Лабораторная работа №4 оценка эффективности системы зануления цель работы

Лабораторная работа №4

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ЗАНУЛЕНИЯ

Цель работы

Оценить эффективность системы зануления в трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В.

Содержание работы

1. Оценить эффективность системы зануления в сети без повтор­ного заземления нулевого защитного проводника.

2. Оценить эффективность системы зануления в сети с повтор­ным заземлением нулевого защитного проводника.

3. Оценить эффективность повторного заземления при обрыве нулевого защитного проводника.

Зануление

Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) защитное зануление в электроустановках напряжением до 1 кВ это преднамеренные соединения открытых проводящих частей с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, выполняемое в целях электробезопасности.



Рис.1. Принципиальная схема зануления
Иными словами, занулением называется преднамеренное электрическое соедине­ние нетоковедущих металлических частей электроустановки, которые могут оказать­ся под напряжением вследствие замыкания фазы на корпус, с зазем­ленной нейтральной точкой обмотки источника тока. Это соединение осуществляется с помощью нулевого защитного проводника (PE-проводника).

Наиболее широкая область применения зануления – трехфазные четырехпроводные сети напряже­нием до 1000 В с глухозаземленной нейтралью).

Принципиальная схема зануления показана на рис. 1.

П
I_Н

ринцип действия зануления – превращение замыкания на кор­пус в однофазное короткое замыкание (КЗ) (т.е. КЗ между фазным и нулевым защитным проводниками) с целью вызвать ток короткого замыкания I_к, способный обеспечить срабатывание максимальной токовой защиты и тем самым автоматически отключить поврежденную электроустановку от питающей сети.

В качестве такой защиты используются плавкие предохранители или автоматические выключатели, устанавливаемые в цепи питания электроустановок.

Рис.2. Эквивалентная схема замещения сети

На рис.2 представлена эквивалентная схема зануле­ния. На этой схеме: Z_Т, Z_ф, Z_н – полные сопротивления транс­форматора, фазного и нулевого защитного проводников; Х_П – внешнее индуктивное сопротивление петли фаза-нуль. С целью упрощения схемы соп­ротивлениями Z_Т, Х_ф, Х_н, Х_П можно пренебречь. В дальнейшем при рассмотрении теоретической части и примеров расчета принимаем, что фазный и нулевой защитный проводники об­ладают лишь активными сопротивлениями R_ф, R_н.

В период с момента возникновения замыкания на корпус и до отключения поврежденной электроустановки все зануленные корпуса оказываются под напряжением относительно земли. Безопасность обеспечивается достаточно быстрым отключением поврежденной элект­роустановки с тем, чтобы при данной длительности воздействия ток через человека и напряжение прикосновения не превысили допусти­мых значений (табл. 1). Кроме того, в указанный период напряже­ние корпуса относительно земли снижается благодаря наличию пов­торного заземления нулевого защитного проводника (НЗП).
Таблица 1

Предельно допустимые значения напряжений прикосновения U_пр и токов I_h при аварийном режиме производственных электроустановок напряжением до 1000В

(ГОСТ 12.1.038-82)

Время действия тока, с	0,01 0,08	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	более 1,0
Uпр, В	550	340	160	135	120	105	95	85	75	70	60	20
Ih, мА	650	400	190	160	140	125	105	90	75	65	50	6

Если повторное заземление НЗП отсутствует, то при замыкании одного из фазных проводников на корпус второй электроустановки (рис.3) напряжение этого корпуса относительно земли U_з2, B, так же, как и всего участка нулевого защитного проводника за местом замыкания (вправо от точки Б), будет равно падению напряже­ния в нулевом защитном проводнике на участке О-Б.

, (1)

где  ток короткого замыкания, проходящий по петле «фазануль», А;

 фазное напряжение сети, В.

Из формулы (1) видно, что при увеличении сопротивления НЗП напряжение на корпусе возрастает. На практике сечение НЗП выбирается в зависимости от сечения фазного проводника. При сечениях фазного проводника выше 35 мм², сечение НЗП может выбираться в 2 раза меньше сечения фазного проводника.

Тогда, согласно формуле (1) , а . Например, в сети с напряжением 380/220 В при напряжение относительно земли всех зануленных корпусов электроустановок за местом замыкания со­ставит = 147 В. При времени действия электрического тока более 0,4 с это напряжение создает реальную опасность пораже­ния людей (табл.1).

Если же нулевой защитный проводник будет иметь повторное за­земление с сопротивлением, то при замыкании фазного проводника на корпус электроустановки напряжение снизится до значения

,

где  ток, стекающий в землю через сопротивление , А;

 сопротивление заземления нейтрали, Ом.

При этом нейтральная точка приобретает некоторое напряжение относительно земли , равное



В данном случае напряжение вычисляется по формуле , где  ток, протекающий по НЗП, А. Этот ток является частью тока , другая часть которого протекает через землю.

Учитывая, что значительно больше r_Н, и, следовательно, , принимаем, что =; тогда .
На рис.3 показано распределение напряжения нулевого защит­ного проводника по его длине в сети без повторного заземления (I) и с повторным его заземлением (II) при . Графики распределения напряжения вдоль НЗП при замыкании фазы на какойлибо из зануленных корпусов позволяют определять напряжения относительно земли всех электроустановок, входящих в данную систему зануления.
При случайном обрыве НЗП, не имеющего повторного заземления, и замыкании фазы на корпус за местом обрыва напряжение относи­тельно земли оборванного участка нулевого проводника и всех при­соединенных к нему корпусов, в том числе корпусов исправных элек­троустановок, окажется равным фазному напряжению сети. Это нап­ряжение будет существовать длительно, поскольку поврежденная электроустановка автоматически не отключится и ее будет трудно обнаружить, чтобы отключать вручную.
Рис.3. Распределение напряжения нулевого защитного проводника относительно земли по его длине при замыкании фазы на корпус:

I - без повторного заземления; II - с повторным заземлением
Если же НЗП будет иметь повторное заземление, то при его об­рыве, например, между корпусами 1 и 2 (рис.3), через будет стекать ток в землю, благодаря чему напряжение зануленного корпуса 2 и других корпусов, находящихся за местом обрыва, сни­зится до значения



Однако при этом корпуса электроустановок, присоединенных к нуле­вому защитному проводнику до места обрыва, приобретут напряже­ние относительно земли



Следовательно, повторное заземление НЗП уменьшает опасность поражения током, возникшую в результате его обрыва и замыкания фазного проводника на корпус электроустановки за местом обрыва, но не устраняет ее полностью.

В сети, где применяется зануление, нельзя заземлять корпус электроустановки, не присоединив его к нулевому защитному про­воднику. В тоже время одновременное зануление и заземление одного и того же корпуса, а точнее заземление зануленного корпуса, не только не опасно, а, наоборот, улучшает условия безопасности.

Экспериментальная часть

Применяемое оборудование
Лицевая панель стенда представлена на рис.4. В работе моделируется сеть с глухозаземленной нейтралью и системой заземлении TN-S.

Подключение потребительской сети к трансформатору осуществляется кнопкой ”Вкл”. Два электроприемника подключаются к сети через автоматические выключатели АВ₁ и AB₂ (в дальнейшем автоматы)



Рис. 4. Лицевая панель стенда
При включении автоматов загорается зеленый светодиод, при отключении – красный. Нажатием кнопок В₁ и В₂ автоматы вводятся в рабочее состояние. Замыкание фазного проводника на корпус электроприемника осуществляется кнопками К₁ и К₃. При этом амперметром фиксируется ток короткого замыкания, а электронным секундомером время срабатывания автоматической защиты.

Для повторного заземления нулевого проводника используется кнопка К₂. Сопротивление повторного заземления устанавливаются кнопкой К₄. Схема позволяет также моделировать обрыв нулевого проводника между двумя электроприемниками. Ток, стекающий в землю через повторный заземлитель, фиксируется амперметром.

Для измерения напряжений служат вольтметры: U₀ – напряжение нейтрали относительно земли; U₁ и U₂ – напряжения корпусов электроприемников относительно земли; U_П – напряжение на повторном заземлителе.

От момента короткого замыкания до ,,обнуления” показаний приборов проходит 30 секунд.

Указания по технике безопасности

1. Перед выполнением данной работы необходимо ознакомиться с инструкцией по технике безопасности.

2. Запрещается оставлять без надзора вклю­ченный стенд.

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

Порядок проведения работы
I. Оценка эффективности системы зануления в сети без повтор­ного заземления нулевого защитного проводника.

1. 
   Подготовить табл. 2 для записи результатов измерений.
   
2. 
   Включить автоматы защиты (нажатием кнопок В₁ и В₂).
   

3. Нажатием на кнопку К₄ отключить повторное заземление R_П от нулевого проводни­ка.

4. Нажатием кнопки К₁ замкнуть фазный проводник на корпус первой электроустановки.

5. Определить время срабатывания (t_ЗАЩ) автоматов защиты, ток короткого замыкания (I_К) и напряжения (U₀, U₁, U₂, U_З).

6. 
   Полученные данные занести в табл. 2.
   

7. Аналогично произвести замыкание фазного проводника на корпус второй электроустановки (нажатием на кнопку К₃).

8. Определить время срабатывания (t_ЗАЩ) автоматов защиты, ток короткого замыкания (I_К) и напряжения (U₀, U₁, U₂, U_З).

9. Результаты измерений занести в табл.2.

10. По табл. 1 определить предельно допустимые напряжения прикосновения.

Таблица 2

Наличие повторного заземления НЗП	Замыкание на корпус	Время срабатывания защиты, tЗАЩ, мс	Ток короткого замыкания, IК, А	Напряжение относительно земли				Предельно допустимое напряжение прикосновения, UПР.ДОП., В
				нейтра-льной точки источника, U0, В	корпусов		точка нулевого проводника, находящаяся за вторым корпусом, UЗ, В
					U1, В	U2, В
Без повторного заземления	Корп.1
	Корп.2

II. Оценка эффективности системы зануления в сети с повторным заземлением нулевого защитного проводника.

1. 
   Подготовить табл. 3 для записи результатов измерений.
   
2. 
   Включить стенд.
   

3. Включить повторное за­земление нулевого защитного проводника (нажатием на кнопку К₄) и установить его величину (нажатием на кнопку R_П) измерения проводить при значениях равных R_П 4,10 и 15 омам.

4. Определить время срабатывания автоматов защиты ( t_ЗАЩ ), ток короткого замыкания (I_К), ток замыкания на землю (I_З) и напряжения (U₀, U₁, U₂, U_З) при замыкании фазного проводника на кор­пуса, для чего:

а) включить автоматы АВ₁ и AB₂;

б) произвести замыкание фазного проводника на корпус первой электроустановки кнопкой К₁;

г) снять показания приборов и полученные данные занести в табл. 3;

д) произвести замыкание фазного проводника на корпус второй электроустановки кнопкой К₃;

е) снять показания приборов и данные занести в табл.3.

5. Отключить стенд.
III. Оценка эффективности повторного заземления при обрыве нулевого защитного проводника.

1. Включить стенд.

2. Отключить повторное заземление R_П от нулевого защитного проводника (нажатием кнопки К₄).

3. 
   Смоделировать обрыв нулевого защитного проводника между корпусами первой и второй электроустановок нажатием кнопки К₂.
   
4. 
   Включить автоматы АВ₁ и АВ₂.
   

Таблица 3

Сопротивление повторного заземления НЗП	Замыкание на корпус	Время срабатывания защиты, tЗАЩ, с	Ток короткого замыкания, IК, А	Напряжение относительно земли				Ток замыкания на землю, IЗ, А
				нейтра-льной точки источника, U0, В	корпусов		точка нулевого проводника, находящая ся за вторым корпусом, UЗ, В
					U1, В	U2, В
RП = 4 Ом	Корп.1
	Корп.2
RП =10 Ом	Корп.1
	Корп.2
RП =15 Ом	Корп.1
	Корп.2

5. 
   Произвести замыкание фазного проводника на корпус первой электроустановки нажатием кнопки K₁.
   
6. 
   Измерить напряжения U₀, U₁, U₂, U_З и ток I_З.
   
7. 
   Данные занести в табл. 4.
   
8. 
   Включить автоматы АВ₁ и АВ₂.
   
9. 
   Произвести замыкание фазного проводника на корпус второй электроустановки нажатием кнопки K₃.
   
10. 
    Измерить напряжения U₀, U₁, U₂, U_З и ток I_З.
    
11. 
    Данные занести в табл. 4.
    
12. 
    Включить повторное заземление R_П нулевого защитного проводника (нажатием кнопки К₄).
    
13. 
    Установить нажатием кнопки R_П величину повторного заземления. Измерения проводить при значениях R_П равных 4,10 и 15 омам.
    
14. 
    Повторить выполнение п.п.411.
    
15. 
    Отключить стенд.
    

Таблица 4

Наличие повторного заземления и его сопротивление	Замыкание на корпус	Время срабатывания защиты, tЗАЩ, с	Ток короткого замыкания, IК, А	Напряжение относительно земли				Ток замыкания на землю, IЗ, А
				нейтральной точки источника, U0, В	корпусов		точка нулевого проводника, находящаяся за вторым корпусом, UЗ, В
					до обрыва U1, В	после обрыва U2, В
Без повторного заземления НЗП	Корп.1
	Корп.2
RП = 4 Ом	Корп.1
	Корп.2
RП =10 Ом	Корп.1
	Корп.2
RП =15 Ом	Корп.1
	Корп.2

Содержание отчета
Отчет должен содержать:

1. Принципиальную схему зануления двух электроустановок с повторным заземлением нулевого защитного проводника.

2. Результаты измерения в виде табл. 2.

3. Результаты измерения в виде табл. 3.

4. Результаты измерения в виде табл. 4.

5. Графики распределения напряжения нулевого защитного про­водника относительно земли по его длине при замыкании на корпус 1 и корпус 2 при отсутствии повторного заземления (зависимость I, рис. 2), при наличии повторного заземления (зависимость II, рис. 2).

6. Графики распределения напряжения нулевого проводника относительно земли по его длине при обрыве нулевого проводника и замыкании фазы на вто­рой корпус при отсутствии повторного заземления и при его наличии.

7. Оценку опасности прикосновения человека к корпусам электроустановок по результатам измерений.

8. Оценку эффективности применения повторного заземления нулевого защитного проводника.

Контрольные вопросы и задачи

1. Объясните принцип защитного действия зануления и укажите область его применения.

2. В чем проявляется защитное действие повторного заземления нулевого защитного проводника при нормальном режиме работы сети?

3. Как распределяется напряжение по длине нулевого защитного проводника при замыкании фазного проводника на зануленный корпус электроустановки?

4. От каких величин зависит значение тока короткого замыка­ния в схеме зануления при замыкания фазного проводника на корпус электроустановки?

5. Под каким напряжением относительно земли оказывается зану­ленный корпус электроустановки при замыкании на него фазного про­водника в системе зануления без повторного заземления нулевого за­щитного проводника.

6. В сети TN-C произошло замыкание одного из фазных про­водников на корпус второй электроустановки. Повторное заземление ну­левого защитного проводника отсутствует (т.е. r_П = ). Человек ка­сается корпуса первой электроустановки. Сопротивление человека R_h = 1000 Ом, сопротивление заземления нейтрали r₀ = 4 Ом, сопро­тивление фазного проводника до точки подсоединения 2 корпуса к нулевому защитному проводнику R_Ф = 0,1 Ом, сопротивления нулевого защитного проводника между точками О и А, О и Б равные R_АО = 0,1 Ом, R_ОБ = 0,2 Ом соответственно. Фазное напряжение U_Ф = 220 В. Определить ток I _h, протекающий через тело человека.

7. В сети TN-C произошло замыкание одного из фазных про­водников на корпус второй электроустановки. Человек касается корпуса этой же электроустановки. Параметры сети те же, что в п. 6: опре­делить ток, протекающий через тело человека, I_h, если значение сопротивления повтор­ного заземления r_П : а) 4 Ом; б) 20 Ом; в) 8 Ом; г) 60 Ом.

8. В сети TN-C произошел обрыв нулевого защитного провод­ника между I и 2 корпусами. Один из фазных проводников замкнулся на корпус второй электроустановки, в это время человек касается пер­вого корпуса. Параметры сети те же, что и в п. 6. Определить ток, протекающий через тело человека, I _h, если значение r_П : а) 4 Ом; б) 16 Ом; в) 46 Ом; г) 60 Ом.

Литература

Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках. -М.: «Знак», 2000. с. 216-226.