новая папка 1 / 287419
.pdfМосковский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана
В.В. Тупов
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЩИТНОГО ЗАНУЛЕНИЯ
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине
«Безопасность жизнедеятельности»
Москва
2014
УДК 621.3.027.4–621.316.99 ББК 31.2
Т85
Факультет «Энергетическое машиностроение» Кафедра «Экология и промышленная безопасность»
Рекомендовано Учебно-методической комиссией факультета «Энергетическое машиностроение» МГТУ им. Н.Э. Баумана
Рецензент
канд. филос. наук, доцент Е. А. Гаврилина
Тупов В.В.
Исследование защитного зануления : метод. указания к Т85 выполнению лабораторных работ по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности» / В. В. Тупов. М. : Изд-во МГТУ
им. Н. Э. Баумана, 2014. 19, [5] с. : ил.
ISBN 978-5-7038-3954-6
Исследовано функционирование защитного зануления электропотребителей, питающихся от трехфазных пятипроводных сетей с заземленной нейтралью напряжением до 1кВ. Рассмотрено назначение РЕ-проводника сети, заземления нейтрали источника тока, повторного заземления РЕ-проводника и их влияние на условия безопасности при косвенном прикосновении к зануленным частям электрооборудования, случайно оказавшимся под напряжением в результате замыкания на них фазы сети. Для студентов всех специальностей, изучающих дисциплину «Безопасность жизнедеятельности».
УДК 621.3.027.4–621.316.99 ББК 31.2
|
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 |
|
© Оформление. Издательство МГТУ |
ISBN 978-5-7038-3954-6 |
им. Н.Э. Баумана, 2014 |
Цель лабораторной работы — исследовать защитное дей-
ствие системы зануления нормально не находящихся под напряжением токопроводящих частей электропотребителей, питающихся от трехфазной пятипроводной сети с заземленной нейтралью напряжением до 1 кВ.
После выполнения лабораторной работы студенты смогут:
экспериментальным путем убедиться, что зануление эффективно реализует защитные функции в сетях с заземленной нейтралью;
проверить на опыте действие защитного зануления в случае пробоя фазы сети на корпус зануленного оборудования;
выявить факторы, определяющие надежность функционирования защитного зануления;
убедиться в необходимости нулевого защитного проводника
иего повторного заземления в системе зануления;
определить экспериментально время срабатывания автоматического выключателя и напряжение на зануленных корпусах оборудования в зависимости от повторного сопротивления и сопротивления защитного проводника сети;
исследовать влияние повторного заземления нулевого защитного проводника на время срабатывания автоматического выключателя и напряжение на зануленных корпусах электрооборудования;
выполнить необходимые измерения параметров системы защитного зануления, провести анализ полученных результатов и сформулировать выводы по работе.
3
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Защитное зануление в электроустановках напряжением до
1 кВ — преднамеренное соединение открытых проводящих частей с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, заземленной точкой источника в сетях постоянного тока, выполняемое в целях электробезопасности [1].
В сетях трехфазного тока напряжением до 1 кВ нулевой защитный проводник (РЕ-проводник) предназначен для соединения зануляемых частей с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора (рис. 1).
Рис. 1. Принципиальная схема защитного зануления в трехфазной сети напряжением до 1 кВ:
1 — корпус электропотребителя; 2 — аппараты защиты (плавкие предохранители, автоматические выключатели и т. п.) от короткого замыкания (КЗ); R0 — сопротивление заземления нейтрали источника тока; Rп — сопротивление повторного заземления РЕ-проводника; Iк — ток КЗ; Iн — часть тока КЗ, протекающего по РЕ-проводнику; Iз — часть тока КЗ, протекающего через землю
РЕ и N-проводник совместно с фазными проводниками образуют пятипроводную сеть с глухозаземленной нейтралью, представленную на рис. 1. Существуют также четырехпроводные трехфазные сети, в которых нулевой защитный и нулевой рабочий проводники объединены в один PEN-проводник.
Назначение защитного зануления — устранение опасности по-
ражения током при замыкании фазного провода на токопроводящие части, нормально не находящиеся под напряжением, в том
4
числе на корпус электропотребителей. Принцип действия защитного зануления — превращение замыкания на корпус в однофазное короткое замыкание (между фазным и РЕ-проводниками) с целью вызвать большой ток, обеспечивающий срабатывание защиты и отключение поврежденного электропотребителя от сети. Автоматическое отключение произойдет, если ток короткого замыкания Iк удовлетворяет условию
Iк kIном, |
(1) |
где k — коэффициент кратности номинального тока Iном плавкой вставки или уставки тока срабатывания автоматического выключателя.
Значение k зависит от типа защиты. При автоматических выключателях с электромагнитным расцепителем без выдержки времени отключения k 1, 25 1, 4. Если защита осуществляется плав-
кими предохранителями или автоматическими выключателями с обратной токовременной характеристикой, то принимают k 3 в целях ускорения отключения поврежденной установки. Кроме того, поскольку зануленные части через РЕ-проводник заземлены, то в аварийный период до автоматического отключения проявляется защитное действие этого заземления — снижение их напряжения относительно земли.
Для эффективного функционирования защитного зануления требуется наличие в сети РЕ-проводника, заземления нейтрали источника тока и повторного заземления РЕ-проводника.
Наличие РЕ-проводника, обладающего малым сопротивлением, позволяет обеспечить необходимое для отключения электропотребителя значение тока Iк, удовлетворяющее условию (1).
Заземление нейтрали источника тока и повторное заземление РЕ-проводника практически не влияют на отключающие свойства системы зануления. Их назначение — снижение напряжения зануленных корпусов электропотребителей относительно земли в период существования аварийной ситуации.
Без заземления нейтрали источника тока и повторного зазем-
ления РЕ-проводника в случае замыкания фазного провода на землю (например, при его обрыве) земля приобретает потенциал фазы, и между зануленными корпусами и землей возникает напряжение, близкое по значению к фазному. Эта опасная ситуация может существовать до отключения сети вручную, так как максимальная
5
токовая защита при этом повреждении не срабатывает [2]. Поэтому рассматриваемая сеть без указанных заземлений не должна применяться.
Защитное действие повторного заземления РЕ-проводника
проявляется также при замыкании фазного провода на зануленный корпус электропотребителя до момента его отключения от сети. Рассмотрим вначале эту ситуацию в трехфазной пятипроводной сети с заземленной нейтралью при отсутствии повторного зазем-
ления РЕ-проводника (рис. 2). Для упрощения расчетных формул пренебрегаем сопротивлением и емкостью проводов сети относительно земли, сопротивлением обмоток источника тока и индуктивным сопротивлением петли фаза–нуль, а также примем распределенные по длине фазного и РЕ-проводника сопротивления Rф и RPE сосредоточенными и активными.
Рис. 2. Замыкание фазы на корпус в сети без повторного заземления РЕ-про- водника (показан также вариант с повторным заземлением, изображенным пунктиром)
На схеме рис. 2 показано переходное сопротивление Rпер в месте присоединения зануляющего проводника к корпусу электропотребителя 2 и не приведены проводники, подводящие рабочее напряжение к потребителям 1 и 3.
Ток короткого замыкания (КЗ), проходящий по петле фаза– нуль,
Iк |
Uф |
, |
(2) |
Rф Rпер RРЕ |
6
где RPE RPE1 RPE2 ; RPE1 и RPE2 — сопротивления РЕ- проводника на участках от точки 0 до точки а и от точки а до точ-
ки «b» соответственно (в лабораторном стенде RPE1 RPE2 ).
Значения напряжения РЕ-проводника в точках «а», «b», «с» и корпусов электропотребителей 1, 2 и 3 относительно земли определяются по формулам:
Uк1 Ua IкRPE1; |
(3) |
Uк2 Ub IкRпер; |
(4) |
Uк3 Uс Ub ; |
(5) |
Ub IкRPE . |
(6) |
Напряжение нейтральной точки 0 источника питания сети
U0 0. |
(7) |
На рис. 2 показана эпюра распределения напряжения относительно земли вдоль РЕ-проводника. Это напряжение будет существовать с момента замыкания фазы на корпус электроустановки 2 до автоматического отключения ее от сети и представлять определенную опасность поражения током.
При наличии повторного заземления РЕ-проводника (на рис. 2
оно показано пунктиром) напряжение относительно земли на зануленных корпусах несколько снизится. При тех же приве- денных выше допущениях и
Rпер 0 получена расчетная
схема, приведенная на рис. 3, соответствующая схеме зануления с повторным заземлением РЕ-проводника.
На основе расчетной схе-
мы |
получены формулы для |
|
|
|
Рис. 3. Расчетная схема защитного за- |
||||
вычисления значений тока КЗ |
нуления в сети с повторным зазем- |
|||
Iк, |
тока Iн, протекающего по |
лениемРЕ-проводника |
РЕ-проводнику, тока Iз, сте-
кающего в землю через сопротивление Rп повторного заземления РЕ-проводника, напряжений Uк1, Uк2, Uк3 и U0 относительно земли:
7
|
Iк |
|
|
Uф |
; |
|
(8) |
|||
|
|
Rф R |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Iн |
|
IкR |
; |
|
|
|
(9) |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
RPE |
|
|
|
|
|
|
Iз |
|
|
IкR |
|
; |
|
(10) |
||
|
Rп R0 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Uк1 Uа IнRPE1 IзR0 ; |
(11) |
||||||||
|
Uк2 Ub IзRп; |
(12) |
||||||||
|
Uк3 Uс Ub Uк2; |
(13) |
||||||||
|
U0 IзR0 , |
(14) |
||||||||
|
R |
RPE Rп R0 |
; |
(15) |
||||||
|
|
|||||||||
|
|
RPE Rп R0 |
|
|||||||
гдеR0 4 Ом |
(при Uф 220 В) — |
|
сопротивление |
заземления |
нейтрали источника тока.
При случайном обрыве РЕ-проводника между точками а и b
(рис. 2) и замыкании фазы на корпус 2 при отсутствии повторного заземления напряжение относительно земли РЕ-про-водника за местом обрыва и присоединенных к нему корпусов 2 и 3 будет практически равным фазному:
Ub Uc Uк2 Uк3 Uф. |
(16) |
Это весьма опасное напряжение может существовать длительно, пока не будет обнаружена и отключена вручную аварийная установка от сети. При этом напряжение участка РЕ-проводника от нейтральной точки 0 источника до места обрыва и напряжение корпуса 1 относительно земли будут практически равными нулю:
U0 Uа Uк1 0. |
(17) |
При наличии повторного заземления и обрыва РЕ-проводника
будет действовать цепь тока Iз через землю (см. рис. 3). С учетом
8
приведенных выше допущений и Rпер 0 значения тока Iз, напря-
жений Uк1, Uк2, Uк3 и U0 относительно земли могут быть рассчитаны по формулам:
Iз |
Uф |
; |
(18) |
Rф Rп R0 |
Uк1 Uа U0 IзR0 ; |
(19) |
Uк2 Ub Uс Uк3 IзRп. |
(20) |
Если, например, Rп R0 и много больше |
Rф , то напряжения, |
рассчитанные по формулам (19) и (20), будут равны и составят приблизительно половину фазного напряжения, т. е. уменьшится опасность поражения током за местом обрыва РЕ-проводника. При этом, однако, не будут достигнуты условия безопасности, существовавшие до обрыва.
9
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА
На лицевой панели стенда приведена мнемоническая схема моделируемой системы, включающей в себя трехфазную электрическую сеть, ее источник питания — трансформатор, вторичные обмотки которого соединены по схеме «звезда», три электропотребителя, представленные на схеме в виде корпусов 1, 2 и 3, элементы защитного заземления и зануления, коммутационные устройства; расположены цифровые индикаторы миллисекундомера, амперметра и вольтметра.
Включение стенда с присоединением фазных проводов к источнику питания осуществляется установкой рукоятки переключателя S2 в положение «I», а выключение — установкой его рукоятки в положение «О». Свечение светодиодных индикаторов в фазных проводах указывает на наличие напряжения. Переключатель
S1 позволяет заземлять нейтраль сети (R0 = 4 Ом) во включенном положении и изолировать от земли — в выключенном. При установке рукояток переключателей S3 и S4 во включенное положение осуществляется присоединение к нейтральной точке источника соответственно нулевого рабочего проводника (N-проводника) и нулевого защитного проводника (PE-проводника), что позволяет моделировать пятипроводную сеть.
Распределенные сопротивления изоляции проводов сети относительно земли представлены на схеме сосредоточенными сопро-
тивлениями RA, RB , RC , RN , причем RA RB RC RN Rи (емкости проводов относительно земли в данном стенде не учитываются). Значения этих сопротивлений можно дискретно изменять переключателем S18. Значения Rи и других сопротивлений, о которых будет сказано далее, не приводятся в тексте, так как они указаны на лицевой панели стенда рядом с рукоятками соответствующих переключателей.
Переключатель S17 позволяет во включенном положении присоединить PE-проводник к повторному заземлителю, значение со-
противления которого Rп можно изменять переключателем S19. Изображенные на мнемонической схеме корпуса 1, 2 и 3 при-
надлежат соответствующим электропотребителям, поэтому последним присвоены те же номера.
10