Общие сведения
Сети с изолированной или с компенсированной нейтралями применяются во многих ответственных электроустановках, в частности, на судах, в шахтах, карьерах, больницах, лабораториях и т.д., где недопустимо отключение питания даже при аварийной ситуации, например при замыкании фазы на землю. При нормальной работе сети прямое однофазное прикосновение человека к токоведущей части или непрямое (косвенное) прикосновение к токопроводящему корпусу приёмника электроэнергии, на который произошло замыкание фазы, менее опасно, чем подобные прикосновения в сети с глухозаземлённой нейтралью.
Общий вид таких сетей для анализа безопасности приведён на рис.1, а внешний вид лабораторного стенда показан на рис.2.
Рис.1. Электрическая схема сети для анализа безопасности с контурами возможных токов
В работе исследуются следующие физические величины: напряжение однофазного прикосновения Uh, сопротивление изоляции фаз (RA, RB, RC), ёмкость фаз относительно земли (CА, СВ, СС), сопротивление защитного заземления Rзаз.
Напряжение прикосновения может быть от близкого к нулю до фазного при неаварийном режиме: 0<Uh<Uф, и только при замыкании другой фазы на землю – от фазного до линейного: Uф<Uh<Uл.
Рис.2. Внешний вид стенда
Этот стенд имитирует трёхфазную сеть, работающую в режиме с изолированной или компенсированной нейтралью.
Переменные резисторы RA, RB, RC и конденсаторы СA, CB, CC имитируют сопротивления изоляции и емкости фаз сети относительно земли; их значения 2, 10, 50, 250, 500 кОм, ∞ и 0; 0,1; 0,3; 0,5; 1,0; 10 мкФ устанавливаются переключателями S8-S13. Выключателем S7 устанавливается режим замыкания фазы B на землю через сопротивление Rзам = 100 Ом. Однофазное прикосновение человека имитируется подключением резистора Rh = 1 кОм к фазе а сети или корпусу приемника электроэнергии (переключатель S4); выключателем S5 выполняется замыкание фазы а на корпус электроприемника. Последний может быть заземлен через сопротивление Rз, значения которого 0,1; 1 или 100 Ом устанавливается переключателем S6. С помощью вольтметра и переключателя S3 можно измерить напряжение смещения нейтрали U0, напряжения фаз сети относительно земли Uф-з и напряжения Uпр.
При большой ёмкости сети эквивалентные сопротивления фаз относительно земли равны между собой (сопротивление Rh не нарушает их симметрию), поэтому напряжение прикосновения равно фазному напряжению. Если ёмкость Cф невелика, то эквивалентные сопротивления становятся неравными (меньше у фазы A при прикосновении к ней человека); напряжение UА01 становиться меньше фазного, а напряжения UВ01, UС01 возрастают и становятся больше фазных. В случае замыкания фазы на землю при небольших Cф напряжение UВ01 близко к нулю, а UА01 и UС01 близки к Uл.
Защитное заземление – преднамеренное соединение токопроводящих частей электрооборудования с землёй. Напряжение прикосновения при этом снижается до безопасного значения вследствие перераспределения напряжений между фазами сети и землёй.
Согласно ГОСТ 12.1.030-84 сопротивление защитного заземления корпуса электрооборудования Rзаз в системе IT при напряжении до 1 кВ не должно превышать 4 Ом (если мощность генератора или трансформатора больше 100 кВ*А) либо 10 Ом (если мощность меньше 100 кВ*А).
Допустимое напряжение прикосновения Uhдоп=20 В. Допустимая сила тока прикосновения Ihдоп = 6 мА.
Обработка результатов
1)Анализ условий опасности прямого прикосновения к сети IT
Условия безопасности
рассматриваются в двух случаях – при
исправной изоляции фаз сети (когда
)
и при наличии в ней неисправностей типа
замыканий на землю.
Рис.3. Прямое прикосновение человека к сети IT
Напряжение прикосновения рассчитывалось по следующей формуле:
где
-
фазное напряжение источника электроэнергии;
- активные проводимости изоляции фаз;
,
.
2) Изучение принципа действия защитного заземления
Рис.6.Прикосновение человека к заземлённому корпусу
Напряжение прикосновения рассчитывалось по следующей формуле:
где
-
фазное напряжение источника электроэнергии;
- активные проводимости изоляции фаз;
,
.
3) Прикосновение к сети СТ
Рис.8.Случай полной компенсации
Табл.3. Прикосновение человека к сети СT
|
№ опыта |
Параметры сети |
Результаты измерений |
||||
|
Сф,мкФ |
Ra,кОм |
Rb,кОм |
Rc,кОм |
Uпр, В |
||
|
III. без индуктивности |
1 |
50 |
50 |
50 |
15 |
|
|
L1 L2 L3 |
1 |
50 |
50 |
50 |
2 0 0 |
|
Рассчитаем значение L при полной компенсации:
,
но в режиме полной компенсации
,
и, следовательно,
,
откуда:
Выводы:
1. Анализ условий опасности прямого прикосновения к сети IТ.
В ходе выполнения данного раздела было изучено влияние сопротивления изоляции фаз и фазной ёмкости сети с изолированной нейтралью на значение напряжения прикосновения (при прикосновении к одной из фаз). Было выяснен, что относительно безопасным для человека будет прикосновение к сети с малой фазной ёмкостью, и большим сопротивлением изоляции фаз. Но при аварийном режиме (повреждение изоляции одной из фаз) такая сеть представляет большую опасность для жизни и здоровья человека. Сопротивление изоляции зависит от внешних факторов среды, например, от влажности и температуры. Значит, необходимо следить за состоянием изоляции в IT сетях. Необходимо поддерживать низкую влажность воздуха вблизи изоляции и не допускать резких перепадов температур. Обеспечить двойную изоляцию токоведущих линий.
2. Изучение условий безопасности при непрямом прикосновении к сети IТ
В ходе выполнения данного раздела было изучено влияние сопротивления заземления корпуса в сети с изолированной нейтралью на напряжение прикосновения (при прикосновении к одной из фаз). Было выяснено, что напряжение прикосновения в этом случае снижается до безопасного значения вследствие перераспределения напряжений между фазами сети и землей: за счёт малого значения сопротивления защитного заземления эквивалентное сопротивление поврежденной фазы относительно земли существенно понижается, соответственно, уменьшается и напряжение между этой фазой и землей, а также увеличиваются до линейного напряжения на сопротивлениях изоляции остальных фаз. Значит, сопротивление заземления должно быть не большим. При заземлении корпуса нельзя допускать замыкания на него сразу двух фаз.
3. Анализ условий опасности прикосновения к сети СТ.
Компенсация емкостных токов подключением нейтрали к земле с помощью катушки с регулируемой индуктивностью L позволяет уменьшить ток Ih, протекающий через тело человека, в сетях с большой ёмкостью. Контур “катушка индуктивности — емкости фаз относительно земли” должен находиться в режиме резонанса токов. Таким образом, значение резонансной индуктивности зависит непосредственно от ёмкости фаз, которая при этом зависит от внешних факторов. Следовательно, необходимо контролировать значения индуктивности и емкости для правильной работы схемы.