Р
ОСЖЕЛДОР
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗАВАНИЯ СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (ФГБОУВПО СГУПС)
КАФЕДРА
«БЕЗОПАСНОТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ»
АВТОР: В.Д БАЛАНЧУК
РУКОВОДСТВО К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
«ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ В ТРЕХФАЗНЫХ СЕТЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ»
БЖД-02
НОВОСИБИРСК 2013
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА БЖД-02
ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ В ТРЕХФАЗНЫХ СЕТЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ
Цель работы - изучение влияния режима нейтрали, параметров сети и сопротивления тела человека на исход поражения электрическим током.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Нейтраль (нулевая точка) является центром симметрии сети трехфазного тока. В трансформаторах, а также на генераторах, электродвигателях или иных устройствах предусматривается нулевой вывод. В симметричных системах токов и напряжений этот вывод имеет практически потенциал земли и при этом не имеет значения, соединена ли нейтраль с землей и если да, то каким образом это выполнено.
Трехфазные электрические сети в зависимости от их режима нейтрали разделяются на сети с изолированной и заземленной нейтралью. Сетью с изолированной нейтралью считается такая, в которой ни одна из нейтралей генераторов и силовых трансформаторов не имеет соединения с землей, за исключением соединений через приборы измерения, защиты, сигнализации, ДГР и другие аппараты с большим сопротивлением. Очевидно, согласно этому определению, сеть с компенсацией емкостных токов замыкания на землю (компенсированная сеть) является частным случаем сети с изолированной нейтралью.
Под исследованием опасности поражения электрическим током будем понимать определение возможных значений напряжений прикосновения и токов через тело человека в сети с нормальным состоянием изоляции, а также при повреждении изоляции (при замыкании одной из фаз на землю).
В случае изолированной нейтрали (рисунок 1) напряжение прикосновения определится следующим образом:
(1)
Однако в этой сети возможен ряд частных случаев:
а) RLl=RL2=RL3=R; CLl=CL2=CL3=C;
то есть в сети полная симметрия.
Подставив эти условия в уравнение (1), получим:
(2)
Заметим, что при подстановке значений проводимостей фаз в силу их равенства получим в числителе (1-а2+1-а). Следует напомнить, что сумма трех единичных векторов, смещённых друг относительно друга на 120 эл. градусов, равна нулю, то есть 1+а+а2=0. Следовательно, (а - а2) = 1. С учетом последнего и получаем уравнение (2) в том виде, каком оно представлено.
Рисунок 1 - сеть с изолированной нейтралью
б) RLl = RL2 = RL3 = R; C L2 = CL2 = CL3 = 0.
Этот случай соответствует короткой воздушной сети, где емкость фаз сети относительно земли столь мала, что ею можно пренебречь. Подставляя эти условия в уравнение (1), получим:
(3)
Последний, третий случай эквивалентен короткой кабельной сети. Проведя преобразования, аналогичные предыдущим, получим:
(4)
На основании уравнений (2) ... (4) можно заключить, что в сети с изолированной нейтралью в установившемся режиме напряжение прикосновения и ток через тело человека определяются параметрами изоляции фаз сети относительно земли.
В переходном режиме условия электробезопасности будут определяться рядом факторов, например моментом подключения человека к сети и некоторыми другими, например, в случае короткой кабельной сети, в которой можно принять Rф = ∞, однофазная схема замещения сети будет иметь вид, представленный на рисунке 2.
Рисунок 2 - однофазная схема замещения сети
Уравнение переходного процесса для этой схемы замещения можно записать следующим образом:
(5)
где tg
=
-1/
C∑Rh;
τ=
RhC∑;
Z
=
, где
C∑- суммарная емкость сети относительно земли;
- круговая частота напряжения сети;
- начальная фаза
напряжения сети;
- фазовый сдвиг между напряжением и током в сети.
По завершении переходного процесса [t = (3 ... 4) τ] уравнение (5) примет вид уравнении
В аварийном режиме
ток через тело человека может быть
найден по формуле
(6)
Векторная диаграмма напряжений для этого случая представлена на рисунке 3.
Следует отметить, что при замыкании одной из фаз на землю в сети с изолированной нейтралью и при прикосновении человека к другой, напряжение прикосновения резко возрастёт и может достигнуть линейного напряжения (при Rзам = 0).
Рисунок 3 – Векторная диаграмма напряжений
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА
Лабораторный стенд представляет собой модель трехфазной электрической сети выполненную на низком, безопасном для учащихся напряжении. В качестве источника используется трехфазный понижающий трансформатор.
Стенд позволяет изменять сопротивление изоляции фаз и емкость фаз относительно земли, значение сопротивления пола, сопротивления обуви человека прикасающегося к фазному проводу. Изменяется также и величина сопротивления замыкания одной из фаз на землю при аварии. Установка необходимых значений сопротивлений и емкости производится с помощью соответствующих переключателей.
Включение стенда производится включателем «СЕТЬ». Во включенном состоянии включатель подсвечивается.
Замыкание одной из фаз на землю производится нажатием кнопки «АВАРИЯ». В нажатом состоянии кнопка подсвечивается. Для выключения замыкания кнопку необходимо нажать повторно.
Стенд оснащен встроенными приборами для измерения тока протекающего через человека и напряжения в контрольных точках. Приборы измеряют эффективное значение, и градуированы с учетом коэффициента трансформации. (Приборы показывают значения, которые возникнут в сети с напряжением 220/380 вольт). Ток и напряжения должны измеряться только приборами встроенными в стенд.
Для измерения напряжения в любой из точек необходимо подключить ее к входному гнезду вольтметра.
Рисунок 4 - Внешний вид и органы управления стендом
1 - Выключатель с подсветкой «Сеть» (замыкание/размыкание переключателя SA1) для включения/выключения стенда; 2 - светодиодные индикаторы наличия напряжения в линиях LI, L2, L3 трехфазной сети; 3 - гнезда «1», «2», «3» для измерения напряжения в линиях LI, L2, L3 трехфазной сети; 4 - переключатель активного сопротивления изоляции фаз сети относительно земли «RL1=RL2=RL3 (к0м)»; 5 - переключатель емкости фаз сети относительно земли «С L1 = СL2 = СL3 (мкФ)»; 6 - гнездо «4» для измерения напряжения, приложенного к человеку, и напряжения на человеке относительно земли при его прикосновении к фазному проводу; 7 - кнопка с подсветкой «АВАРИЯ» замыкания одной из фаз на землю (замыкание переключателя SA2); 8 - переключатель сопротивления замыкания одной из фаз на землю при аварии «Rзaм (Ом)»; 9 - переключатель сопротивления обуви человека « Rоб (кОм)»; 10 - переключатель сопротивления пола «Rпoлa (кОм)»; 11 - гнезда подключения входов вольтметра; 12 - индикатор тока протекающего через тело человека и напряжения в контрольных точках, подключенных к вольтметру; 13 - гнездо «Земля»; 14 - гнездо «5» для измерения напряжения, приложенного к человеку, прикоснувшемуся к фазному проводу.
Меры безопасности
Все работы на стенде выполняются с разрешения преподавателя. К работе на стенде допускаются лица, ознакомленные с его устройством, принципом действия и мерами безопасности в соответствии с требованиями, приведенными в настоящем разделе. Наладочные работы, осмотры и ремонт производить только после отключения стенда от сети питания с помощью сетевой вилки.
Порядок выполнения работы
3.1 Изучите содержание работы.
3.2 Изучите расположение органов управления на стенде.
3.3 Установите переключатели « RL1 = RL2 = RL3 (кОм)», «Rоб», «Rпола» в положение 1кОм, «СL1= СL2 = СL3» (мкФ)» - в положение 0,1 мкФ, «Rзaм» в положение 1 кОм. Кнопка «Авария» должна быть отжата.
3.4 Включите тумблер «сеть».
3.5 Измерьте и запишите в отчет значения фазных напряжений сети.
3.6 Снимите зависимости Uпр=f(Rиз), Ih=f(Rиз). Установите переключатель RИ3 в положение 5 кОм и снимите зависимости Unp=f(Cиз), Ih=f(Rзам).
3.7 Нажмите кнопку «Авария», загорится ее подсветка. Снимите зависимости UфLl=f(Rзaм), UфL2=f(Rзaм), UфL3=f(Rзaм) и Unp=f(Rзaм).
3.8 Получите номер варианта у преподавателя и снимите зависимости согласно варианту (таблица 1).
3.9 Отключите кнопку «Авария» и приведите стенд в исходное состояние.
Методические указания к выполнению лабораторной работы
4.1 Ознакомьтесь с устройством и принципом работы стенда.
4.2 Установите переключатели «RL1=RL2=RL3 (кОм)»,«Roб кОм)» и «Rnoла (кОм)» в положение 1кОм, «CL1= CL2= CL3 (мкФ)» - в положение 0,1 мкФ, «Rзам» в положение 1 Ом.
Кнопка «Авария» должна быть отжата.
4.3 Переведите выключатель "СЕТЬ", расположенный на лицевой панели стенда, в положение «ВКЛ». При этом появится подсветка выключателя «СЕТЬ» и засветятся светодиодные индикаторы наличия напряжения в линиях LI, L2, L3 трехфазной сети. Прибор готов к работе.
4.4 Подключите гнезда вольтметра проводами из комплекта стенда к гнездам «4» и «5» на рисунке человека.
4.5 Изменяя сопротивления изоляции фаз (Rиз) с помощью переключателя «RL1 = RL2 = RL31 (кОм)», запишите показания вольтметра и амперметра и получите зависимости Uпр=f(Rиз, Ih=f(Rиз).
4.6 Изменяя ёмкости фаз сети (Сиз) относительно земли с помощью переключателя «CL1=Cl2=CL3 (мкФ)», запишите показания вольтметра и амперметра и получите зависимости Uпp =f(Cиз), Ih =f(Cиз).
4.7 При нескольких фиксированных значениях сопротивления обуви человека, изменяя сопротивление пола с помощью переключателя «Rnoлa (кОм)», снимите зависимость Rh=f(Rnoлa).
4.8 При нескольких фиксированных значениях сопротивления пола, изменяя сопротивление обуви человека с помощью переключателя « Rоб (кОм)», снимите зависимость Ih=f(Rоб).
4.9 Нажмите кнопку «АВАРИЯ», загорится её подсветка.
4.10 Изменяя сопротивление замыкания одной из фаз на землю (фазы L3) при аварии с помощью переключателя «Rзaм (Ом)», снимите зависимость прикладываемого к человеку напряжения, касающегося фазы L1 от сопротивления замыкания Unp=f (Rзaм).
4.11 Подключите гнезда вольтметра проводами из комплекта стенда к гнездам «3» (фаза L3) и «Земля». Изменяя сопротивление замыкания фазы L3 на землю при аварии с помощью переключателя «Rзам (Ом)», снимите зависимость напряжения фазы L3 сети от сопротивления замыкания UL3 = f (Rзам).
4.12 Подключите гнезда вольтметра проводами из комплекта стенда к гнездам «1» (фаза L1) или «2» (фаза L2) и «Земля». Изменяя сопротивление замыкания фазы L3 на землю при аварии с помощью переключателя «Rзам (Ом)», снимите зависимость напряжения фазы L1 или L2 сети от сопротивления замыкания фазы L3 UL1=f (Rзам) или UL2=f (Rзам).
4.13 По окончанию работы выключите выключатель "СЕТЬ", расположенный на лицевой поверхности стенда.
Таблица 1 – Зависимости Ih=f(Ro6)
№ Варианта |
Rзам |
Снять зависимость |
При фиксированных значениях |
1 |
0 |
Ih=f(Ro6) |
Rпола=1;10 |
2 |
10 |
Ih=f(Ro6) |
Rпола=1;10 |
3 |
100 |
Ih=f(Ro6) |
Rпола=1;10 |
4 |
1000 |
Ih=f(Ro6) |
Rпола=1;10 |
4.9 Отключите кнопку «Авария» и приведите стенд в исходное состояние.