Лабораторная. Лабораторная работа №2 Элб. Лабораторная работа Исследование влияния режима нейтрали на условия электробезопасности

• Название: Лабораторная работа Исследование влияния режима нейтрали на условия электробезопасности
• Анкор: Лабораторная
• Дата: 08.11.2022
• Размер: 2.35 Mb.
• Имя файла: Лабораторная работа №2 Элб.docx
• Тип: Лабораторная работа; #776240

Лабораторная работа № 2. Исследование влияния режима нейтрали

на условия электробезопасности
Цель работы: изучить основные режимы нейтрали и параметры электрической сети, влияющие на условия электробезопасности.
Оборудование: модуль «Трехфазный источник питания», модуль «Трехфазный трансформатор», модуль «Модель человека», модуль «Модель участка электрической сети», модуль «Мультиметр», модуль «Блок мультиметров», соединительные проводники.

Теоретическая часть
Трехфазная четырехпроводная сеть с нейтралью, заземленной через активное и индуктивное сопротивления.

Рассмотрим случай прикосновения человека к фазному проводу трехфазной четырехпроводной сети с нейтралью, заземленной через активное и индуктивное сопротивления и , (рис. 2.1), сопротивления изоляции проводов r, емкости проводов С неравны между собой:







Рис. 2.1. Прикосновение человека к фазному проводу трехфазной четырехпроводной сети с нейтралью, заземленной через активное и индуктивное сопротивления: а – схема сети; б – эквивалентная схема; 1, 2, 3 – номера фазных проводов; N – нулевой провод

Это общий и в то же время наиболее сложный случай, однако выводы, полученные при его рассмотрении, могут быть распространены путем простейших преобразований на другие трехфазные сети.

На рис. 2.1 показаны рассматриваемая сеть и ее эквивалентная схема в момент прикосновения человека к фазному проводу.

Полные проводимости изоляции фазных и нулевого проводов относительно земли И заземления нейтрали в комплексной форме равны:

;

;

;

;

,
где – угловая частота, ; – частота тока, Гц; – емкостное сопротивление провода относительно земли, Ом; L – индуктивность цепи заземления нейтрали, Гн; – индуктивное сопротивление заземления нейтрали, Ом; - сопротивление тела человека, Ом.

Полная проводимость тела человека:
,
При прикосновении человека к одной из фаз, например фазе 1 (рис. 2.1), напряжение прикосновения определится выражением:
, (2.1)
а ток, проходящий через тело человека, А, будет равен
,
Где – комплексное напряжение фазы 1 (фазное напряжение), В; - комплексное напряжение между нейтралью источника тока и землей (т. е. между точками 00’ на эквивалентной схеме).

После математических преобразований вышеуказанных выражений получим в комплексной форме уравнение напряжения, приложенного к телу человека, прикоснувшегося к фазе 1 трехфазной четырехпроводной сети с нейтралью, заземленной через активное и индуктивное сопротивления:

(2.2)

Ток, проходящий через человека, получим, если умножим это выражение на :

(2.3)

Пользуясь уравнениями (2.2) и (2.3), определим и при прикосновении человека к фазе наиболее распространенных трехфазных сетей: четырехпроводной с нейтралью, заземленной через малое активное сопротивление, т. е. с глухозаземленной нейтралью и трехпроводной с изолированной нейтралью.

Трехфазная четырехпроводная сеть с глухозаземленной нейтралью

Выражения для и в случае прикосновения человека к фазе этой сети аналогичны (2.2) и (2.3); полная проводимость заземления нейтрали имеет иное значение:

.

(2.4)

При нормальном режиме работы сети проводимости фазных и нулевого проводов относительно земли по сравнению с имеют малые значения и с некоторым допущением могут быть приравнены к нулю, т. е.
.
В этом случае (2.2) и (2.3) значительно упростятся. Так, напряжение прикосновения, в действительной форме будет

или

(2.5)

а ток через человека, А,

(2.6)

Согласно требованиям «Правил устройства электроустановок» (ПУЭ) наибольшее значение составляет 60 Ом; сопротивление же тела человека не опускается ниже нескольких сотен Ом. Следовательно, без большой ошибки в (2.5) и (2.6) можно пренебречь значением и считать, что при прикосновении к одной из фаз трехфазной четырехпроводной сети с глухо-заземленной нейтралью человек оказывается практически под фазным напряжением , а ток, проходящий через него, равен частному от деления на .
Из (2.6) вытекает еще один вывод: ток, проходящий через человека, при коснувшегося к фазе трехфазной сети с глухозаземленной нейтралью в период нормальной ее работы, практически не изменяется с изменением сопротивления изоляции и емкости проводов относительно земли, если сохраняется условие, что полные проводимости проводов относительно земли весьма МАЛЫ по сравнению с проводимостью заземления нейтрали.

Этот вывод иллюстрируется кривыми 1 и 2 на рис. 2.2.

При аварийном режиме, когда одна из фаз сети, например фаза 1 (рис. 2.3, а), замкнута на землю через относительно малое активное сопротивление , (2.2) имеет следующий вид:

Здесь мы также приняли, что малы по сравнению с , a – по сравнению с и , то есть приравнены нулю.

Рис. 2.2. Изменение тока , проходящего через человека, при прикосновении к фазному проводу трехфазной четырехпроводной сети с заземленной нейтралью 380/220 В и трехпроводной с изолированной нейтралью 380 В в период нормальной их работы: а – в зависимости от изменения сопротивления изоляции проводов относительно земли при условии, что и ; б – в зависимости от изменения емкости проводов относительно земли при условии, что и ; 1 и 2 – четырехпроводная сеть с заземленной нейтралью; 3 и 4 – трехпроводная сеть с изолированной нейтралью
Выполнив соответствующие преобразования и учтя, что , , , получим напряжение прикосновения в действительной форме:


Рис. 2.3. Прикосновение человека к фазному проводу трехфазной четырехпроводной сети с заземленной нейтралью при аварийном режиме: а – схема сети; б – векторная диаграмма напряжений
В целях упрощения этого выражения допустим, что

В результате получим:

(2.7)

Ток через человека, А,

(2.8)

Рассмотрим два характерных случая.

Если принять, что сопротивление замыкания провода на землю равно нулю, то (2.7) примет вид:


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

2. Если принять равным нулю сопротивление заземления нейтрали , то

т. е. напряжение, под которым окажется человек, будет равно фазному напряжению.

Однако в практических условиях сопротивления всегда больше нуля, поэтому напряжение, под которым оказывается человек, прикоснувшийся в аварийный период к исправному фазному проводу трехфазной сети с глухозаземленной нейтралью, всегда меньше линейного, но больше фазного:

(2.9)

Это положение иллюстрируется векторной диаграммой, приведенной на рис. 2.3, б и соответствующей рассматриваемому случаю.

Этот вывод вытекает также из (2.7). Так, при небольших значениях по сравнению с первым слагаемым в знаменателе можно пренебречь. Тогда дробь при любых соотношениях будет всегда больше 1, но меньше , т. е. получим выражение (2.9).

Таким образом, прикосновение человека к исправному фазному проводу сети с глухозаземленной нейтралью в аварийный период более опасно, чем при нормальном режиме.
Трехфазная трехпроводная сеть с изолированной нейтралью
При нормальном режиме работы рассматриваемой сети напряжение и ток в момент касания человека к одной фазе, например фазе 3 (рис. 2.4), определяются уравнениями (2.2) и (2.3), в которых надо принять

Так, согласно (2.3) выражение для тока, А, в комплексной форме будет

(2.10)

Пользуясь этим выражением, оценим опасность прикосновения к фазному проводу для следующих трех случаев.

1. При равенстве сопротивлений изоляции и емкостей проводов относительно земли, то есть при ; , а, следовательно, при
Ток, через человека в комплексной форме



Рис. 2.4. Прикосновение человека к проводу трехфазной трехпроводной

сети с изолированной нейтралью при нормальном режиме работы
если иметь в виду, что ( ) = 0. Или

(2.11)

где — комплекс полного сопротивления провода относительно земли, Ом

В действительной форме этот ток, А, равен

(2.12)

2. При равенстве сопротивлений изоляции и отсутствии емкостей, т.е. при ; , и, следовательно, при и , что может иметь место в коротких воздушных сетях, ток, проходящий через человека, А, согласно (2.10) будет в действительной форме

(2.13)

Это выражение можно получить также из (2.11), в котором надо заменить на R, или из (2.12), приравняв в нем емкость С нулю.

3. При равенстве емкостей и весьма больших сопротивлениях изоляции, т. е. при ; и, следовательно, при

и , что может иметь место в кабельных сетях, ток, А, через человека в комплексной форме согласно (2.10) будет

где – емкостное сопротивление, Ом.

Это выражение может быть получено также из (2.11), в котором надо заменить на .

В действительной форме ток, А,

(2.14)

Это выражение можно получить также из (2.12). Для этого надо открыть скобки у дробного выражения под корнем, а затем разделить числитель и знаменатель этой дроби на .

При аварийном режиме работы сети (рис. 2.5), когда возникло замыкание фазы (например, фазы 3) на землю через малое активное сопротивление , проводимости двух других фаз можно принять равными нулю. Тогда, подставив в (2.10) , получим ток, протекающий через человека, А,

Произведя соответствующие преобразования и имея в виду, что и , получим выражение для тока в действительной форме,

(2.15)

Напряжение прикосновения. В,

(2.16)

Рис. 2.5. Прикосновение человека к проводу трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью при аварийном режиме: а – схема сети; б – векторная диаграмма напряжений (при условии, что )
Если принять, что , или по крайней мере считать, что , (так обычно бывает на практике), то согласно (2.16) получим

то есть человек окажется под линейным напряжением сети.

В действительных условиях всегда больше 0, поэтому напряжение, под которым окажется человек, прикоснувшийся в аварийный период к исправной фазе трехфазной сети с изолированной нейтралью, будет значительно больше фазного и несколько меньше линейного напряжения сети.
Таблица 1 -Зависимость тока проходящего через тело человека при прямом прикосновении к проводу от активного сопротивления изоляции, при разных режимах работы нейтрали

RAE=RBE=RCE=RPEN, кОм	∞	1	2.5	10	25	100
1.Изолированная нейтраль, Ih mA
2.Заземленная нейтраль, Ih mA

Таблица 2 -Зависимость тока проходящего через тело человека при прямом прикосновении к проводу от емкости проводов, при разных режимах работы нейтрали

CAE=CBE=CCE=CPEN, мкФ	0	0.1	0.25	0,5	1	2,5
1.Изолированная нейтраль, Ih mA
2.Заземленная нейтраль, Ih mA

Таблица 2 -Зависимость тока проходящего через тело человека при прямом прикосновении к проводу от активного сопротивления в цепи тела человека, при разных режимах работы нейтрали, при нормальном режиме работы

Сопротивление в цепи тела человека, кОм		1	25	50	75	100
1.Изолированная нейтраль,	Ih mA
	Uh В
2.Заземленная нейтраль, Ih mA	Ih mA
	Uh В

Таблица 2 -Зависимость тока проходящего через тело человека при прямом прикосновении к проводу от R_зм, при разных режимах работы нейтрали, при аварийном режиме работы

Rзм ,Ом		10	100	1000
1.Изолированная нейтраль,	Ih mA
	Uh В
2.Заземленная нейтраль, Ih mA	Ih mA
	Uh В

Контрольные вопросы
1. Приведите основные режимы нейтрали в электрических сетях.

2. При каком режиме нейтрали условия электробезопасности выше?

3. Как влияет замыкание фаз на землю на условия электробезопасности в электрической сети с глухозаземленной нейтралью?

4. Как влияет замыкание фаз на землю на условия электробезопасности в электрической сети с изолированной нейтралью?
5. Какая наименее опасная трехфазная сеть в нормальном режиме работы при высоком уровне изоляции всех фаз и почему (пояснить, используя схемы и формулы)?

6. Какая наиболее опасная трехфазная электрическая сеть в аварийном ре-жиме работы и почему (пояснить, используя схемы и формулы)?

7. Что понимается под ОПЧ, прямым прикосновением, глухозаземленной и изолированной нейтралью (пояснить, используя схемы)?

8. Как подразделяются электрические сети в России по напряжению, ре-жиму нейтрали трансформатора (привести российскую и международную классификацию), режиму работы?

9. От чего зависит опасность поражения человека электротоком в сетях с изолированной нейтралью в нормальном и аварийном режимах работы (пояс-нить с помощью схем и формул)?

10. От чего зависит опасность поражения электротоком в сетях с глухоза-земленной нейтралью в нормальном и аварийном режимах работы (пояснить с помощью схем и формул)?

11. Какие ограничения и почему накладываются на область применения се-тей с изолированной нейтралью напряжением до 1 кВ?

12. Какие преимущества с технологической точки зрения имеют сети с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1 кВ перед сетями с изолированной нейтралью?

13. Какие составляющие имеет сопротивление изоляции фаз относительно земли Zиз. и чем они физически обусловлены?