лабораторная работа / Лаба №1 3-х фазная цепь ВАРИАНТ №1

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

БАЛАКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕХНИКИ, ТЕХНОЛОГИИ И УПРАВЛЕНИЯ

ФАКУЛЬТЕТ ВЕЧЕРНЕ-ЗАОЧНЫЙ

КАФЕДРА «УПРАВЛЕНИЕ И ИНФОРМАТИКА В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПАСНОСТИ ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ В ТРЁХФАЗНЫХ СЕТЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НАПРЯЖЕНИЕМ 380 В

Выполнил ст. гр. УИТ-51в

Чугунов Д.А.

Принял

Русин С.А.__________

«____» _____________2008г.

2008

Цель работы: исследовать влияние режима нейтра­ли, параметров сетей (сопротивления изоляции и емкости прово­дов относительно земли), режима работы сети (нормальный и аварийный) на исход поражения током при прикосновении к какой-либо фазе.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Все случаи поражения человека током являются результатом замыкания электрической цепи через тело человека, т.е. резуль­татом прикосновения человека не менее чем к двум точкам цепи, имеющим разные потенциалы. Опасность такого прикосновения оценивается величиной тока I_h , проходящего через тело чело­века, и напряжением прикосновения U_h и зависит от ряда фак­торов:

а) схемы включения человека в цепь (однофазное или двух­ фазное включение);

б) сопротивления тела человека;

в) напряжения сети;

г) схемы самой сети (двухфазная, трехфазная 3-х или 4-х проводная);

д) режима её нейтрали (изолированная или заземленная ней­траль);

е) степени изоляции токоведущих частей относительно зем­ли;

к) величины емкости токоведущих частей относительно зем­ли.

Таким образом, указанная опасность не является однознач­ной: в одних случаях включение человека в цепь будет сопровождаться прохождением через него малых токов и окажется без последствий, в других - токи могут достигать больших значений, способных вызвать смертельное поражение человека. Зависимость опасности поражения током от указанных факторов необходимо знать при оценке той или иной сети по условиям техники безопасности, при выборе и расчете соответствующих мер защиты и, в частности, заземления, зануления, защитного отключения, а также устройств контроля изоляции и пр.

Схемы включения человека в цепь тока могут быть различ­ными. Однако наиболее характерными являются две схемы включе­ния: между двумя фазами и между одной фазой и землей.

Применительно к наиболее распространенным трехфазным се­тям первую схему принято называть двухфазным включением, а вторую - однофазным.

Двухфазное включение, как правило, более опасно, поскольку к телу человека прикладывается наи­большее в данной сети напряжение - линейное, а ток через че­ловека, оказываясь независимым от схемы сети, режима нейтра­ли и других факторов, имеет наибольшее значение:

где - линейное напряжение, т.е. напряжение между фазными проводами сети, В; - фазное напряжение, т.е. напряжение между началом и концом одной обмотки питающего сеть трансформатора (генератора) или между фазным и нулевым проводами сети, В; - сопротивление тела человека, в электрических расчетах по безопасности обычно принимают = 1000 Ом.

Случаи двухфазного включения происходят очень редко и не могут служить основанием для оценки сетей по условиям безопасности. Они бывают обычно в установках до 1000 В в резуль­тате работы под напряжением, применения неисправных защитных средств, а также эксплуатации оборудования с неогражденными голыми токоведущими частями (открытые рубильники, незащищен­ные зажимы сварочных трансформаторов и т.п.).

Однофазное включение является, как правило, менее опасным, чем двухфазное, поскольку ток через человека ограничивается влиянием многих факторов. Однако однофазное включение возникает значительно чаще и является основ­ной схемой, вызывающей поражение людей током в сетях любого напряжения. Поэтому ниже анализируются лишь случаи однофазного включения. При этом рассматривается обе разрешенные к применению сети трехфазного тока напряжением до 1000 В: четырехпроводная с глухозаземленной нейтралью и трехпроводная с изолированной нейтралью.

Рис. 1 Прикосновение человека к проводу трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью при нормальном режиме работы.

В трехфазной сети с изолиро­ванной нейтралью (рис. 1) силу тока I_h , проходящего через тело человека, при прикосновении к одной из фаз сети в период её нормальной работы, определяют сле­дующим выражением в действительной форме:

где С – емкость провода относительно земли, Ф;  - угловая частота, с^-1.

В приведенной выше формуле для простоты принято, что сопротивления и емкости фазных проводов равны.

При равенстве сопротивлений и отсутствии емкостей, т.е. при

R_A = R_B = R_C = R; C_A = C_B = C_C = 0,

что может иметь место в коротких воздушных сетях, будем иметь:

При равенстве емкостей и больших активных сопротивлениях по сравнению с емкостными, т.е. при R_A = R_B = R_C = ; C_A = C_B = C_C = С, что может быть в кабельных сетях, будем иметь

где X_C – емкостное сопротивление, Ом.

Во всех случаях напряжение прикосновения определяется выражением:

U_h = I_hR_h

В сетях с изолирован­ной нейтралью опасность для человека, прикоснувшегося к одной из фаз в период нормальной работы сети, зависит от сопротивле­ния проводов относительно земли: с увеличением сопротивления опасность уменьшается, вместе с тем этот случай, как правило, менее опасен, чем прикосновение в сети с заземленной нейтралью.

Рис. 2. Прикосновение человека к проводу трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью при аварийном режиме.

При аварийном режиме (Рис 2), когда имеет место замыкание фазы (например, фазы А) на землю через малое активное сопротивление r_зм, получим:

Напряжение прикосновения будет:

Если принять, что r_зм = 0 или, по крайней мере, считать, что r_зм<<R_h (так обычно бывает в действительных условиях), то U_h = , т.е. человек окажется под линейным напряжением.

В действительных условиях r_зм>0, поэтому напряжение, под которым оказывается человек, прикоснувшийся в период аварийного режима к исправной фазе трехфазной сети с изолированной нейтралью, значительно больше фазного и несколько меньше линейного напряжения сети.

Таким образом, этот случай прикосновения во много раз опаснее прикосновения к той же фазе сети при нормальном режи­ме.

Вместе с тем этот случай является также, как правило, более опасным, чем прикосновение к исправной фазе трехфазной сети с заземленной нейтралью.

В трехфазной четырехпроводной сети с заземленной нейтралью провидимость изоляции и емкостная проводимость проводов относительно земли весьма малы по сравнению с проводимостью заземленной нейтрали, поэтому их с некоторыми допущениями можно приравнять к нулю.

Рис.3. Прикосновение человека к фазному проводу трехфазной четырехпроводной сети с заземленной нейтралью при нормальном режиме.

При нормальном режиме работы сети (рис. 3) сила тока I_h, проходящего через тело человека, при прикосновении к одной из фаз (например, фазе С) определится

где R_З – сопротивление заземления нейтрали, Ом.

Напряжение прикосновения в этом случае:

Согласно требованию ПУЭ R_З не должно превышать 10 Ом; сопротивление же тела человека не опускается ниже нескольких сотен Ом. Следовательно, без особой ошибки в уравнениях можно пренебречь значением R_З и считать, что при прикосновении к одной из фаз трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью человек оказывается практически под фазным напряжением.

Ток, проходящий через человека, прикоснувшегося к фазе трехфазной сети с заземленной нейтралью в период нормальной работы, практически не изменяется с изменением сопротивления изоляции и емкости проводов относительно земля, если сохраняется условие, что полные проводимости проводов относительно земли весьма малы по сравнению с проводимостью заземленной нейтрали.

Рис.4. Прикосновение человека к фазному проводу трехфазной четырехпроводной сети с заземленной нейтралью при аварийном режиме

При аварийном режиме, когда одна из фаз сети, например, фаза А (рис. 4), замкнута на землю через относительно малое активное сопротивление r_зм , сила тока, проходящего через тело человека I_h , определится из выражения:

Напряжение прикосновения будет в этом случае:

Если сопротивление замыкания провода на землю считать равным нулю, то уравнение примет вид:

Следовательно, в данном случае человек окажется под воздействием линейного напряжения сети.

Если принять равным нулю сопротивление заземления нейтрали R_з, то U_h=U_ф , т.е. напряжение, под которым окажется человек, будет равно фазному напряжению.

Однако, в практических условиях r_зм и R_з всегда больше нуля, поэтому напряжение, под которым оказывается человек, прикоснувшийся в период аварийного режима к исправному фазному проводу трехфазной сети с заземленной нейтралью всегда меньше линейного, но больше фазного.

По условиям безопасности выбор одной из двух схем производится с учетом выводов, полученных при рассмотрении этих сетей: при нормальном режиме работы более безопасной является сеть с изолированной нейтралью, а в аварийный период – сеть с заземленной нейтралью.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Исследование трёхпроводной сети с изолированной нейтралью

Таблица 1. Величина тока I_h и напряжение прикосновения U_h при прикосновении к проводу в трехфазной трехпроводной сети.

Измеряемые параметры

Сопротивление изоляции фаз, кОм

RA = 18 кОм

RB = 18 кОм

RC = 18 кОм

Номер экспериментов

1 Фаза А

Среднее значение

2 Фаза В

Среднее значение

3 Фаза С

Среднее значение

Нормальный режим работы

Ih, А

0,045

0,015

0,045

Uh, В

45

15

50

Аварийный режим работы (Человек коснулся фазы С)

Ih, А

> 0,15

> 0,15

0,0001

Uh, В

190

200

10

Дано: R_h =1 кОм; R_A= R_B= R_C= R_N =18кОм ; С_A= С_B= С_C= С_N=0,45 мкФ ; r_зем=1 Ом ;R₀=2 Ом

Исследование четырёхпроводной сети с заземлённой нейтралью

Таблица 2. Величина тока I_h и напряжения прикосновения U_h при прикосновении к проводу в трехфазной четырехпроводной сети.

Измеряемые параметры

Сопротивление изоляции фаз, кОм

RA = 18 кОм

RB = 18 кОм

RC = 18 кОм

Номер экспериментов

1 Фаза А

Среднее значение

2 Фаза В

Среднее значение

3 Фаза С

Среднее значение

Нормальный режим работы

Ih, А

0,12

0,108

0,12

Uh, В

120

108

120

Аварийный режим работы (Человек коснулся фазы С)

Ih, А

0,111

> 0,15

0,102

Uh, В

120

160

92

Выполнение измерений

Расчет параметров, определяющих степень опасности сетей при прикосновении к фазному проводу.

Для трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью:

1. Рассчитать силу тока I_h, проходящей через тело человека при касании к фазному проводу при нормальном режиме работы сети:

,

2. Рассчитать силу тока I_h, при аварийном режиме.

,

3. Для обоих случаев рассчитать напряжение прикосновения U_h.

При нормальном режиме: =0.019*1000=19 B

U_h = 19 В

При аварийном режиме: =0.224*1000=224 B

U_h = 224 В

4. Сравнивая полученные результаты с предельно допустимыми уровнями напряжения и тока для человека, получили: что наиболее безопасной является трехфазная трехпроводная сеть c изолированной нейтралью при аварийном режиме работы при замыкании фазы С (таб. 1). При сравнении с таблицей предельно допустимых уровней напряжения и токов можно сделать вывод: предельно допустимый уровень, не более, U=36 при продолжительности воздействия свыше 1 секунды.

Для трехфазной четырехпроводной сети с заземленной нейтралью:

1. Рассчитать силу тока I_h, проходящей через тело человека при нормальном режиме работы сети:

,

I_h = 130/1002 = 0,129 А = 129мА

2. Рассчитать силу тока I_h, при аварийном режиме.

3. Для обоих случаев рассчитать напряжение прикосновения U_h.

При нормальном режиме: =0.129*1000=129 B

При аварийном режиме: =0.191*1000=191 B

4. При имитации включения человека в трехфазную четырехпроводную сеть с заземленной нейтралью, и сравнении полученных результатов с предельно допустимыми уровнями напряжения и токов, опасным считаются как нормальный (0.4-0.3 сек), так и аварийный режим работы сети (0.3-0.2). Это подтверждается также при сравнении значений таб.2 с предельно допустимыми уровнями напряжения и токов.

Вывод: В ходе лабораторной работы исследовали влияние режима нейтрали, параметров сетей (сопротивления изоляции и емкости проводов относительно земли), режима работы сети (нормальный и аварийный) на исход поражения током при прикосновении к какой-либо фазе. При проведении лабораторной работы имитировали включение человека в два вида сетей: трехфазная трехпроводная сеть с изолированной нейтралью и трехфазная четырехпроводная сеть с заземленной нейтралью. Сравнили экспериментальные и расчетные данные с таблицей предельно допустимых уровней напряжения и токов и сделали заключение: наиболее безопасной является трехфазная трехпроводная сеть с изолированной нейтралью при нормальном режиме работы, и трехфазная четырехпроводная сеть с заземленной нейтралью при аварийном режиме работы.

Ответы на вопросы:

1 и 2. Все случаи поражения человека током являются результатом замыкания электрической цепи через тело человека, т.е. резуль­татом прикосновения человека не менее чем к двум точкам цепи, имеющим разные потенциалы. Опасность такого прикосновения оценивается величиной тока I_h , проходящего через тело чело­века, и напряжением прикосновения U_h и зависит от ряда фак­торов:

а) схемы включения человека в цепь (однофазное или двух­ фазное включение);

б) сопротивления тела человека;

в) напряжения сети;

г) схемы самой сети (двухфазная, трехфазная 3-х или 4-х проводная);

д) режима её нейтрали (изолированная или заземленная ней­траль);

е) степени изоляции токоведущих частей относительно зем­ли;

к) величины емкости токоведущих частей относительно зем­ли.

3. На производстве как правило в настоящее время применяются трехфазные схемы сетей для питания оборудования , но также применяются и однофазные.

4. При тщательном анализе формулы

приходим к выводу, что при увеличении емкости находящейся в цепи сила тока, проходящая через человека уменьшается и наоборот.

5. При нормальном режиме работе трехфазной сети менее опасна сеть с изолированной нормалью. Параметр, определяющий безопасность человека в таких цепях является сопротивление проводов относительно земли: с увеличением сопротивления опасность уменьшается.

6. Аварийный режим работы цепи это когда имеет место замыкание одной из фаз на землю через малое активное сопротивление. Опасен такой режим тем, что человек может оказаться практически под линейным сопротивлением.

7. При аварийном режиме работе менее опасна трехфазная цепь с заземленной нейтралью. Параметр, определяющий безопасность человека в таких цепях является сопротивление земли и человека чем они больше, тем лучше для человека.