БЖД (Лабы) / К-501 / LAB2

11

Лабораторная работа N2

Лабораторная работа 2

ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ ПОРАЖЕНИЯ ТОКОМ В ТРЕХФАЗНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 В

Цель работы :

Оценить опасность прикосновения человека к фазным проводам электрических сетей напряжением до 1000 В.

Изучить влияние параметров сети ( режима нейтрали, сопротивления изоляции и емкости фазных проводов относительно земли ) на опасность поражения человека электрическим током.

Содержание работы

1. Сравнить опасность прикосновения человека к проводам трехфазных сетей с изолированной и заземленной нейтралями (параметры сети указаны в Приложении). Сравнение провести для двух режимов работы сетей - нормальном и аварийном (при замыкании на землю одного фазного провода и отказе защиты).

2. При нормальном режиме работы сети определить ток, проходящий через человека при прикосновении к фазному проводу в зависимости от:

а) сопротивлений изоляции фазных проводов сети относительно земли при постоянной емкости этих проводов относительно земли,

б) емкостей фазных проводов сети относительно земли при постоянном сопротивлении их изоляции относительно земли.

Опасность поражения током в различных электрических сетях.

Все случаи поражения человека током являются следствием его прикосновения к двум точкам электрической цепи¹, между которыми существует некоторое напряжение. Это напряжение называется напряжением прикосновения.

Опасность прикосновения, оцениваемая током (I_h), проходящим через тело человека, или напряжением прикосновения (U_h ), зависит от ряда факторов: способа включения человека в электрическую цепь, напряжения сети, режима ее нейтрали, а также сопротивлений изоляции и емкостей фазных проводов относительно земли.

Трехфазные сети (рис.1) в зависимости от режима нейтрали источника напряжения и наличия нулевого проводника могут быть:

Рис.1 Трехфазные сети:

а) трехпроводными с изолированной нейтралью, б) трехпроводными с заземленной нейтралью, в) четырехпроводными с изолированной нейтралью, г) четырехпроводными с заземленной нейтралью.

1. трехпроводными с изолированной нейтралью,

2. трехпроводными с заземленной нейтралью,

3. четырехпроводными с изолированной нейтралью,

4. четырехпроводными с заземленной нейтралью.

При напряжении до 1000 В в нашей стране применяют, в основном, две из указанных схем - первую и четвертую. Вторая и третья схемы не применяются при напряжении до 1000 В, потому что в трехпроводной сети с заземленной нейтралью в случае замыкания фазы на корпус, а в четырехпроводной сети с изолированной нейтралью - на землю невозможно обеспечить безопасность персонала защитным заземлением или занулением.

Опасность прикосновения человека к проводу сети определяется значением проходящего через него тока I_h. С медицинской точки зрения понятия неопасного тока не существует. На практике из-за интенсивного использования энергии электрических источников вероятность прикосновения человека к токоведущим частям как самих электрических сетей так и потребительской аппаратуры достаточна велика, чтобы ее не замечать. Поэтому на практике при отсутствии специальных мер защиты в виде устройств защитного отключения УЗО опасным следует считать ток через человека, который может привести его к травме или более тяжелому результату. Неотпускающий ток со значением 10 мА принят за граничное значение между опасным и неопасным токами. При токах I_h ³ 10мА подавляются сигналы нервной системы человека и он не может самостоятельно освободиться от источника опасности. Хотя неотпускающий ток еще не представляет угрозы для сердечно сосудистой и дыхательной систем, но нахождение человека подействием тока I_h ³ 10мА вызывает защитное срабатывание других систем человека. например, эндокринная система начинает вырабатывать потовыделение, что снижает сопротивление человека электрическому току, значение которого может вырасти до опасного уже для жизни человека.

При работе в особых условиях - на высоте или в присутствии движущихся механизмов, представляющих опасность, опасным током следует считать ток выше тока чувствительности. В этом случае действие тока I_h ³ 2мА может вызвать неосознанную защитную реакцию человека, которая может спровоцировать его падение или попадание в зону действия опасного механизма.

В сети с изолированной нейтралью при нормальном режиме ее работы и при равенстве сопротивлений изоляции и емкостей фазных проводов относительно земли ток через человека, касающегося фазного провода (рис.2а) определяется выражением:

I_h = U_ф / (R_h +Z/3) (1)

где I_h - ток через человека в комплексной форме, А,

U_ф- фазное напряжение В,

R_h - сопротивление тела человека , Ом.

Z - комплексное сопротивление фазного провода относительно земли, Ом:

Z = r /(1+j2pFrС), j =Ö-1 (2)

Здесь r - активное сопротивления изоляции проводов относительно земли, Ом.

С - емкость проводов относительно земли, Ф,

F - частота сети 50 Гц .

При равенстве сопротивлений изоляции и весьма малых значениях емкостей проводов относительно земли, то есть при r1 = r2 = r3 = r и С1= С2 = С3 = 0, что может иметь место в воздушных сетях небольшой протяженности ток, проходящий через человека, будет определяться как:

I_h = U_ф / (R_h + r/3) (3)

При равенстве емкостей и весьма больших сопротивлениях изоляции фазных проводов относительно земли, то есть при r1 = r2 = r3 = ¥ и С1 = С2 = С3 = С, что может иметь место в кабельных сетях, ток через человека согласно (1) и (2) определится из выражения:

I_h = U_ф / (R_h + jX/3) , X = 1/2pFС (4)

В сети с заземленной нейтралью при нормальном режиме работы ток, проходящий через человека ( рис.2б) равен

I_h = U_ф / (R_h + r_o) (5)

где r_o - сопротивление заземления нейтрали, Ом.

Согласно требованиям Правил устройства электроустановок наибольшее значение r_o составляет 10 Ом, сопротивление же тела человека R_h не отпускается ниже нескольких сотен Ом. Следовательно, без большой ошибки в (5) можно пренебречь значением r_o. Из выражений (1) и (5) следует, что прикосновение к проводу сети с заземленной нейтралью в нормальном режиме работы опаснее чем прикосновение к проводу сети с изолированной нейтралью, т.к. человек в этом случае попадает практически под фазное напряжение независимо от значений сопротивления изоляции и емкости проводов относительно земли.

Рис.2. Прикосновение человека к проводу трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью: а) нормальный режим, б) аварийный режим

В сети с изолированной нейтралью при аварийном режиме работы (рис.2б), то есть когда произошло замыкание на землю одного из фазных проводов, выражение для тока через человека, коснувшегося неповрежденного провода имеет вид:

I_h = Ö3U_ф / (R_h + r_зм), (6)

где r_зм - сопротивление растеканию тока в месте замыкания провода на землю, Ом.

Если считать, что r_зм << R_h (так обычно бывает на практике) то получим

I_h = Ö3U_ф / R_h,, (7)

то есть человек окажется под линейным напряжением сети Ö3U_ф.

Рис.3. Прикосновение человека к проводу трехфазной четырехпроводной сети с заземленной нейтралью. а) нормальный режим б) аварийный режим

В сети с заземленной нейтралью при аварийном режиме работы ток через человека зависит от соотношения сопротивлений r_зм и r_o ( рис.2б). Если принять, что сопротивление r_зм = 0 , то напряжение прикосновения U_пр = Ö3U_ф, то есть человек окажется под линейным напряжением сети. Если принять сопротивление r_o = 0, то U_пр = U_ф, то есть человек окажется под фазным напряжением. Однако на практике r_зм и r_o соизмеримые сопротивления, поэтому напряжение под которым оказывается человек, прикоснувшийся в аварийный период к исправному фазному проводу, всегда меньше линейного, но больше фазного, то есть

U_ф < U_пр < Ö3U_ф (8)

а следовательно

U_ф/R_h < I_пр < Ö3U_ф/R_h . (9)

Экспериментальная часть

Применяемое оборудование

Схема лицевой панели стенда показана на рис. 3. Стенд позволяет моделировать любую из четырех сетей трехфазного тока.

Рис. 3

Вместо реально существующих распределенных сопротивлений изоляции и емкости проводов относительно земли на стенде предусмотрены сосредоточенные сопротивления (r1,r2,r3) и емкости (С1,С2,С3) меняя значения которых, можно получить сеть с нужными параметрами.

Сопротивление человека изменяется от 1 до 10кОм. В схеме стенда оно имитируется резистором R_h, который может подключаться к каждому проводу сети. Ток, проходящий через этот резистор, измеряется встроенным миллиамперметром (mA) с переключаемыми диапазонами измерений ( 500, 100, 50 и 10 мА).

Встроенный вольтметр (V) служит для контроля фазных напряжений с помощью клавишнго переключателя (U1,U2,U3), расположенного над ним.

Порядок проведения работы

• Привести стенд в исходное состояние, все клавиши должны быть отжаты ( нажатые клавиши приводятся в исходное положение при неполном нажатии на соседнюю клавишу).

• Нажатием соответствующей клавиши блока R_h установить сопротивление, имитирующее сопротивление тела человека R_h = 1 кОм.

• Включить наибольший предел миллиамперметра (500мА), нажав на соответствующую клавишу диапазона измерений.

• Включить питание стенда переключателем В1, убедиться с помощью вольтметра в наличии напряжений фаз U1 = U2 = U3 = 220В

1. Для определения тока I_h, протекающего через человека при прикосновении к фазному проводу в сетях с изолированной нейтралью как в нормальном, так и в аварийном режимах работы, произвести измерения в следующем порядке.

1.1. В сети с изолированной нейтралью при нормальном режиме работы:

а) изолировать нейтраль (отключить с помощью В0),

.

б) имитируя прикосновение человека к фазным проводам нажатием клавиш 1,2,3 (над блоком R_h ) измерить I_h , выбирая необходимый диапазон измерений миллиамперметра. Показания миллиамперметра занести в табл.1а.

Таблица 1а

Результаты измерения для сети с изолированной нейтралью в нормальном режиме работы.

r1,кОм	r2,кОм	r3,кОм	Ih1,мА	Ih2, мА	Ih3, мА

Примечание. При одновременном включением двух и более клавишей, расположенных над блоком загорается красное табло не правильный выбор фазы на нижней панели стенда. Следует нажимать только одну клавишу.

1.2. При исследовании сети с изолированной нейтралью в аварийном режиме работы проделать все аналогично предыдущему пункту, только в момент измерения токов I_h нажать любую из трех клавиш П1, П2, П3, имитируя тем самым замыкание фазного провода на землю. В дальнейшем при измерении токов I_h не менять фазу, выбранную для замыкания на землю. Проводить измерения при замыкании других фаз на землю не следует. Сопротивление в месте контакта провода с землей имитируется резистором 100 Ом, которое установлено в схеме стенда.

Примечание. Так как при прикосновении человека к исправному фазному проводу в аварийном режиме ток резко увеличивается, следует заранее установить наибольший предел измерений миллиамперметра 500 мА.

Результаты измерений вписать табл. 1б.

Таблица 1б

Результаты измерения по п.2 для сети с изолированной нейтралью в аварийном режиме работы.

r1,кОм	r2,кОм	r3,кОм	rзм,Ом	Ih1,мА	Ih2, мА	Ih3, мА
			100

2. Для определения тока I_h, протекающего через человека при прикосновении к фазному проводу в сетях с заземленной нейтралью как в нормальном режиме работы, так и в аварийном, произвести измерения в следующем порядке.

2.1. В сети с заземленной нейтралью при нормальном режиме работы:

а) включить наибольший предел миллиамперметра (500мА), нажав на соответствующую клавишу под ним.

б) заземлить нейтраль - включить В0 , выставить сопротивления изоляции согласно заданию,

в) имитируя прикосновение человека к фазным проводам нажатием клавиш 1,2,3 (над блоком R_h ) измерить I_h . Показания миллиамперметра занести в табл.2а.

Таблица 2а

Результаты измерения по п.3 для сети с заземленной нейтралью в нормальном режиме работы.

r1,кОм	r2,кОм	r3,кОм	ro Ом	Ih1,мА	Ih2, мА	Ih3, мА
			4

2.2.. При исследовании сети с заземленной нейтралью при аварийном режиме работы проделать все аналогично предыдущему пункту, только в момент измерения токов I_h нажать любую из трех клавиш П1, П2, П3, имитируя тем самым замыкание фазного провода на землю. При измерении токов I_h не менять фазу, выбранную для замыкания на землю. Проводить измерения при замыкании других фаз на землю не следует. Сопротивление в месте контакта провода с землей имитируется резистором 100 Ом, которое установлено в схеме стенда.

Результаты измерений вписать табл. 2б.

Таблица 2б

Результаты измерения для сети с заземленной нейтралью в аварийном режиме работы.

r1,кОм	r2,кОм	r3,кОм	ro,Ом	rзм,Ом	Ih1,мА	Ih2, мА	Ih3, мА
			4	100

3. Оценка опасности поражения током для сети с изолированной нейтралью при одинаковых параметрах изоляции всех фазных проводов, т.е. r1= r2 = r3 = r , С1=С2=С3=С.

3.1. Измерить зависимость I_h (r) для сети с изолированной нейтралью.

Значения ряда сопротивлений изоляции r и постоянное значение емкости С взять из задания Приложения, соответствующего номеру вашей бригады.

Касание фазы человеком имитировать подключением сопротивления R_h к произвольно выбранному фазному проводу.

Изменяя сопротивления изоляции фазных проводов относительно земли r = r1 = r2 = r3 в соответствии с заданием, снять зависимость I_h (r). Показания миллиамперметра записать в табл. 3а.

Таблица 3а

Зависимость тока через человека от сопротивления изоляции проводов трехфазной сети с изолированной нейтралью

r, кОм
Ih,мА

3.2. Измерить зависимость I_h (С) для сети с изолированной нейтралью. Установить постоянные сопротивления изоляции фазных проводов r = r1 = r2 = r3 в соответствии с заданием.

Изменяя значения емкостей фазных проводов на землю С = С1= С2 = С3 в соответствии с заданием, снять зависимость I_h (С). Показания миллиамперметра записать в табл. 3б.

Таблица 3б

Зависимость тока через человека от емкости проводов на землю трехфазной сети с изолированной нейтралью

С,мкФ
Ih,мА

4. Оценка опасности поражения током для сети с заземленной нейтралью при одинаковых параметрах изоляции всех фазных проводов, т.е. r1 = r2 = r3 = r , С1= С2 = С3 = С.

4.1. Для получения зависимости I_h (r) для сети с заземленной нейтралью необходимо заземлить нейтраль (включить В0 ).

Включить наибольший предел миллиамперметра (500мА), нажав на соответствующую клавишу под ним.

Сопротивление заземления нейтрали 4 Ом.

Изменяя сопротивления изоляции проводов r = r1 = r2 = r3 согласно задания ви Приложении при постоянной емкости проводов относительно земли С = С1= С2 = С3, измерить ток I_h , проходящий через человека. Результаты замеров занести в табл.4а.

Таблица 4а

Зависимость тока через человека от сопротивления изоляции проводов трехфазной сети с заземленной нейтралью

r, кОм
Ih, мА

4.2. Измерить зависимость I_h (С) для сети с заземленной нейтралью.

Включить наибольший предел миллиамперметра (500мА), нажав на соответствующую клавишу под ним.

Установить постоянные сопротивления изхоляции фазных проводов r = r1 = r2 = r3 в соответствии с заданием.

Изменяя значения емкостей фазных проводов на землю С = С1= С2 = С3 в соответствии с заданием, снять зависимость I_h (С). Показания миллиамперметра записать в табл. 4б.

Таблица 4б

Зависимость тока через человека от емкости проводов на землю трехфазной сети с заземленной нейтралью

С,мкФ
Ih,мА

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1. Принципиальные схемы исследуемых сетей.

2. Результаты измерений по пп.1-4 в виде таблиц.

3. Зависимости I_h (r ) и I_h (С) п.4 должны быть проиллюстрированы графиками.

4. Выводы о влиянии параметров сети ( режима нейтрали, сопротивления изоляции и емкости фазных проводов относительно земли ) на опасность поражения человека электрическим током.

Контрольные вопросы и задачи:

1. В каком случае(в трехфазной сети с изолированной нейтралью или с заземленной нейтралью.) и почему опаснее прикосновение человека к фазному проводу, замкнувшемуся на землю?

2. В какой из двух исследуемых в работе сетей прикосновение к фазному проводу опаснее при нормальном режиме работы сети и почему?

3. В какой из двух исследуемых в работе сетей прикосновение к исправному фазному проводу опаснее при аварийном режиме работы сети и почему?.

4. Почему в трехфазной сети с изолированной нейтралью при увеличении емкости проводов относительно земли возрастает ток, проходящий через человека? Чем будет определяться данный ток при С® ¥?

5. Человек прикоснулся к фазному проводу трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью U_ф = 220 В, R_h = 1000 Ом. Определить для двух случаев:

а). при С1 = С2 = С3 = 0 и для сопротивлений изоляции фазных проводов r = r1 = r2 = r3 = 3 кОм, 15 кОм, 30 кОм, 60 кОм.

б). при r = r1 = r2 = r3 =¥ и для значений емкостей фазных проводов С1 = С2 = С3 = С = 0,03 мкФ, 0,2 мкФ, 1,0 мкФ, 1,5 мкФ.

6. Человек прикоснулся к фазному проводу трехфазной четырехпроводной сети U_ф=220 В с заземленной нейтралью. Определить I_h при следующих параметрах сети r_o = 4 Ом, r = r1 = r2 = r3 = 30 кОм,. С1= С2 = С3 =0,2 мкФ Сопротивление человека R_h = 1000 Ом.

7. Человек прикоснулся к фазному проводу трехфазной трехпроводнй сети с изолированной нейтралью в момент, когда другой фазный провод был замкнут на землю. Определить I_h при следующих параметрах сети U_ф=220 В,

r = r1 = r2 = r3 = 20 кОм, С1= С2 = С3 = 0,1 мкФ, при этом сопротивление r_зм = 300 Ом, 100 Ом, 30 Ом, 10 Ом.

Литература

Долин П. А. Основы техники безопасности в электроустановках. М.:, Энергоатомиздат, 1984, с 168 - 179

1 например, фазный провод и земля