129

Лабораторная работа №10

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЩИТЫ ЧЕЛОВЕКА ОТ ШАГОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК

Цель работы: научиться исследовать и оценивать эффективность средств защиты человека от электропоражений при аварийных режимах в электросетях с изолированной и глухозаземленной нейтралью.

1. Теоретическая часть

Аварийные режимы в электроустановках (ЭУ) могут вызвать электро-поражения обслуживающего персонала. В частности, при электрическом замыкании на землю или на заземленный корпус ЭУ образуется зона растекания тока (рис.1). Она имеет гиперболический вид и крутым спадом напряжения (до 65% ₃) вблизи места стекания (заземлителя). На расстоянии 20 м от этого места потенциал земли близок к 0. С повышением проводимости грунта эта кривая становится более пологой.

Человек, идущий по земле в зоне растекания тока, окажется под напряжением шага U_Ш, 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 U_Ш, определяется формулой:

, (3)

где R_ЧЕЛ - сопротивление тела человека, Ом; R_Ш - сопротивление растеканию тока в земле от одной ноги до другой, зависящее от удельного сопротивления поверхности грунта _П, площади ступни ног и длины шага, Ом ( R_Ш  6 _П , при этом пренебрегаем сопротивле­нием обуви).

При больших значениях U_Ш 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 U_Ш 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 U_Ш 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 I_ЧЕЛ или U_ПР 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

Р ис.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 U_СРАБ. 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  U_Ф , в двух фаз - U₀=0,5 U_{Ф .} Следовательно, U_УСТ=U₀ = 0,5 U_Ф. При этом U_СРАБ < U_УСТ. Поэтому U_СРАБ , В, следует определять по формуле:

(4)

где Z_P - сопротивление обмотки РН, Ом; Z_Ф - 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 U_СРАБ=88 В, I_СРАБ=39 mA и время срабатывания t_СРАБ=12,3 мс при Z_P=2,26 кОм и Z_Ф=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 r_В. При возник­новении на заземленном или зануленном корпусе ЭУ потенциала , В, превышающего допустимый потенциал _К.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 U_ПР.ДОП - допустимое напряжение прикосновения, по ГОСТ 12.1.038-82, В; ₁ и ₂ - коэффициенты U_ПР (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 и _УСТ  U_ПР.ДОП. Тогда

(6)

где R_P и X_P - активное и индуктивное сопротивления обмотки РН, Ом (для РH с U_СРАБ = 30 В R_Р = 400 Ом, а X_P = 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 I_УСТ, 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; R_ЧЕЛ - 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.