сети с глухозаземленной нейтралью.

3.2. Результаты измерений в виде табл.4.
Таблица 4

Uф , В	U0 , В	Uкорп , В	Iз , А	Расчетные значения
				RЗ1, Ом	RЗ2, Ом

Контрольные вопросы и примеры

1. Назначение и область применения защитного заземления.

2. По какой формуле вычисляется ток, протекающий через чело­века в случае прикосновения к заземленному корпусу, оказавшемуся под напряжением?

3. Как вычисляется сопротивление заземляющего устройства на основании результатов измерений данной лабораторной работы?

4. Как вычисляется ток замыкания на землю:

а) в сети с изолированной нейтралью;

б) в сети с изолированной нейтралью при двойном замыкании;

в) в сети с заземленной нейтралью?

5. Почему неэффективно применение защитного заземления в сети с заземленной нейтралью напряжением до 1000 В?

6. В сети (рис.1 сопротивления изоляции и емкости проводников относительно земли равны: r₁= r₂= r₃= r =10 кОм; с₁= с₂= с₃=0. Один из фазных проводников сети замкнулся на корпус, которого каса­ется человек. Сопротивление человека R_h=1000 Ом, фазное напря­жение U_ф=220 В. Определить ток, проходящий через человека. Во сколько раз уменьшится этот ток, если корпус электроустановки заземлить, а сопротивление защитного заземления будет равно а) 2 Ом, б) 4 Ом; в) 8 Ом; г) 10 Ом?

7. При одновременном замыкании двух фазных проводников на кор­пуса двух электроустановок (рис.3) человек прикоснулся к корпусу второй электроустановки. Параметры сети: U_ф=220 В, r₁= r₂= r₃=30 кОм , с₁= с₂= с₃=0. Определить ток, проходящий через че­ловека, если значения сопротивлений заземлителей r_з1 и r_з2 соот­ветственно равны а) 4 Ом и 4 Ом; б) 8 Ом и 4 Ом; в) 4 Ом и 10 Ом; г) 10 Ом и 10 Ом.

8. В сети (рис.4) произошло замыкание одного из фазных проводов на корпус электроустановки, которого касается человек. Сопротивление человека R_h=1000 Ом. Параметры сети: r₀ = 4 Ом, r₁= r₂= r₃=10 кОм; с₁= с₂= с₃=0, U_ф=220 В. Определить ток, проходящий через человека I_h, если сопротивление заземле­ния корпуса r_з равно а) 2 Ом; б) 4 Ом; в) 8 Ом; г) 10 Ом.

Литература

Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках. М.: «Знак», 2000. с. 179-215.