Национальный Исследовательский Технологический Университет

«Московский Институт Стали и Сплавов»

(НИТУ МИСиС)

Кафедра пдсс Лабораторная работа №5

«АНАЛИЗ ОПАСНОСТИ ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ В ТРЕХФАЗНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1 КВ»

Выполнил:

студент Макаров А.В.

группа МО-06-1

Допуск:

Выполнение:

Защита:

Москва 2010

Цель работы – проанализировать условия безопасного прикосновения к электрическим установкам, металлоконструкциям и другим устройствам, которые случайно оказались под напряжением и оценить эффективность действия защитного заземления и защитного зануления при различных режимах работы нейтрали сети трехфазного тока.

1. Общие сведения

Электрический ток является одним из наиболее опасных факторов, как в быту, так и на производстве. Его воздействие на организм человека очень часто приводит к летальному исходу.

Поражение человека электрическим током может произойти в следующих ситуациях (наиболее вероятные):

1. при приближении человека, неизолированного от земли на опасное расстояние к токоведущим частям электроустановки;

2. при одновременном прикосновении к 2-м фазам электроустановки 3-х фазного тока;

3. при 1-фазном прикосновении неизолированного от земли человека к неизолированным токоведущим частям электроустановки;

4. при освобождении другого человека, попавшего под напряжение;

5. при прикосновении неизолированного от земли человека к металлическим нетоковедущим частям оборудования, оказавшимися под напряжением из-за пробоя на корпус;

6. при прикосновении человека к 2-м точкам грунта находящегося под разными потенциалами в поле растекания тока (шаговое напряжение).

Следует отметить, что ситуации 1 – 4 связаны со случайным прикосновением (или приближением на опасное расстояние) к неизолированным токоведущим частям электроустановок, нормально находящихся под напряжением. Это Прямое прикосновение – прикосновение к оголенным проводам, шинам, клеммам, контактам. Случаются, как правило, по вине человека – самого пострадавшего, либо лица, не обеспечившего безопасность.

Ситуации 5 и 6 с прикосновением к материальным телам, случайно оказавшимся под напряжением. Это Косвенное прикосновение – прикосновение к нетоковедущим, но токопроводящим (например, металлическим) частям оборудования, инструмента или инженерных сооружений; происходит из-за пробоя изоляции по тем или иным причинам не связанным с пострадавшим, и могут рассматриваться как отказ техники.

Проходя через тело человека электрический ток оказывает сложное воздействие: термическое, биологическое, электролитическое и механическое. Воздействие электрического тока на организм приводит к электротравмам, которые условно разделяют на: местные, общие (называемые электроударами) и смешанные электропоражения.

Исход поражения электрическим током зависит от: силы тока, частоты и рода тока, длительности воздействия, сопротивления тела человека, пути тока в организме, напряжения и режима работы нейтрали сети, состояния организма человека и условий окружающей среды.

В приложении 5.1 приведены усредненные величины постоянного и переменного тока, которые оказывают определенные воздействия на человека (получены путем анализа несчастных случаев и опытов на животных и на людях). Приведенные значения зависят от индивидуальных свойств человека, физического развития, состояния нервной системы, массы тела и т.д.

В соответствии с ГОСТ 12.2.038 ССБТ «Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов» [1] напряжения прикосновения (напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек) и токи, протекающие через тело человека при нормальном (неаварийном) режиме электроустановки, не должны превышать значений, указанных в приложении 5.2. Предельно допустимые значения переменного тока частотой 50 Гц, проходящего через тело человека в аварийном режиме бытовых электроустановок напряжением до 1000 В не должны превышать значений, указанных в приложении 5.3.

Наиболее распространенными в современной электроэнергетике являются трехфазные сети, что объясняется рядом их преимуществ по сравнению, как с однофазными, так и с другими многофазными цепями:

• экономичность производства и передачи энергии по сравнению с однофазными сетями;

• возможность сравнительно простого получения кругового вращающегося магнитного поля, необходимого для трехфазного асинхронного двигателя;

• возможность получения в одной установке двух эксплуатационных напряжений – фазного и линейного.

Трехфазная сеть состоит из трех основных элементов: трехфазного генератора, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую с трехфазной системой ЭДС; линии передачи со всем необходимым оборудованием; приемников (потребителей), которые могут быть как трехфазными (например, трехфазные асинхронные двигатели), так и однофазными (например, лампы накаливания).

Трехфазные сети делятся на сети с изолированной и глухозаземленной нейтралью. В подавляющем большинстве жилых и нежилых помещений используются сети с глухозаземленной нейтралью.

Глухозаземленной нейтралью называется нейтраль трансформатора или генератора присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (например, через трансформаторы тока).

Изолированной нейтралью называется нейтраль трансформатора или генератора неприкрепленная к заземляющему устройству или присоединяемая через аппараты большого сопротивления (приборы сигнализации, измерения, защиты, заземляющие дугогасящие реакторы).

Если от генератора отходят только три провода, то такую систему называют трехфазной трехпроводной. Если же от генератора отходит еще и четвертый нулевой провод, то систему называют трехфазной четырехпроводной. Трехфазные трехпроводные сети используются для питания трехфазных силовых потребителей, а четырехпроводные – для питания преимущественно осветительных и бытовых нагрузок.

Фазы обозначают: L₁ (желтый), L₂ (зеленый), L₃ (красный).

Нулевым рабочим (N – проводник) (голубой) называется проводник, который обеспечивает совместно с фазным проводником питание потребителя. Он также соединён с нейтралью, но является частью цепи рабочего тока.

Нулевой защитный проводник (РЕ – проводник) (продольные полосы желтого и зеленого цветов) – проводник, который соединяет зануляемые части электроустановки с глухозаземленной нейтральной точкой обмотки трансформатора.

Нулевой защитный (РЕ) и нулевой рабочий (N) проводник могут быть разделены на всем протяжении системы, могут быть совмещены в одном проводнике (PEN), и могут быть совмещены в одном проводнике в какой-то части системы, начиная от источника электроэнергии, а потом разделены.

Нейтральный провод необходим для того, чтобы:

• выравнивать фазные напряжения приемника при несимметричной нагрузке;

• подключать к трехфазной цепи однофазные приемники с номинальным напряжением в раз меньше номинального линейного напряжения сети (, где U_л – линейное напряжение, В; U_ф – фазное напряжение, В).

В случае обрыва нейтрального провода при неодинаковых нагрузках в фазах фазные напряжения будут различными. В фазах с большой нагрузкой (меньшим сопротивлением) напряжение будет ниже нормального, даже если эта фаза очень далека от перегрузки. В фазах с меньшей нагрузкой (большим сопротивлением) напряжения станет выше нормального.

Особенно опасным является короткое замыкание после обрыва нейтрального провода. При этом напряжение на оставшихся незакороченными фазами возрастает в корень из трех раз (с нормальных 220 В до 380 В). Для исключения обрыва на нейтральном проводе не устанавливают предохранителей и выключателей. Этот вид сбоя электропитания является одним из самых опасных, но при правильном проектировании и эксплуатации электрической сети или системы бесперебойного питания встречается очень редко.

Электрические сети напряжением до 1 кВ выполняются, как правило, трехфазными – 660 В, 380 В и 220 В. Однако в ряде производств (электроплавильном, литейном и др.) недопустимо использование сетей с глухозаземлённой нейтралью. Силовые электроустановки U=660 В, 380 В, 220 В, работающие с изолированной нейтралью, имеют меньшую опасность при однофазном прикосновении ввиду большого сопротивления изоляции проводов.

Электрические сети с напряжением свыше 1 кВ выполняют: 6 В, 10 В, 20 В, 35 кВт.

В России чаще всего применяется четырехпроводная трехфазная электрическая сеть с глухозаземленной нейтраль, так как технологически она более выгодна поскольку позволяет использовать два рабочих напряжения – линейное и фазное, т.е. питать силовую нагрузку, включая ее как между фазами на линейное напряжение 380 В, так и осветительную, включая ее между фазным и нулевым проводом на фазное напряжение 220 В. Нейтральный провод в такой сети заземлен в нескольких местах (на электростанциях, подстанциях, в линиях электропередач).

В некоторых странах применяется пятипроводная трехфазная сеть. В ней провод заземления и нейтраль отделены друг от друга. Пятипроводная сеть дороже (больше расходы на кабель и его прокладку), но более устойчива к помехам, особенно при работе компьютерного оборудования.

В целях упрощения анализа сетей примем наиболее неблагоприятные условия: тело человека обладает только активным сопротивлением R_чел = 1000 Ом, сопротивление пола R_пол = 0 Ом и сопротивление обуви R_об = 0 Ом. Кроме того, примем сопротивления изоляции одинаковыми для всех проводов сети: Z_A = Z_B = Z_C = Z.

Трехпроводная сеть с изолированной нейтралью.

При определении силы тока, протекающей через тело человека, в таких сетях выделяют три случая:

1. В общем случае:

(5.1)

где I_чел – сила тока, проходящего через тело человека, А;

R_чел – сопротивление тела человека, Ом;

Z – полное сопротивление изоляции одной фазы относительно земли (имеет две составляющие: активную (r_изол) и емкостную (X_C)), Ом;

U_ф – фазное напряжение, В.

2. Если емкость проводов относительно земли мала (X_C~0), что справедливо для воздушных сетей U ≤ 1 кВ небольшой протяженности, емкостным сопротивлением изоляции можно пренебречь и сопротивление фазы относительно земли будет равно активному сопротивлению изоляции, т.е. Z = r_изол:

(5.2)

где r_изол – активное сопротивление изоляции, Ом.

Из формулы 5.2 видно, что в этом случае сила тока, проходящего через тело человека, зависит не только от величины фазного напряжения и сопротивления тела, но и в значительной мере от сопротивления изоляции фаз относительно земли r_изол.

При высоком сопротивлении изоляции сети сила тока не достигает опасной для жизни человека величины.

3. В сетях протяженных (разветвленных с большим числом потребителей) сопротивление изоляции r_изол мало, а в сетях напряжением свыше 1 кВ (частота > 50 Гц) r_изол очень низкое, следовательно, активной проводимостью фаз можно пренебречь, преобладает емкостная составляющая:

(5.3)

где X_C – емкостное сопротивление, Ф.

Таким образом, величина I_чел, касающегося одной фазы, в таких сетях зависит от U_ф, R_чел, Z, дополнительное защитное действие оказывают R_пола, на котором стоит человек, и R_об.

Четырехпроводная сеть с глухозаземленной нейтралью.

Трехфазные 4-проводные сети с глухозаземленной нейтралью характеризуются малым сопротивлением заземления нейтрали (r₀ ≤ 10 Ом), что значительно меньше сопротивления изоляции и емкостного сопротивления фаз относительно земли, поэтому ими можно пренебречь при определении силы тока, т.е. сила тока не зависит от качества изоляции.

В этом случае цепь тока, проходящего через тело включает в себя сопротивление тела человека R_чел и сопротивление заземления нейтрали источника тока r₀:

(5.4)

где r₀ – сопротивление заземленной нейтрали источника тока, Ом.

Поскольку R₀ ≤ 10 Ом, а R_чел = 1 кОм, значением R₀ можно пренебречь, тогда с учетом, что R₀ << R_чел:

. (5.5)

Из этого уравнения видно, что сила тока, проходящего через тело человека, зависит только от фазного напряжения и сопротивления тела человека (сопротивление рабочего заземления, обуви и пола при этом не учитываются).

При этих условиях и однофазное прикосновение, несмотря на меньший ток, весьма опасно.

Таким образом, в сетях с изолированной нейтралью степень опасности прикосновения человека к фазе особенно возрастает при уменьшении r_изол фазы относительно земли и при увеличении емкости фазы.

При аварийном режиме защитная роль изоляции проводов практически полностью нивелируется, следовательно, опасность поражения током значительно выше, чем при нормальном режиме.

По технологическим соображениям предпочтение отдается часто четырехпроводной (или пятипроводной) сети, позволяющей использовать два рабочих напряжения: линейное и фазное.

По условиям прикосновения к фазному проводу в период нормального режима работы сети более безопасной является сеть с изолированной нейтралью, а в аварийный период - когда одна из фаз замкнута на землю, сеть с изолированной нейтралью может оказаться опаснее, т.к. при аварии в сети с изолированной нейтралью напряжение неповрежденной фазы относительно земли может возрасти с фазного до линейного, в то время как в сети с глухозаземленной нейтралью повышение напряжения окажется незначительным. В аварийный период безопаснее сеть с глухозаземленной нейтралью.

Поэтому сети с изолированной нейтралью целесообразно применять, когда имеется возможность поддерживать высокий уровень изоляции проводов и когда емкость сети относительно земли незначительна. Это могут быть мало разветвленные сети, не подверженные воздействию агрессивной среды и находящиеся под постоянным надзором квалифицированного персонала. Примером могут служить сети электротехнических лабораторий, небольших предприятий, передвижные установки.

Сети с глухозаземленной нейтралью применяют там, где невозможно обеспечить хорошую изоляцию проводов (из-за влажности, агрессивной среды и пр.) или нельзя быстро отыскать или устранить повреждение изоляции, либо когда емкостные токи сети вследствие значительной ее разветвленности достигают больших значений, опасных для жизни человека. Это, как правило, сети крупных промышленных предприятий, городские распределительные, наружные установки, жилые и общественные.

При U > 1 кВ вплоть до 35 кВ сети по технологическим причинам имеют изолированную нейтраль, а выше 35 кВ – глухозаземленную. Поскольку такие сети имеют большую емкость проводов относительно земли, для человека одинаково опасно прикосновение к проводу сети как с изолированной, так и с глухозаземленной нейтралью. Поэтому режим работы нейтрали сети U > 1 кВ по условиям безопасности не выбирается.

Безопасность электроустановок обеспечивается применением ряда защитных мер.

К организационным мерам относится:

• классификация электроустановок;

• подразделение помещений на группы по доступности электрооборудования;

• категорирование помещений по опасности поражения электрическим током.

• график работы;

• квалификация персонала.

К техническим мерам защиты относят:

1. при защите от электродуги: ограждающие устройства, блокировки, плакаты, знаки безопасности.

2. при защите от прикосновения: низкое напряжение, повышенная изоляция токоведущих частей, размещение токоведущих частей на недоступной высоте, защитное отключение, ограждения, блокировка, предупредительная сигнализация.

3. меры защиты при прикосновении: защитное заземление, зануление, защитное отключение, уравнивание потенциалов, применение малых напряжений, повышенная изоляция токоведущих частей, электрическое разделение сетей.

Защитное заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Принцип действия – снижение до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, обусловленных замыканием на корпус. Это достигается уменьшением потенциала заземленного оборудования, а также выравнивания потенциалов за счет подъема потенциала основания, на котором стоит человек до потенциала, близкого к потенциалу заземленного оборудования.

Рисунок 5.1 – Схема защитного заземления (а) и зануления (б)

Заземляющее устройство – совокупность заземлителя – металлических проводников, находящихся в непосредственном соприкосновении с землей, и заземляющих проводников, соединяющих заземленные части электроустановки с заземлителем.

Заземление может быть естественным и искусственным:

Естественное заземление – это находящиеся в соприкосновении с землей электропроводящие части зданий и сооружений производственного назначения (арматура строительных конструкций).

Искусственное заземление– это совокупность металлических проводников (шин, труб, угольников) закопанных на расчетную глубину.

Заземление может быть выносным и контурным. Выносное выносится за контур оборудования и располагается на некотором удалении от него. Контурное устраивается по контуру оборудования и служит для выравнивания потенциала. Контурное заземление эффективнее выносного.

Рассмотрим действие защитного заземления. При прикосновении человека к заземленному корпусу электроустановки, случайно оказавшемуся под напряжением, ток однофазного замыкания на землю разветвляется. Первая ветвь образуется защитным заземлением, вторая – создается телом человека.

Сила тока, проходящего через тело человека, в данном случае определяется формулой:

, (5.6)

где I_о – сила тока однофазного замыкания на землю, А;

R_з – сопротивление защитного заземления, Ом;

R_чел – сопротивление тела человека, Ом.

Как видно из приведенной формулы, сила тока, проходящего через тело человека, уменьшается при снижении сопротивления заземления, т.е. при R_з→ 0 и I_чел→ 0.

С целью обеспечения безопасного прикосновения в случае замыкания фазы на корпус электроустановки в системе с глухозаземленной нейтралью с напряжением до 1000 В устраивается зануление.

Защитное зануление – преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Принцип действия – превращение замыкания на корпус в однофазное короткое замыкание (замыкание между фазным и нулевым проводами) с целью создания большого тока, способного обеспечить срабатывание защиты и тем самым автоматически отключить поврежденную установку от питающей сети.

В некоторых цехах (литейных, электросталеплавильных) применение зануления запрещено.

Безопасность обеспечивается достаточно быстрым отключением, в результате которого ток, проходящий через тело человека, не достигает опасной для организма величины.

Область применения защитного заземления и зануления в зависимости от режима работы нейтрали источника тока и номинального напряжения (U_Н, кВ), при котором работает электроустановка, приведена в таблице 5.1.

Таблица 5.1 – Область применения защитного заземления и зануления.

Режим работы нейтрали	UН, кВ
	менее 1	более 1
Изолированная	Заземление: Rз ≤ 4 Ом, при мощности трансформатора менее 100 кВ·А Rз ≤ 10 Ом.	Заземление: Rч≤ 125/Iз, где Iз – расчетная сила тока замыкания на землю, А.
Глухозаземленная	Зануление	Заземление

Защитное зануление в сетях с изолированной нейтралью запрещено.

Для быстрого и надежного отключения проводимость фазных и нулевых проводов должна быть выбрана таким образом, чтобы ток короткого замыкания превышал в 3 раза номинальный ток плавкой вставки.

Величина сопротивления защитного заземления регламентируется ГОСТ 12.1.030 ССБТ «Электробезопасность. Защитное заземление и зануление» [2] и Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) [3].

Защитное отключение – быстродействующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки при возникновении в ней опасности поражения током. Функции устройства защитного отключения (УЗО) заключаются в ограничении не величины тока, походящего через тело человека, а времени его протекания (быстродействие от 0,03 с до 0,2 с).

При срабатывании защитного отключения отключаются все три фазы электроустановки, в то время при занулении отключается одна аварийная фаза.

Опасность поражения током возникает при следующих повреждениях:

• неисправность заземления, зануления;

• снижение сопротивления изоляции;

• замыкание на землю.

Основаны УЗО на различных принципах действия. УЗО постоянно контролирует входной сигнал и сравнивает его с наперед заданной величиной. Если входной сигнал больше установленного, то УЗО срабатывает. УЗО, может реагировать на напряжение корпуса электроустановки относительно земли, на ток или на снижение уровня изоляции ниже определенного предела сопротивления изоляции. Наиболее совершенными являются УЗО, реагирующие на ток утечки (защищают от поражения электрическим током в случае прикосновения к металлическим корпусам, оказавшимся под напряжением из-за повреждения изоляции, и при прямом прикосновении к токоведущим частям). Кроме того, УЗО защищают электроустановки от возгораний, первопричиной которых являются токи утечки, вызванные ухудшением изоляции.