- •2. Экспериментальная часть
- •2.1. Материально-техническое обеспечение лабораторной работы
- •2.2. Порядок проведения эксперимента
- •3. Протокол отчета по лабораторной работе №10
- •3.1. Исследование опасности шагового напряжения и эффективности защиты человека с помощью сложного заземляющего контура.
- •3.2.2. Схема высвеченная на мнемопанели стенда узэо-1
- •4. Методика обработки и анализа экспериментальных данных
Человек, идущий по земле в зоне растекания тока, окажется под напряжением шага UШ, величина которого определяется как разность потенциалов между точками А и В, где находятся его ноги (рис.1). В общем виде
, (1)
где 3 - потенциал места стекания (заземлителя), зависящий от значения тока, стекающего в землю; конфигурации, размеров, числа и взаимного расположения электродов, составляющих заземлитель; удельного сопротивления грунта и т.д.; 1 - коэффициент напряжения шага, учитывающий форму потенциальной кривой
. (2)
Ток, проходящий через тело человека, когда он находится под UШ, определяется формулой:
, (3)
где RЧЕЛ - сопротивление тела человека, Ом; RШ - сопротивление растеканию тока в земле от одной ноги до другой, зависящее от удельного сопротивления поверхности грунта П, площади ступни ног и длины шага, Ом ( RШ 6 П , при этом пренебрегаем сопротивлением обуви).
При больших значениях UШ через человека проходит ток, вызывающий судороги в мышцах ног. В результате человек падает на землю. Так как рост человека всегда больше длины его шага, то замыкаются точки грунта с большей разностью потенциалов, а электрический ток протекает через мышцы грудной клетки и сердце.
С целью уменьшения UШ прибегают к выполаживанию кривой распределения потенциала в земле. Это достигается с помощью устройства сложных заземлителей в виде замкнутого контура, охватывающего всю территорию защищаемого объекта (рис.2). В итоге поля растекания отдельных заземлителей накладываются и любая точка поверхности грунта внутри контура имеет величину потенциала, мало отличающуюся от соседних точек. Следовательно, опасность поражения человека уменьшается. Для снижения UШ за пределами контура вдоль проездов и проходов в грунт закладывают специальные металлические шины. Все это обеспечивает защиту обслуживающего персонала от поражения током в ЭУ, если сопротивление заземляющего устройства соответствует требованиям ПУЭ.
Защитное отключение (ЗО) - это быстродействующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение ЭУ при возникновении в ней опасности поражения электротоком (ГОСТ 12.1.009-76). Полное время отключения с момента возникновения опасности должно быть не более 0,2 с (современные устройства защитного отключения - УЗО - обеспечивают время отключения 0,05...0,2 с). Классификация и общие требования к УЗО изложены в ГОСТ 12.4.155-85 «ССБТ. Устройства защитного отключения. Классификация. Общие технические требования».
Опасность поражения человека может возникнуть при замыкании фазы на корпус ЭУ или землю (полном или неполном), снижении сопротивления изоляции сети ниже определенного предела, неисправностях защитного заземления, зануления и, наконец, в случае прикосновения человека непосредственно к токоведущей части, находящейся под U. При этом, если IЧЕЛ или UПР превысит допустимые значения, установленные ГОСТ 12.1.038-82*, то возникает реальная угроза поражения человека током. Мерой защиты в этом случае является лишь быстрый разрыв цепи тока через человека, т.е. отключение аварийного участка сети. Эту задачу выполняет УЗО, которые состоят из прибора 30 и исполнительного органа.
Прибор ЗО - это совокупность отдельных элементов, которые воспринимает входную величину, реагируют на ее изменения и при заданном ее значении дают сигнал на отключение выключателя. Входной величиной может быть: потенциал корпуса ЭУ К, ток замыкания на землю I3, напряжение или ток нулевой последовательности (ННП или ТНП), напряжение фазы относительно земли U0 , оперативный ток и т.д. Минимальное значение входного сигнала, вызывающего срабатывание УЗО и последующее автоматическое отключение поврежденного участка электросети или ЭУ, называется уставкой УЗО.
Исполнительный орган - это автоматический выключатель, обеспечивающий отключение соответствующего участка электросети или ЭУ при поступлении сигнала от прибора ЗО.
УЗО могут применяться в сетях любого U и с любым режимом нейтрали. Наибольшее распространение они получили в сетях до 1000 В, особенно когда по каким-либо причинам трудно выполнить эффективное защитное заземление или зануление, а также когда высока вероятность случайного прикосновения к
Рис.1. Шаговое напряжение при одиночном заземлителе
Рис. 2. Шаговое напряжение при сложном заземляющем контуре:
1-кривая распределения потенциала в грунте; 2-то же, но с шинами.
токоведущим частям. Такие условия возможны в передвижных ЭУ, во взрывоопасных и сырых помещениях, в районах с плохо проводящими грунтами и т.д. В данной лабораторной работе студенты знакомятся с тремя УЗО, как наиболее распространенными.
УЗО, реагирующие на напряжение нулевой последовательности (рис.3). Датчиком служит фильтр напряжения нулевой последовательности (ННП), состоящий из трех конденсаторов (трех вольтметров, ламп резисторов), соединенных в звезду. Реле напряжения РН срабатывает, когда ННП (напряжение нулевой последовательности между нейтральной точкой источника и землей U0) достигает значения, при котором напряжение на зажимах PH становится равным или превышает напряжение срабатывания UСРАБ. В итоге происходит отключение ЭУ от электросети. Выбор УЗО сводится к определению значения U0, В, при котором должно произойти отключение сети. Расчеты показывают, что при замыкании одной фазы на землю U0 UФ , в двух фаз - U0=0,5 UФ . Следовательно, UУСТ=U0 = 0,5 UФ. При этом UСРАБ < UУСТ. Поэтому UСРАБ , В, следует определять по формуле:
(4)
где ZP - сопротивление обмотки РН, Ом; ZФ - сопротивление фильтра ННП, Ом.
Данный тип УЗО применяют в трехфазных (трехпроводных) сетях до 1000 В с изолированной нейтралью и малой протяженностью, обладающих высоким сопротивлением изоляции и небольшой емкостью относительно земли. Примером указанного типа УЗО является ассиметр РА-74/2, у которого UСРАБ=88 В, IСРАБ=39 mA и время срабатывания tСРАБ=12,3 мс при ZP=2,26 кОм и ZФ=2,5 кОм. Контакты этого ассиметра рассчитаны на ток отключения 2 А при 500 В, 3 А при 380 В и 5 А при 220 В.
Недостатками этих УЗО являются: неселективность срабатывания, нечувствительность к симметричному снижению сопротивления изоляции проводов и отсутствие самоконтроля исправности.
УЗО реагирующие на потенциал корпуса ЭУ (рис. 4). Датчиком служит реле максимального напряжения РН, включенное между защищаемым корпусом ЭУ и вспомогательный заземлителем rВ. При возникновении на заземленном или зануленном корпусе ЭУ потенциала , В, превышающего допустимый потенциалК.ДОП, срабатывает РН и замыкает (разрывает) свой контакт в цепи автомата АВ (пускателя МП), который отключает поврежденную сеть (или ЭУ). Испытание на работоспособность УЗО производится с помощью кнопки К.
Установка принимается такой, чтобы обеспечивалась безопасность прикосновения к "пробитому" корпусу ЭУ, т.е.
или (5)
где UПР.ДОП- допустимое напряжение прикосновения, по ГОСТ 12.1.038-82, В;1и2- коэффициенты UПР(если в период прикосновения к корпусу человек стоит вне поля растекания тока с защитного заземления и сопротивление основания, на котором он стоит, невелико,1 =2 =1 иУСТ UПР.ДОП.Тогда
(6)
где RP и XP - активное и индуктивное сопротивления обмотки РН, Ом (для РH с UСРАБ = 30 В RР = 400 Ом, а XP = 200 Ом).
Данный тип УЗО применяют в сетях всех U независимо от режима нейтрали, когда система защитного заземления или зануления малонадежна или недостаточно эффективна.
Недостатками этих УЗО являются: необходимость иметь вспомогательное заземление, неселективность отключения в случае присоединения нескольких корпусов ЭУ к одному заземлителю и непостоянство уставки при изменениях сопротивления.
УЗО, реагирующие на токи нулевой последовательности (рис.5). Датчиком служит трансформатор (или фильтр из трех однотипных трансформаторов) тока нулевой последовательности (ТТНП) с магнитопроводом тороидальной формы. Первичными обмотками TTHП являются фазные проводники, пропущенные через окно магнитопровода, вторичная обмотка равномерно расположена на магнитопроводе. При наличии токов утечки в зоне защиты во вторичной обмотке TTHП наводится ЭДС. Последняя усиливается и подается на реле тока РТ и при величине тока нулевой последовательности (ТНП), равной или больше IУСТ, происходит отключение аварийной сети или ЭУ.
Уставку, А, выбирают из соотношений:
а) для случая прикосновения к заземленному корпусу ЭУ
, (7)
б) для случая прикосновения к зануленному корпусу ЭУ
, (8)
в) для случая прикосновения к токоведущей части ЭУ
(9)
где r3 - сопротивление защитного заземления корпуса ЭУ, Ом;
- фактический ток однофазного короткого замыкания (см.рис.5 в лабораторной работе №6), A; RЧЕЛ - сопротивление тела человека, Ом.
Данный тип УЗО применяется в сетях любых напряжений независимо от режима нейтрали. При этом в сетях с изолированной нейтралью необходимо устанавливать трансформатор (или фильтр) ТНП в непосредственной близости от защищаемого оборудования; в сетях с глухозаземленной нейтралью - в любом месте электросети. УЗО этого типа может выполнять как самостоятельную защиту (взамен заземления или зануления), так и дополнительную защиту к защитному заземлению и занулению. Такие УЗО (типа C-901, 0-881, ЗОУП-25, ИЭ-9813, АЕ-2443 и РУД-05) с уставкой 10 mA обеспечивают безопасность при любом прикосновении человека к токоведущим частям ЭУ. При других уставках УЗО также обеспечивает безопасность, но в ограниченном диапазоне опасных токов. Недостатками этих УЗО являются: отсутствие самоконтроля исправности, нечувствительность к симметричным снижениям сопротивления изоляции, сложность конструкции устройства, предназначенного защищать человека от поражения током при прикосновении к токоведущей части ЭУ.
2. Экспериментальная часть
2.1. Материально-техническое обеспечение лабораторной работы
Исследование по данной лабораторной работе выполняют на моделирующих стендах УШН-1 и УЗЭО-1 конструкции ВНИИОТ г.Тбилиси.
Рис.3. Схема УЗО, реагирующего на напряжение нулевой последовательности с фильтром из трех конденсаторов СА, СВ и СС: ОК - отключающая катушка выключателя; РН - реле напряжения; YA ,YB ,YC - проводимости фаз относительно земли; g`ЗМ - проводимость замыкания на землю фазы А
Рис.4. Схема УЗО, реагирующего на потенциал корпуса ЭУ, с отключающей катушкой (ОК) автомата АВ (а) и магнитного пускателя МП (б): РН - реле напряжения;r3 - сопротивление защитного заземления; П - кнопка «пуск»; С - кнопка «стоп»; I3 - ток, стекающий на землю
Рис.5. Схема УЗО, реагирующего на
ток нулевой последовательности
2.2. Порядок проведения эксперимента
2.2.1. Ознакомиться со стендом УШН-1 и подготовить его к работе: поставить тумблеры "сеть" в положение "выкл" и "IЧЕЛ - IКЗ" -на IКЗ, переключатели "UШ" в положение 1 (против часовой стрелки до упора) и "защита" в нулевое положение, а тумблер "6-35 кВ" в нейтральное положение.
2.2.2. Исследовать опасность UШ и эффективность защиты человека с помощью сложного заземляющего контура, имеющего различное сопротивление, на стенде УШН-1:
2.2.2.1. Поставить тумблеры "сеть" в положение ''вкл." и "6-35 кВ" - на 6 кВ, затем нажать и отпустить кнопку "пробой". На стенде высветится зона растекания тока в земле с опоры ЛЭП и график распределения потенциала в этой зоне, которые необходимо зарисовать в протокол отчета;
2.2.2.2. Снять по амперметру величину тока замыкания IКЗ на опору ЛЭП и записать в протокол отчета;
2.2.2.3. Поставить тумблер " IЧЕЛ - IКЗ " в положение IЧЕЛ и снять показания IЧЕЛ и UШ по шкале приборов "mА" и " V " для каждой позиции переключателя "UШ ", имитирующего удаление человека от места замыкания. Все данные внести в табл.1 протокола отчета;
2.2.2.4. Поставить переключатели "UШ" в положение 1, и "защита" в положение 0,5 и 10 Ом (имитируется величина сопротивления сложного заземляющего контура, равная требованиям ПУЭ). Затем убедиться по приборам "mA" и "V " в отсутствии опасности поражения человека UШ к зарисовать этот контур в протоколе отчета;
2.2.2.5. Поставить переключатель, "защита" в положение 50 Ом и снять показания IЧЕЛ и UШ по шкале приборов "mА " и " V " для каждой позиции переключателя UШ. Все данные внести в табл.1 протокола отчета;
2.2.2.6. Поставить все тумблеры и переключатели в положения, указанные п. 2.2.1. Затем провести исследования в порядке, указанном в п.п. 2.2.2.1 - 2.2.2.5, для напряжения 35 кВ (тумблер "6-35" в п.п. 2.2.2.1 следует поставить на 35 кВ, а зарисовать необходимо только график распределения потенциала в земле при 35 кВ).
2.2.2.7. Все тумблеры и переключатели поставить в исходное положение (cм. п.2.2.1.), а стенд УШН-1 отключить от сети.
2.2.3. Ознакомиться со стендом УЗЭО-1 и подготовить его и работе: поставить в нулевое положение все переключатели и тумблеры, включить стенд в сеть (должна высветиться высоковольтная обмотка трансформатора на мнемопанели).
2.2.4. Исследовать опасность аварийного режима в сети с изолированной нейтралью при однофазном замыкании на землю или снижении сопротивления изоляции фазы относительно земли и эффективность защиты асимметра типа РА-74 в данной сети на стенде УЗЭО-1:
2.2.4.1. Включить тумблер "Устр." и нажать кнопку "Пуск" (имитируется пуск электродвигателя - ЭД), при этом на мнемопанели высветится трехпроводная схема и работающий ЭД;
2.2.4.2. Поставить переключатели " С1 ", " С2 " и " С3, " в первую позицию, а переключатель "РР" на "Асм." и зарисовать высвеченную схему на мнемопанели в протокол отчета;
2.2.4.3. Последовательно изменяя емкость фазы указанной в варианте задания) относительно земли с помощью соответствующего переключателя (C1 , C2 и С3 ) создать условие ассиметрии фаз и снять показания с прибора "А1" по каждой позиции с I по V. Результаты занести в табл.2 протокола отчета. Величину тока срабатывания ассиметра отметить звездочкой (*).
2.2.4.4. Поставить в нулевое положение переключатели "РР", "С1", " С2" и "С3" (только в такой последовательности), а тумблер "Устр." - в нижнее положение.
2.2.5. Исследовать опасность аварийного режима в сети (любая система нейтрали) при замыкании на заземленный или зануленный корпус ЭУ и эффективность защиты устройства "Р3" в данной сети на стенде УЗЭО-1:
2.2.5.1. Включить тумблер "Устр.", нажать кнопку "Пуск", имитирующий пуск ЭД, и тумблер "r3" поставить в положение "200 Ом" (сопротивление защитного заземления равно 200 Ом).
2.2.5.2. Поставить переключатель "РР" на "РЗ" и зарисовать высвеченную схему на мнемопанели в протокол отчета;
2.2.5.3. Создать замыкание на корпус ЭД путем включения тумблера "К3".
2.2.5.4. Последовательно изменяя величину сопротивления заземления с помощью переключателя "R3" снять показания прибора "А2 " и " V " (ток и напряжение утечки) по каждой позиции и зафиксировать момент срабатывания защиты "РЗ". Все данные занести в табл.3 протокола отчета;
2.2.5.5. Поставить в нулевое положение переключатель "R3", нажать кнопку "Пуск", включить тумблер "rЗ" в положение "4 Ом" и убедиться, что при последовательном изменении величины заземления с помощью переключателя "RЗ" величины тока и напряжения утечки (прибор "A2." и " V ") недостаточны для срабатывания устройства "РЗ". Здесь защита человека обеспечивается защитным заземлением или занулением, величина которого отвечает требованиям ПУЭ. Это положение зафиксировать в протоколе отчета, указав при этом величины тока и напряжения утечки;
2.2.5.6. Поставить в нулевое положение переключатели "R3" и "РР", а тумблеры "К3" и "Устр." в положение "выкл".
2.2.6. Исследовать опасность аварийного режима в сети (любая система нейтрали) при пробое изоляции на корпус ЭД и эффективность защиты типа C-901 на стенде УЗЭО-1:
2.2.6.1. Включить тумблер "Устр.", нажать кнопку "ПУСК" и включить тумблер " К3";
2.2.6.2. Поставить переключатели "R3", "R2" и "R1" в первую позицию, а "РР" в положение "THП" и зарисовать высвеченную схему на мнемопанели в протокол отчета;
2.2.6.3. Последовательно изменяя активность фазы относительно земли с помощью переключателя "R1" (искусственно создается асимметрия в сети), снять показания прибора "A1" (ток асимметрии) по каждой позиции и зафиксировать момент срабатывания зашиты типа C-901. Все данные внести в табл.4 протокола отчета;
2.2.6.4. Поставить в нулевое положение переключатели "РР", "R1", "R2" и "R3" (только в такой последовательности), тумблер "К3", нажать кнопку "Сброс" и выключить тумблер "Устр." и стенд УЗЭО-1.