Исследование электробезопасности трехфазных электрических сетей

Включение на напряжение шага


Ток, проходящий через человека, как и в предыдущем случае, зависит от тока замыкания на землю:

.

Напряжение между двумя точками цепи тока, находящимися на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек, называется шаговым напряжением или напряжением шага.

Включение человека в цепь тока между фазным проводом и землей или прикосновение к корпусу электроустановки, оказавшемуся под напряжением, является несколько менее опасным. Опасность поражения определяется величинами напряжения сети и последовательно включенных сопротивлений тела человека, обуви, пола, изоляции токоведущих частей относительно земли.

Средние значения сопротивлений различных материалов указаны в табл. 1.3.1 и 1.3.2

Таблица 1.3.1

Электрические сопротивления различных материалов в зависимости от приложенного напряжения

Материал подошвы

До 65 В

127 В



220 В

Свыше 220 В

Сухие помещения

Кожа

200

150

100

50

Кожимит

150

100

50

25

Резина

500

500

500

500

 Сырые и влажные помещения

Кожа

1,6

0,8

0,5

0,2

Кожимит

2,0

1,0

0,7

0,5

Резина

2,0

1,8

1,5

1,0

  Таблица 13.2

Электрическое сопротивление пола из разных материалов в зависимости от состояния

Материал пола

Сухой

Влажный

Мокрый

Асфальт

2000

10

0,8

Бетон

2000

0,9

0,1

Дерево

30

3,0

0,3

Земля

20

0,8

0,3

Кирпич

10

1,5

0,8

Линолеум

1500

50

4,0

Метлахская плитка

25

2,0

0,3

Металл

0,01

0

0

1.4 Опасность поражения электрическим током в электрических сетях системы заземления IT (изолированных от земли)

 

Анализ опасности поражения человека электрическим током в любой электрической сети предусматривает:

    - определение вида электрической сети;

    - определение электрической цепи поражающего тока;

    - вывод зависимости значения поражающего тока от других факторов электрической цепи;


   - анализ зависимости;

   - выводы о путях исключения опасности поражения или уменьшения величины поражающего тока.

Это необходимо знать при оценке той или иной сети для определения условий электробезопасности, выбора и расчета соответствующих мер защиты, в частности, защитного заземления, зануления, защитного отключения, устройств контроля изоляции. При этом во всех случаях будем считать, что сопротивление основания, на котором стоит человек (грунт, пол), а также сопротивление его обуви незначительны и при расчетах могут быть приняты равными нулю.      

 

Анализ опасности поражения в однофазной двухпроводной сети системы заземления IT (с изолированным от земли выводами источника тока).

Примером такой сети может служить электрическая сеть небольшой протяженности напряжением до 1000 В. Такие сети используются для питания сверхнизким (малым) напряжением 12, 24, 36 и 42 В ручных переносных ламп, переносного электроинструмента и др. Схема замещения приведена на рис. 1.4.1. Требуется оценить опасность прикосновения человека к одному из проводов этой сети, т.е. определить напряжение прикосновения Uпр, под которым окажется человек, и ток Iч, проходящий через него. В общем случае при нормальном режиме работы сети напряжение  прикосновения и поражающий ток могут быть определены из выражений 

,           (1.4.1)

             (1.4.2)

Из этих выражений можно сделать выводы:

1. Прикосновение человека к проводу с большим сопротивлением изоляции относительно земли более опасно, что видно из выражения (1.4.1).

2.  Если предположить, что R1=R2=Rиз, тогда выражения (1.4.1) и (1.4.2) примут вид

,                          (1.4.3)

                              (1.4.4)

То есть, чем больше сопротивление изоляции проводов относительно земли, тем меньше опасность однофазного прикосновения к проводу.

Пример. Определить Uпр при R1=R2=Rиз и Rиз=(1, 10, 20, 40)•103 Ом, Rr=1•103 Ом.

Решение:

при Rиз=1•103 Ом,      Uпр=U•1000/(2•1000+1000) = U/3;



при Rиз=10•103 Ом,    Uпр=U/12;

при Rиз=20•103 Ом,    Uпр=U/22;

при Rиз=40•103 Ом,    Uпр=U/42.

Следовательно, чем выше значение Rиз, тем меньше значение Uпр, значит меньше опасность поражения человека током (меньше Iч).

а)



б)



Рис. 1.4.1 – Прикосновение человека к проводу однофазной сети изолированной от земли в нормальном режиме ее работы: а) схема замещения, б) эквивалентная расчетная схема

Согласно правил устройства электроустановок (ПУЭ) минимально допустимое сопротивление изоляции электроустановок, аппаратов, вторичных цепей и электропроводок напряжением до 1000 В должно быть, как правило, не менее 0,5 МОм.

При аварийном режиме (рис. 1.4.2) один из проводов сети, например 1, замкнут на землю через сопротивление замыкания Rзм.. 





Рис. 1.4.2 – Прикосновение человека к проводу однофазной сети, изолированной от земли, когда другой провод замкнут на землю (аварийный режим работы сети)

На практике сопротивление замыкания Rзм обычно мало по сравнению с R1, R2, и Rч и может быть принято равным нулю. Тогда согласно выражениям (1.4.1) и (1.4.2), напряжение прикосновения Uпр и поражающий ток Iч будут иметь наибольшие возможные значения.

Из вышеперечисленного можно сделать следующие выводы:

1. При замыкании провода на землю человек, прикоснувшийся к исправному проводу, оказывается под напряжением прикосновения, равным почти полному напряжению сети независимо от сопротивления изоляции проводов относительно земли.

2.  Защитная роль изоляции проводов в аварийном режиме практически полностью утрачивается и опасность однофазного прикосновения такая же, как и при двухфазном прикосновении.

Снизить опасность поражения человека может применение электрозащитных средств, изолирующих полов, сухой обуви. Поэтому применение инструмента с изолирующими рукоятками, изолирующих подставок, диэлектрических ковриков при эксплуатации однофазных сетей, изолированных от земли, обязательно.      



 

 

 

Анализ опасности поражения в трехфазных сетях системы заземления IT (с изолированной нейтралью)

В общем случае опасность поражения человека, прикоснувшегося к одной из фаз сети в период нормального режима ее работы (рис. 1.4.3), будет определяться величинами сопротивления изоляции и емкости фаз относительно земли. Ток, проходящий через тело человека может быть определен из выражения

,                              (1.4.5)

где Uф – фазное напряжение, напряжение на конце обмотки источника тока относительно нейтрали;

Z – комплекс полного сопротивления токоведущей части сети (фазы) относительно земли.



Рис 1.4.3 – Прикосновение человека к фазному проводу трехфазной сети с изолированной нейтралью в нормальном режиме ее работы

В действительной форме этот ток равен

.                   (1.4.6)

Выводы:  

1. При равенстве сопротивлений изоляции и малых значениях емкости относительно земли, что характерно для электрических сетей напряжением до 1000 В, то есть при RА=RB=RC=Rиз и СА=СВ=СС=0 поражающий ток может быть определен из выражения

                       

        
.                               (1.4.7)

Из анализа выражения (1.4.7) видна защитная роль изоляции. Поддерживая сопротивление изоляции на высоком уровне, можно в нормальном режиме работы сети снизить опасность поражения человека электрическим током и сделать однофазное прикосновение практически безопасным.

2. При равенстве емкостей и очень больших сопротивлениях изоляции относительно земли, что характерно для кабельных линий электропередачи, т.е. при CA=CB=CC=C и RА=RB=RC=?, ток, проходящий через человека, может быть определен из выражения

.                 (1.4.8)

Из анализа выражения (1.4.8) видно, что, чем больше емкость фаз относительно земли, т.е. меньше емкостное сопротивление Xc, тем опаснее прикосновение человека к токоведущей части сети. Для уменьшения опасности прикосновения необходимо уменьшать емкость фаз относительно земли путем уменьшения длины сетей или применения такой защитной меры как электрическое разделение сети, принципиальная схема которого показана на рис. 1.4.4.


Физический смысл данной защитной меры заключается в применении разделяющих трансформаторов с коэффициентом трансформации 1:1 для питания электроэнергией потребителей. При этом емкость сети не влияет на опасность поражения человека при однофазном прикосновении за разделяющим трансформатором, где исход поражения определяется сопротивлением изоляции фаз относительно земли Rиз, которое можно поддерживать на высоком уровне.



 

Рис 1.4.4. – Принципиальная схема электрического разделения сети с применением разделительного трансформатора

Таким образом, в трехфазных трехпроводных сетях, изолированных от земли, как и однофазных сетях, опасность для человека, прикоснувшегося к одному из фазных проводов в период нормальной работы сети, зависит в основном от сопротивления изоляции фаз относительно земли.

Трехфазные сети с изолированной нейтралью по условиям электробезопасности целесообразно применять только при сравнительно небольшой протяженности электрической сети, от которой зависит значение ее емкости, и при высоком сопротивлении изоляции фаз относительно земли.

Высокий уровень изоляции может быть достигнут путем непрерывного контроля состояния изоляции и своевременным и быстрым устранением ее повреждений. Поэтому сети с изолированной нейтралью получили распространение в качестве сетей питания с мало разветвленными токоведущими частями (например, при питании потребителей от передвижных источников электрической энергии), а также в качестве сетей небольшой протяженности, находящихся под постоянным надзором квалифицированного личного состава.

Наиболее уязвим с точки зрения электробезопасности при эксплуатации трехфазных сетей с изолированной нейтралью случай замыкания одной из фаз на землю через малое активное сопротивление при одновременном однофазном прикосновении человека к другому исправному проводу сети (рис. 1.4.5). Проводимости исправных фаз по сравнению с проводимостью аварийной фазы можно принять равными нулю.





Рис. 1.4.5 – Прикосновение человека к фазному проводу трехфазной сети с изолированной нейтралью при аварийном режиме работы

Тогда ток, протекающий через человека, может быть определен из выражения 

.

Если принять Rзм=0, тогда к человеку будет приложено линейное напряжение сети

.

Но так как в практике эксплуатации сопротивление замыкания фазы на землю равным нулю практически не бывает, то человек при прикосновении к исправному проводу сети может оказаться под напряжением



Это еще раз подтверждает вывод о необходимости поддержания сопротивления изоляции относительно земли на высоком уровне.

 

 

1.5 Опасность поражения электрическим током в электрических сетях системы заземления TN

 

Анализ опасности поражения в однофазной трехпроводной сети системы заземления TN-S (с заземленным выводом источника тока)

 

Трехпроводные сети получили наиболее широкое распространение напряжением 127, 220 и 380 В для питания сварочных трансформаторов, испытательных установок и других однофазных потребителей.

Для оценки опасности поражения человека электрическим током рассмотрим несколько случаев.

1. Прикосновение человека к фазному проводу, схема замещения показана на рис. 1.4.6. Ток, проходящий через человека, и напряжение прикосновения могут быть определены из выражений

 

,

,

где R0 – сопротивление заземления вторичной обмотки трансформатора TV и провода 2 Ом.



Рис. 1.4.6 – Прикосновение человека к фазному проводу однофазной двухпроводной сети системы заземления TN-S с заземленным выводом вторичной обмотки трансформатора

L – фазный проводник

N – нулевой рабочий проводник

PE – нулевой защитный проводник

А – электроприемник

Поскольку Rиз>R0, к человеку будет прикладываться почти полное напряжение сети Uпр?U.

Следовательно, в данном случае для уменьшения опасности поражения человека электрическим током большое значение приобретают сопротивления средств защиты Rсз, обуви Rоб и пола Rп, включенные последовательно с сопротивлением тела человека в цепи поражения.


В общем случае ток, протекающий через тело человека, может быть вычислен из выражения

.

2. Прикосновение человека к заземленному проводу сети, схема замещения показана на рис. 1.4.7. При этом возможны следующие два случая прикосновения человека к заземленному проводу сети:

а)



б)



Рис. 1.4.7 – Прикосновение человека к заземленному проводу однофазной двухпроводной  сети системы заземления TN-S

а) в период нормального режима работы сети

б) в период короткого замыкания у нагрузки

а) При прикосновении к заземленному проводу сети в нормальном режиме ее работы человек оказывается под воздействием напряжения прикосновения, равного падению напряжения на участке провода аб, т.е.

,

где Iн – ток нагрузки, протекающий в сети;

       Rаб – сопротивление провода на участке.

Согласно ПУЭ допустимое падение напряжения на каждом проводе сети не должно превышать 5% от номинального напряжения источника. Следовательно, максимальное значение напряжения прикосновения Uпр, соответствующее прикосновению человека к самой дальней от источника точке провода сети (точка 2), не будет превышать 5% от напряжения источника (Uпр<5%U). В данном случае нельзя говорить о том, что напряжение прикосновения будет безопасно для человека. Все будет зависеть от параметров электрической сети, цепи поражения и места приложения напряжения к человеку.

б) При прикосновении к заземленному проводу сети в аварийном режиме ее работы (коротком замыкании между проводами) напряжение источника распределится на сопротивлениях проводов до места замыкания. Если принять равными длины и сечения проводов, а следовательно,  и их сопротивления, то падение напряжения на каждом проводе составит половину напряжения источника (?U?0.5U). То есть, максимальное значение Uпр, соответствующее прикосновению человека к заземленному проводу в месте короткого замыкания, не будет превышать величины, равной половине напряжения источника (Uпр?0.5U).

Из рассмотренных случаев можно сделать выводы, что прикосновение человека к заземленному проводу при определенных условиях может быть опасно для человека, особенно в аварийном режиме работы.


Уменьшить опасность поражения человека электрическим током можно применяя средства зашиты или отключая сеть перед работой в ней.

Анализ опасности поражения в пятипроводной сети системы заземления TN-S (с глухозаземленной нейтралью)

 

Как было сказано выше, это электрическая сеть, наиболее распространенная в практике эксплуатации электроустановок напряжением до 1000 В. В таких сетях используется два напряжения Uф и Uл=
Uф 220/127; 380/220 и 380/660 В. По аналогии с однофазной сетью приведем анализ для двух случаев режимов работы сети.

1. Прикосновение человека к фазному проводу сети в период нормального режима ее работы (схема замещения показана на рис. 1.5.1).



Рис. 1.5.1 – Прикосновение человека к фазному проводу трехфазной пятипроводной сети системы заземления TN-S с глухозаземленной нейтралью при нормальном режиме ее работы

Сопротивление изоляции токоведущих частей (фаз) сети в нормальном режиме во много раз превышает сопротивление заземления нейтрали источника тока R0. Поэтому величина поражающего тока, проходящего через человека, будет в основном определяться значением R0 и может быть вычислена из выражения

.

Сопротивление заземлителя R0, к которому присоединены нейтрали генераторов или трансформаторов, или выводы источника однофазного тока, согласно ПУЭ в любое время года должно быть не более 2,4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380, 220 В источника трехфазного тока или 380, 220, 127 В источника однофазного тока (табл. 1.5.1)

 Таблица 1.5.1

Сопротивление рабочего заземляющего устройства (в Омах)

Напряжение

Вид источника тока

Линейное

Uл, В

Фазное

Uф, В

трехфазный

660

2

380

4

220

8

однофазный

380

2

220

4

127

8

Если принять Rч>>R0, то получим, что к человеку будет приложено напряжение, равное фазному Uпр?Uф.

Из всего вышеизложенного следует:



а) прикосновение человека к токоведущей части сети с глухозаземленной нейтралью очень опасно и практически не зависит от сопротивления изоляции фаз относительно земли;

б) опасность однофазного прикосновения в сети с глухозаземленной нейтралью во много раз превышает опасность однофазного прикосновения в сети с изолированной нейтралью;

в) исключить или уменьшить опасность поражения человека электрическим током можно, сняв напряжение с участка сети, являющегося объектом работы, или применив при работе электрозащитные средства. 

2. Прикосновение человека к фазному проводу сети в период аварийного режима ее работы (схема замещения показана на рис. 1.5.2).



Рис. 1.5.2 – Прикосновение человека к фазному проводу трехфазной пятипроводной сети системы заземления TN-S (с глухозаземленной нейтралью) при аварийном режиме работы

В общем случае напряжение прикосновения, под которым окажется человек, может быть определено из выражения

,

а ток, протекающий через человека

.

Если принять, что сопротивление замыкания Rзм провода на землю равно нулю, тогда

,

т.е. человек окажется под воздействием линейного напряжения сети.

Если принять, что сопротивление заземления нейтрали источника тока R0 равно нулю, то

 

,

т.е. к человеку будет приложено фазное напряжение сети.

В практических условиях сопротивления Rзм и R0 всегда больше нуля, поэтому напряжение прикосновения, под которым оказывается человек, прикоснувшийся в аварийный период работы сети к исправному проводу всегда больше фазного, но меньше линейного напряжения сети

Uф<Uпр<Uл.

Отсюда можно сделать следующие выводы:

а) опасность поражения человека в период аварийной работы сети больше, чем в нормальном режиме работы сети;

б) опасность поражения человека при однофазном прикосновении в сети с глухозаземленной нейтралью больше, чем при однофазном прикосновении в сети с изолированной нейтралью.



II Практическая часть занятия

2. 1 Условия проведения лабораторной работы

Экспериментальные исследования выполняются на лабораторном стенде, который позволяет моделировать трехфазные сети переменного тока напряжением до 1000В с различными режимами нейтрали и пара­метрами сети. В лаборатории имеются две модификации стенда, не­сколько отличающиеся внешним видом, конструктивным исполнением и соответственно возможностями и порядком проведения работы. Од­нако снятие основных зависимостей, прежде всего тока через человека при однофазном прикосновении в сетях с изолированной и заземлен­ной нейтралью в функции от сопротивления изоляции и емкости фаз относительно земли, выполняется идентичным образом.

Существующие в реальных сетях распределенные сопротивления изоляции и емкости проводов относительно земли заменены в стендах сосредоточенными и равными для отдельных фаз сопротивлениями (rA=rB=rC=rиз) и емкостями (CA=CB=CC=C). Однофазные прикос­новения на стендах изучаются для случая прикосновения человека к корпусу электроустановки, находящемуся под напряжением. В каждом стенде имеется мнемопанель, на которой высвечиваются соответствую­щие участки сети при включении различных измеряемых схем.

На рис. 2.1.1 представлен внешний вид стенда моделирующего уст­ройства СЭБ-1.




Содержание раздела