Рис. 11.29. Схема защитного заземления |
L |
в сети с изолированной нейтралью: |
1 — токоприемник; 2 — заземлитель |
|
Ж
'/////////////ж/?//////////;//;//
тановке. Чтобы напряжение на заземленном корпусе оборудования было минимальным, ограничивают сопротивление заземления. В установках в сетях с изолированной нейтралью напряжением до 1 кВ оно, как правило, должно быть не более 4 Ом. Если мощность источника питания не превышает 100 кВА, сопротивление заземления может быть в пределах 10 Ом/
В качестве заземляющих устройств электроустановок в первую очередь должны быть использованы естественные заземлители. Возможно применение железобетонных фундаментов промышленных зданий и сооружений. При отсутствии естественных заземлителей допускается применение переносных заземлителей, например ввинчиваемых в землю стальных труб, стержней, уголков. После заглубления в землю они должны иметь концы длиной 100...200 мм над поверхностью земли, к которым привариваются соединительные проводники. Категорически запрещается использовать в качестве заземлителей трубопроводы с горючими жидкостями и газами.
Зануление состоит в преднамеренном соединении металлических нетоковедущих частей оборудования, которые могут оказаться под напряжением вследствие пробоя изоляции, с нулевым защитным проводником (рис. 11.30). При замыкании любой фазы на корпус образуется контур короткого замыкания, характеризуемый силой тока весьма большой величины, достаточной для «выбивания» предохранителей в фазных питающих проводах. Таким образом электроустановка обесточивается. Предусматривается повторное заземление нулевого проводника на случай обрыва нулевого провода на участке, близком к нейтрали. По этому заземлению ток стекает на землю, от-
* В сетях с глухозаземленной нейтралью, где защитное заземление менее эффективно ПУЭ, дополнительно задают величину сопротивления заземления нейтрали трансформатора или вывода источника однофазного тока отдельно для источников трехфазного и однофазного тока с учетом величины линейных сопротивлений. В первом случае это 660; 380 и 220 В, во втором — 380; 220 и 127 В. Соответственно указанное сопротивление должно составлять 2, 4 или 8 Ом.
|
Рис. 11.30. Схема зануления в трехфазной |
IE |
четырехпроводной сети с заземленной ней- |
тралью: |
1 — трансформатор; 2 — сеть; 3 — предохранитель; 4 — |
обмотка электродвигателя; 5 — корпус электродвигате- |
|
ля; 6— зануляющий проводник; 7—нулевой защит- |
|
ный проводник; 8 — сопротивление заземления ней- |
' 4 |
трали |
Чк
/77&7777777777777777777777777777W
куда попадает в заземление нейтрали, по нему во все фазные провода, включая имеющий пробитую изоляцию, далее на корпус. Таким образом образуется контур короткого замыкания.
Защитное отключение электроустановок обеспечивается путем введения устройства, автоматически отключающего оборудование — потребитель тока при возникновении опасности поражения током. Схемы отключающих автоматических устройств весьма разнообразны. Во всех случаях система срабатывает на превышение какого-либо параметра в электрических цепях технологического оборудования (силы тока, напряжения, сопротивления изоляции). На рис. 11.31 представлена схема защитного отключения с использованием реле максимального тока.
Повышение электробезопасности достигается также путем применения изолирующих, ограждающих, предохранительных и сигнализирующих средств защиты.
Изолирующие электрозащитные средства делятся на основные и дополнительные. Основные изолирующие электрозащитные средства способны длительное время выдерживать рабочее напряжение электроустановки, и поэтому ими разрешается касаться токоведущих частей, находящихся под напряжением, и работать на этих частях. К таким средствам относятся: в электроустановках напряжением до 1000 В — диэлектрические резиновые перчатки, инструмент с изолирующими рукоятками и указатели напряжения до 1000 В (ранее назывались токоискателями); в электроустановках напряжением выше 1000 В — изолирующие штанги, изолирующие и электроизмерительные клещи, а также указатели напряжения выше 1000 В.
Дополнительные изолирующие электрозащитные средства обладают недостаточной электрической прочностью и поэтому не могут самостоятельно защищать человека от поражения током. Их назначение — усилить защитное действие основных изолирующих средств, вместе с которыми они должны применяться. К дополнительным изолирующим средствам относятся: в электроустановках напряже-
Рис. 11.31. Принципиальная схема устройства защитного отключения:
/ — реле максимального тока; 2 — трансформатор тока; 3 — проводник; 4 — заземлитель; 5 — электродвигатель; 6 — пускатель; 7— блок-контакты; 8 — сердечник; 9— катушка пускателя; 10, 12, 13— кнопки, // — вспомогательное сопротивление
нием до 1000 В — диэлектрические галоши, коврики и изолирующие подставки; в электроустановках напряжением выше 1000 В — диэлектрические перчатки, боты, коврики, изолирующие подставки.
Ограждающие средства защиты предназначены для временного ограждения токоведущих частей (временные переносные ограждения, щиты, ограждения-клетки, изолирующие накладки, изолирующие колпаки).
Сигнализирующие средства включают запрещающие и предупреждающие знаки безопасности, а также плакаты: запрещающие, предостерегающие, разрешающие, напоминающие. Чаще всего используется предупреждающий знак «Проход запрещен».
Предохранительные средства защиты предназначены для индивидуальной защиты работающего от световых, тепловых и механических воздействий. К ним относят: защитные очки, противогазы, специальные рукавицы и т. п.
11.3.ЗАЩИТА ОТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
11.3.1.Обобщенное защитное устройство и методы защиты
При решении задач защиты выделяют источник, приемник энергии и защитное устройство, которое уменьшает до допустимых уровней поток энергии к приемнику [2].
|
|
ЗУ |
В общем случае защитное устройство (ЗУ) |
|
|
|
|
обладает способностями: отражать, погло- |
|
Ww+- , |
|
|
щать, быть прозрачным по отношению к по- |
|
|
|
току энергии. Пусть из общего потока энергии |
|
|
|
|
поступающего к ЗУ (рис. 11.32), часть Wa |
|
|
|
|
|
|
|
|
поглощается, часть W~ отражается и часть |
|
Рис. 11.32. Энергетиче- |
|
проходит сквозь ЗУ. Тогда ЗУ можно оха- |
|
скии баланс защитного |
|
|
|
устройства |
растеризовать следующими энергетически- |
|
|
|
|
ми коэффициентами: коэффициентом погло- |
|
|
|
|
щения а = WJW*, коэффициентом отражения |
|
р = W~/Wкоэффициентом передачи т = W~/W+. Очевидно, что вы- |
|
полняется равенство |
р + а + т = 1. Сумма а + т = 1 — p = v (где |
v = Wv/ W*) характеризует неотраженный поток энергии WV9 прошедший в ЗУ. Если а = 1, то ЗУ поглощает всю энергию, поступающую от источника, при р = 1 ЗУ обладает 100 %-й отражающей способностью, а равенство т = 1 означает абсолютную прозрачность ЗУ: энергия проходит через устройство без потерь.
В соответствии с изложенным можно выделить следующие принципы защиты:
1) принцип, при котором р -> 1; защита осуществляется за счет отражательной способности ЗУ;
2)принцип, при котором а —> 1; защита осуществляется за счет поглощательной способности ЗУ;
3)принцип, при котором т -> 1; защита осуществляется с учетом свойств прозрачности ЗУ.
На практике принципы обычно комбинируют, получая различные методы защиты. Наибольшее распространение получили методы защиты изоляцией и поглощением.
Методы изоляции используют тогда, когда источник и приемник энергии, являющийся одновременно объектом защиты, располагаются с разных сторон от ЗУ. В основе этих методов лежит уменьшение прозрачности среды между источником и приемником, т. е. выполнение условия т -> 0. При этом можно выделить два основных метода изоляции: метод, при котором уменьшение прозрачности среды достигается за счет поглощения энергии ЗУ, т. е. условие т -> 0 обеспечивается условием а -> 1 (рис. 11.33, а), и метод, при котором уменьшение прозрачности среды достигается за счет высокой отражательной способности ЗУ, т. е. условие т -> 0 обеспечивается условием
р- >1 (см. рис. 11.33, б).
|
|
|
т— |
|
|
|
|
|
т—>0 |
И |
|
| ЗУ |
|
П |
|
И |
|
|
ЗУ |
|
п |
|
§а~* 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р |
— . |
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
о |
|
|
Рис. 11.33. Методы изоляции при расположении источника и приемника с разных сторон от ЗУ:
а — энергия поглощается; б — энергия отражается
т — > 1
Рис. 11.34. Методы поглощения при расположении источника и приемника с одной стороны от ЗУ:
а— энергия отбирается; б — энергия пропускается
Воснове методов поглощения лежит принцип увеличения потока энергии, прошедшего в ЗУ, т. е. достижение условия v -> 1. Принципиально можно различать как бы два вида поглощения энергии ЗУ: поглощение энергии самим ЗУ за счет ее отбора от источника в той или иной форме, в том числе в виде необратимых потерь (характеризуется коэффициентом ос, рис. 11.34, а), и поглощение энергии в связи с большой прозрачностью ЗУ (характеризуется коэффициентом т,
см. рис. 11.34, б). Так как при v -> 1 коэффициент р 0, то методы поглощения используют для уменьшения отраженного потока энергии; при этом источник и приемник энергии обычно находятся с одной стороны от ЗУ.
При рассмотрении колебаний наряду с коэффициентом ос часто используют коэффициент потерь г|, который характеризует количест-
во энергии, рассеянной ЗУ: |
|
г| = Ws/(os = ss/2m, |
(11.38) |
где Ws и zs — средние за период колебаний Т соответственно мощность потерь и рассеянная за то же время энергия; ю — круговая частота, со = 2тт/Г; г — энергия, запасенная системой.
В большинстве случаев качественная оценка степени реализации целей защиты может осуществляться двумя способами:
1) определяют коэффициент защиты kw в виде отношения:
j |
_ поток энергии в данной |
точке при отсутствии ЗУ . |
Кц/ |
— |
|
|
|
|
|
|
; |
|
|
поток энергии в данной точке при наличии ЗУ |
2) определяют |
коэффициент защиты в виде отношения: |
|
|
j _ |
|
поток энергии |
на |
входе в ЗУ |
|
|
Кц/ |
— |
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
поток энергии |
на |
выходе из ЗУ |
Эффективность защиты (дБ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
е= lOlgfc*. |
(11.39) |
11.3.2. Защита от вибрации
Линейные вибросистемы состоят из элементов массы, упругости и демпфирования. В общем случае в системе действуют силы инерции, трения, упругости и вынуждающие.
Сила энерции, как известно, равна произведению массы Мна ее ускорение
d t
где v — виброскорость.
Сила /^направлена в сторону, противоположную ускорению. Упругий элемент принято изображать в виде пружины, не имею-
щей массы (рис. 11.35, а). Чтобы переместить конец пружины из точки с координатой х0 (ненапряженное соотношение) в точку с координатой хи к пружине необходимо приложить силу; при этом сила действия упругого элемента, или восстанавливающая сила, будет направлена в противоположную сторону и равна
где G — коэффициент жесткости, Н/м; х = х{— х0 — смещение конца пружины, м.
При вибрации упругих систем происходит рассеяние энергии в окружающую среду, а также в материале упругих элементов и в узлах сочленения деталей конструкции. Эти потери вызываются силами трения — диссипативными силами, на преодоление которых непрерывно и необратимо расходуется энергия источника вибрации.
рис. 11.35. Схематическое изображение элементов упругости
(а) и демпфирования (б)
Если рассеяние энергии происходит в элементе демпфирования (см. рис. 11.35, б), т. е. в вязкой среде (среде с вязким сопротивлением), то диссипативная сила Fs пропорциональна виброскорости и носит название демпфирующей:
Сила Fs всегда направлена против скорости, коэффициент S{Н с/м) называют импедансом, или сопротивлением элемента демпфирования.
Основные характеристики виброзащитных систем. К основным ха-
рактеристикам виброзащитных систем отнесены собственная частота системы, механический импеданс и коэффициенты, определяющие процессы затухания вибраций и рассеяния энергии*.
По аналогии с формулой (11.42) можно ввести общее понятие механического импеданса материальной точки при гармонической вибрации
z = F/y или \z\=\F/%
где комплексное число z в полярной форме можно записать в виде
Найдем импеданс элементов массы и упругости. При заданной виброскорости v смещение х и ускорение а материальной точки находят интегрированием и дифференцированием:
\ = \те,ш; x = v / (усо); а= /иv. |
(11.43) |
* Ниже рассматриваются только гармонические движения. Их удобно изучать с помощью вращающихся комплексных векторов. Вращающийся вектор будем обозначать волнистой линией над буквой, постоянный вектор — точкой: и =йтеш =
= иЯ|е/(®'+ ф и) ;йт = е/ф w. Здесь постоянный вектор йт называется комплексной амплитудой, объединяющей действительное значение амплитуды ит и начальный фазовый угол Ф«; со = 2я/, где / — частота, Гц; / — время; j — V-1.
„ Fa
Fs
Рис. 11.36. Схема вибросистемы с одной степенью свободы
Подставив ускорение а в формулу (11.40), определяют импеданс элемента массы, или просто импеданс массы zM\
rdv |
(11.44) |
FM=M—- = j<*M = zM v. |
at |
|
Таким образом, импеданс массы zM |
является |
мнимой положительной величиной, пропорциональной частоте. Он достигает больших значений в диапазоне высоких частот. В диапазоне низких частот им можно пренебречь.
Подставив смещение х в формулу (11.41), находят
импеданс элемента упругости zG'
F0 - Gx =>— v = zG v . |
(11.45) |
|
Таким образом, импеданс элемента упругости zG = -j— является чисто мнимой со
отрицательной величиной, обратно пропорциональной частоте; в области высоких частот им можно пренебречь.
Импеданс элемента демпфирования является действительной величиной
ZS = S\ FS = ISY.
В общем случае вибросистему с одной степенью свободы можно изобразить в виде элемента массы, не обладающего деформацией, и элементов упругости и демфирования, не имеющих массы (рис. 11.36). Точка О обозначает положение статического равновесия, от которого отсчитывается смещение jc тела массой М под действием гармонической вынуждающей силы FR К телу также приложены сила инерции FM, восстанавливающая сила FG и диссипативная демпфирующая сила FS. В соответствии с принципом Д'Аламбера
Свободная вибрация (FT = 0) в отсутствие сил трения (FS = 0) с течением времени не затухает. Виброскорость в этом случае определяется выражением (11.43), в котором амплитуда vm = const. Условие FM + FG = 0C учетом выражений (11.44) и (11.45) позволяет определить собственную частоту вибросистемы:
со 0=jG/M.
Собственную частоту системы с одной степенью свободы (см. рис. 11.35, а) на
практике определяют по прогибу А, исходя из равенства сил FG = FM в статике: |
со0 |
М = yjg/А , |
где g — ускорение свободного падения. |
|
При наличии сил трения (FS ф 0) свободная вибрация (FT |
= 0) затухает. Амплитуда |
виброскорости с течением времени убывает. Чтобы учесть это, вводят комплексную уг- |
ловую частоту со, = со0. +у8, где 8 — коэффициент демпфирования. Поставив в выраже- |
ние (11.43) частоту со. вместо со, получим |
|
v = у ш е - фv ) = у т (8)e/(<Bo*'+(Pv), |
(11.47) |
где vm(8) = vme 5t — амплитуда виброскорости с учетом затухания.
Из уравнения FM+ FG + Fs= (j й>,М—jG/<Ь„ + S)\ = 0 находят неизвестные величины 8 и оа0..
5 = S/2M,
где 5кр = 2 4GM — критический импеданс элемента демпфирования.
Таким образом, коэффициент демпфирования равен половине импеданса элемента демпфирования, приходящегося на единицу массы, и свободная вибрация с затуханием осуществляется с частотой ю0„ зависящей от отношения импедансов S/SKp, которое характеризует силы трения в системе. При отсутствии диссипативных сил (S/SKp = .0) частота оэ0. = оэ0; если же диссипативные силы имеют критическое значение, т. е. если S/SKp = 1, то частота оэ0. = 0.
Вынужденная вибрация (F{ * 0) происходит с частотой ю вынуж-
дающей силы. Из уравнения (11.46) определяют механический импе-
данс вибросистемы:
z= S + j(oM-jG/(o. |
(11.48) |
Таким образом, импеданс вибросистемы складывается из импедансов элемента демпфирования, массы и упругости. Он имеет активную и реактивную составляющие. Его модуль и фазовый угол равны:
z Н % = <SJ$2+(c*M-G/G))2, |
(11.49) |
<pz = arctg[(o)M— G/co)/S\.
Как следует из соотношения (11.49), импеданс вибросистемы имеет минимальное значение на частоте ю = со0, при которой слагаемое в круглых скобках обращается в нуль, т. е. в резонансной области импеданс вибросистемы определяется импедансом элемента демпфирования (z = S). Вне резонансной области импедансом S можно пренебречь. Тогда из выражения (11.48) следует, что в диапазоне высоких частот движение определяется вибрирующей массой (z « jcoM), а в диапазоне низких частот — жесткостью системы (z ® — y'G/©).
Защитное устройство — упругодемпфирующий элемент. В боль-
шинстве случаев расчет сложных защитных устройств сводится к расчету простого защитного устройства, состоящего из элемента упругости и элемента демпфирования, соединенных параллельно. Реакция
< F(x,v)
сf У/
Рис. 11.37. Рассеяние энергии — гистерезисная петля
защитного устройства складывается из реакций упругого и демпфирующих элементов FR = FG + FS•
Импеданс защитного устройства
Zr = ZS+ ZG= (S-jG/co). (11.50)
Если провести циклическое деформирование упругодиссипативного элемента по закону х = xwcosoo^ то обнаруживается различие линий нагрузки и разгрузки (рис. 11.37) на диаграмме сила — смещение: точка, изображающая напряженное и деформированное состояние, описывает замкнутую кривую —
петлю гистерезиса. Площадь, ограниченная петлей гистерезиса, выражает энергию еЛ рассеянную за один цикл демпфирования и равную работе диссипативных сил:
т
£s = §FR(x, v)dx = Ji^ (v)vdf = nx2m(o3.
В начале и конце цикла деформирования смещения максимальны, виброскорость равна нулю и вся энергия, запасенная системой, равна потенциальной:
£(}= $^с?(.х)ск = Gx/2 = scos2(ot; г = Gxm/2.
По формуле (11.38) находят коэффициент потерь и преобразуют его с учетом выражения для критического импеданса:
(О$ |
1 S |
СО |
Г| = - |
2 |
<*>о |
~G |
Тогда выражение (11.50) можно записать в виде
Виброизоляция. Между источником вибрации и ее приемником, являющимся одновременно объектом защиты, устанавливают упругодемпфирующее устройство — виброизолятор — с малым коэффициентом передачи (рис. 11.38, а). Схематично система «источник вибраций — защитное устройство — приемник» показана на рис. 11.38, б. При возбуждении системы защитное устройство, расположенное между источником и приемником, воздействует на них с реакциями FR И Fr. Ниже будут рассматриваться только безынерционные устройства, у которых реакции FR и Fr равны.
390
