Лабораторная работа 2 - ГФ. Лабораторная работа 2 исследование условий электробезопасности в сетях с заземлённой нейтралью цели работы
 Скачать 3.44 Mb.
|
|
Лабораторная работа № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ В СЕТЯХ С ЗАЗЕМЛЁННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ Цели работы: Исследование режимов однофазного прикосновения человека; изучение принципа работы зануления; ознакомление с опасностями непрямого прикосновения при использовании защитного заземления и зануления. 1. Общая информация 1.1 Откуда берётся электричество в квартире? Электричество генерируется на электростанциях, где другие виды энергии преобразуются в электрическую. Существуют установки, позволяющие менять значение напряжения – трансформаторы. Именно с их помощью напряжение увеличивают до высоких значений и по линиям электропередач передают в города. В городе, проходя через несколько понижающих трансформаторов, напряжение доходит до жилых домов и общественных зданий в привычном нам значении – 220 Вольт. Сами передающие сети могут быть разными. Как правило, выгоднее передавать электроэнергию по трём фазным проводам. Однако для питания прибора в квартире нужен ещё и нулевой провод. Наиболее эффективным решением будет протянуть ещё один провод параллельно с фазными – нейтральный. Он в нормальном режиме работы сети не будет находиться под напряжением, если его заземлить ещё в трансформаторе. Если же в аварийной ситуации напряжение на нём появится – это будет называться смещением нейтрали. 1.2 Что такое сеть с глухозаземлённой нейтралью? Итак, перед вами стенд со схемой, изображающей линию электропередач (см. рис. 1). Трансформатор изображён в виде прямоугольника в левом верхнем углу схемы. От него отходят три фазных провода (фаза А, фаза В и фаза С) и нейтраль (самый нижний провод). От трансформатора вниз отходит провод, соединённый с землёй, называющийся рабочим заземлением нейтрали. «Рабочее» означает то, что это заземление сделано для эксплуатации системы, а не для защиты от аварийных ситуаций.  Рис. 1 – Стенд лабораторной работы №2 Не трудно теперь догадаться, почему сеть называется трёхфазной с глухозаземлённой нейтралью. Такие сети чаще всего используются для питания домов. В этой сети различают фазное и линейное напряжение: Фазное напряжение – это напряжение между фазным и нейтральным проводом. Оно составляет 220 В. Линейное напряжение – это напряжение между двумя фазами. Оно больше фазного и составляет 380 В, значит, прикосновение к двум фазам опаснее, чем к одной. 1.3 В чём опасность таких сетей? Пользователь получает удар током от электрооборудования. Это довольно широкое понятие, включающее не только приборы, потребляющие электроэнергию, но и передающие или преобразующие её. То есть и провода, в некотором роде, можно назвать электрооборудованием. Так вот, выделяют токоведущие и токопроводящие части электрооборудования. В чём разница? Токоведущие части – это части электрооборудования, по которым ток должен проходить в нормальном режиме её работы. Как правила, эти части изолированы от пользователя. Например, медная проволока в проводе – это токоведущая часть, по ней течёт электрический ток. Изоляция провода позволяет избежать удара током от прикосновения к проволоке. Токопроводящие части - это части электрооборудования, которые могут оказаться под напряжением в аварийной ситуации. Например, металлический корпус электрочайника или хромированная поверхность щипцов для укладки волос. В нормальном режиме они под напряжением не находятся, но в случае короткого замыкания станут опасны. Если человек получил удар током от прикосновения к токоведущей части, это называется прямое прикосновение. Если человек получил удар током от прикосновения к токопроводящей части, это называется непрямое (или косвенное) прикосновение. Взгляните на изображение человека на нашем стенде (см. рис. 2).  Рис. 2 – Виды прикосновения человека Мы можем смоделировать как прямое прикосновение (цифра 1 – прикосновение к проводу), так и косвенное (цифра 2 – прикосновение к корпусу прибора). Напряжение, которое будет воздействовать на человека при прямом и непрямом прикосновении, называется напряжением прикосновения. Чем оно выше, тем опаснее ситуация для человека. Ток при прикосновении пройдёт через человека в землю и вернётся в сеть через рабочее заземление (см. рис. 3). Взгляните на стенд, на нём нарисована фигура человека. Мысленно представьте себе путь тока через человека в землю, затем налево к рабочему заземлению и обратно в трансформатор (красная линия). Это будет опасная цепь замыкания, в которую подключился пострадавший. Часть тока будет возвращаться в сеть по воздуху, проходя через изоляцию фазных проводов (жёлтые линии), но этот ток будет крайне низких значений. Именно поэтому сопротивление изоляции фаз не играет большой роли в том напряжении, которое получит человек.                Рис. 3 – Схема прохождения электрического тока 1.4 От чего зависит степень поражения человека? Определить, насколько подключение человека в цепь будет для него опасным, можно лишь рассчитав примерную величину силы тока, которая будет через него проходить. Сделать это можно вспомнив закон Ома:  ,где I – сила тока в цепи, U – напряжение источника, R – сопротивление в цепи. Мы знаем, что напряжение в данном случае составляет 220 Вольт, значит сила тока через тело человека будет зависеть от общего сопротивления всей цепи R, чем оно больше – тем меньше сила тока, воздействующего на человека. Это общее сопротивление будет состоять из сопротивлений элементов, через которые ток будет проходить – сопротивление человека Rh и его обуви или средств защиты, сопротивление пола Rпол, и сопротивление рабочего заземления Ro (вспомните путь тока в этой цепи – красная линия на рис. 3). Сопротивление человека в сетях с таким напряжением обычно принимается равным 1000 Ом. Сопротивление рабочего заземления Rо не может быть больше 4-10 Ом. Это значит, что степень поражения человека в основном будет зависеть: 1. От величины сопротивления пола (например, керамическая плитка имеет малое удельное сопротивление, а ламинат большое); 2. От сопротивления одежды человека (есть ли на нём резиновые тапки, например, или защитные перчатки); 3. От того, какие технические защитные мероприятия используются в данной сети (защитное заземление и зануление). Полагаться на сопротивление пола, тем более, что оно может резко упасть, например, после влажной уборки, не приходится. Да и ходить по квартире каждый день в толстенных изолирующих перчатках и резиновых сапогах не очень удобно. В связи с этим особую важность представляют технические защитные мероприятия, подразумевающие специальные устройства, которые будут срабатывать в случае аварии и защищать всех жителей квартиры. Среди основных: - защитное заземление (позволяет снизить величину напряжения прикосновения); - зануление (обеспечивает отключение питания неисправных устройств). 1.3 Как работают технические защитные мероприятия? Посмотрите на схему стенда. К сети подключено несколько приборов: К 1-1, К 1-2, К-2 и К-3.        Рис. 4 – Принцип работы зануления Приборы К 1-1 и К 1-2 имеют в качестве защиты зануление (см. рис. 4) – соединение металлических токопроводящих частей с нейтральным проводом. Видите, от них идут белые линии к нейтральному проводу? Как только случится короткое замыкание, возникнет цепь замыкания с высоким значением силы тока (красная линия на рис. 4), что вызовет срабатывание автоматического выключателя. Прибор будет отключён от сети. Посмотрите на схему – какой ещё из приборов занулён? Прибор К-3 имеет защитное заземление (см. рис. 5) – соединение токопроводящей части с землёй. Взгляните на схему – белая линия соединяет корпус с землёй.      Рис. 5 – Корпус К-3 имеет защитное заземление Принцип работы заземления довольно прост. Когда корпус прибора оказывается под напряжением, ток по заземляющему проводу стекает в землю (красная линия на рис. 5). Если человек прикоснётся к корпусу, ток будет протекать в основном через заземление, ток через тело человека (жёлтая линия на рис. 5) будет несущественен. Правда, следует помнить общеизвестное правило – «ток течёт по пути наименьшего сопротивления», поэтому если сопротивление заземления будет велико, ток через человека может быть очень опасен. В сетях с глухозаземлённой нейтралью нельзя использовать только защитное заземление. Почему – узнаете, сделав лабораторную работу. Казалось бы, вопросы технических защитных мероприятий потребителя не касаются – их решает электрик. Однако зачастую это не так. Например, в частных домах, на даче вопросами электропроводки часто занимается хозяин, и, даже если он не сам монтирует проводку, именно он решает, что и в каком количестве будет делать в его доме электрик. Также в старых жилых домах (1970-х – 1980-х годов постройки) часто отсутствует зануление или заземление. Делать их или не делать – также зачастую остаётся на совести именно хозяина квартиры. 2. Как работать со стендом? Итак, мы разобрали основные элементы, представленные на стенде. Помимо приборов, подключённых к сети с глухозаземлённой нейтралью, на схеме изображена «нагрузка» (три лампочки, подключённые к сети), повторное заземление нейтрали (на случай если рабочее повредится) и короткое замыкание фазы на землю (две молнии красного цвета). Все эти элементы будут рассмотрены в ходе работы и всеми этими элементами можно управлять при помощи переключателей, расположенных в нижней части стенда. Этими переключателями вы будете устанавливать определённые аварийные ситуации и проводить измерения.     Рис. 6 – Красный - Нагрузка (три лампочки), Жёлтый - Повторное заземление нейтрали, Зелёный - Короткое замыкание на землю. Все измерения производятся при помощи переключателя S3 (см. рис. 7).  Рис. 7 – Переключатель S3 В данной работе можно измерить (см. табл.1) Табл. 1
Принцип работы со стендом: 1. Установить аварийную ситуацию переключателями в соответствии с описанием хода работы. Названия переключателей соответствуют элементам, нарисованным на схеме. 2. Переключать S3 и записывать полученные результаты в протокол измерений. 3. Порядок выполнения работы 1. Как работает система в исправном состоянии? 1.1 Прежде чем устанавливать аварийные ситуации, проверим систему в исправном состоянии. Установите следующий режим (внимательно!): S1, S2, S5, S 10 – включены, S7, S8, S11, S16 – выключены, S4, S6 – нейтральное положение. 1.2 Теперь переключателем S3 измерьте напряжение на фазах (S3 в позициях 1,2 и 3). Оно должно быть примерно равным. Найдите среднее арифметическое полученных значений – это и будет фазное напряжение. В этом стенде, для вашей безопасности, оно существенно ниже обыкновенного фазного напряжения в 220 В. 1.3 Измерьте напряжение на нейтрали (S3 в позиции 4). Оно должно быть равно нулю. 1.4 Так как аварийной ситуации нет, напряжения на корпусах (S3 в позициях 5,6) также должно быть равно нулю. Если всё сходится – система работает исправно. 2. Анализ опасности прямого прикосновения 2.1. Установите сопротивление изоляции фаз R(A), R(B), R(C) равным 5 кОм (S13, S14, S15 в левом положении). Переключателем S6 установите режим прямого прикосновения человека к фазе А (S6 в положении 1). Проведите измерения (S3 в положениях 1-6). 2.2. Посмотрим, поменяется ли напряжение прикосновения Uh, если сопротивление изоляции фаз будет больше. Установите сопротивление изоляции фаз R(A), R(B), R(C) равным 150 кОм (S13, S14, S15 в правом положении). Проведите измерения (S3 в положениях 1-6). Изменились ли показания? Оцените напряжение прикосновения Uh – оно больше/меньше/или равно фазному (пункт 1.2)? 2.3. Посмотрим, как на напряжение прикосновения Uh повлияет замыкание фазы на землю. Это значит, что где-то в сети повредился изоляционный материал одной из фаз и между нею и землёй стал протекать ток. У этой цепи тоже есть какое-то сопротивление, влияющее на силу тока, протекающего по ней. Установите переключателем S11 замыкание фазы С на землю. Переключателем S12 установите сопротивление замыкания Rзам равным 50 Ом (S12 в левом положении). Проведите измерения (S3 в положениях 1-6). Как изменилось напряжение на человеке? А остальные напряжения? 2.4 Переключателем S12 установите сопротивление замыкания Rзам равным 100 Ом (S12 в правом положении). Проведите измерения (S3 в положениях 1-6). Как изменилось напряжение на человеке? А остальные напряжения? 2.5 Выключите замыкание фазы на землю (S11 выкл). 3. Анализ опасности при непрямом прикосновении 3.1 Посмотрим, насколько опаснее непрямое прикосновение. Переключателем S6 установите режим непрямого прикосновения к корпусу прибора К-3 (S6 в положении 2). Включите короткое замыкание фазы на корпус (S7 вкл). Проведите измерения (S3 в положениях 1-6). Сравните напряжение прикосновения Uh с напряжением, полученным в пунктах 2.1-2.2. Насколько опаснее непрямое прикосновение? 3.2 Посмотрим, удастся ли снизить напряжение прикосновения Uh при помощи защитного заземления. Включите защитное заземление переключателем S8. Установите сопротивление заземления равное 4 Ом (переключатель S9 в позиции 1). Проведите измерения (S3 в положениях 1-6). Удалось ли снизить напряжение прикосновения Uh (сравним с п. 3.1)? На сколько удалось его снизить? Обратите внимание на напряжение на занулённых корпусах К-1 и К-2 – изменилось ли оно по сравнению с пунктом 3.1? 3.3 Посмотрим, как изменится ситуация, если сопротивление заземления будет больше. Установите сопротивление заземления равное 100 Ом (переключатель S9 в позиции 2). Проведите измерения (S3 в положениях 1-6). Что стало с напряжением прикосновения Uh и напряжением на корпусах К-1 и К-2? 3.4 Снимите замыкание фазы на корпус К3 переключателем S7. 3.5 Посмотрим, под какое напряжение попал бы человек, если бы фазное напряжение было равно 220 В. Подставьте значения в формулу и вычислите Uh при Rзаз = 4 Ом и Rзаз = 100 Ом. Напоминаем, что Rо = 4 Ом.  Теперь посмотрим, какова сила тока, которая проходила бы через тело человека в худшем случае. Подставьте оба полученных в расчётах значения Uh в формулу закона Ома, приняв Rh = 1000 Ом:  Оцените опасность воздействия такого тока с точки зрения пороговых значений (0,5 – 1,5 мА – начало ощущений; 6-15 мА – начало судорожных сокращений мышц тела; 90-100 мА – фибрилляция сердца, остановка дыхания и смерть). Ответьте на вопрос: почему в сетях с глухозаземлённой нейтралью не допускается использование защитного заземления без зануления? 4. Изучение принципа действия зануления 4.1 Посмотрим, как действует зануление. Переведя переключатель S4 в положение 1, замкните фазу А на занулённый корпус К1-1. Убедитесь в автоматическом снятии напряжения со стенда. Попробуйте измерить напряжение на фазах, корпусах и человеке (S3 в положениях 1-6). Чему оно равно и почему? 4.2 Установите переключатель S4 в среднее положение. 5. Случай обрыва нейтрали и рабочего заземления. Повторное заземление 5.1 Очевидно, что при обрыве нейтрали цепь работать правильно не будет. Посмотрим, какова же опасность для человека. Установите обрыв нейтрали (S5 выкл). Измерьте напряжение на занулённых корпусах К-1 и К-2 (переключатель S3 в положении 4, 5). На каком из них появилось напряжение и почему? Какова величина данного напряжения, по сравнению с фазным (п. 1.2)? 5.2 Включите повторное заземление нейтрали (S16 вкл). Измерьте напряжение на занулённых корпусах К-1 и К-2 (переключатель S3 в положении 4, 5). Как изменилось напряжение на этих корпусах? 5.3 Отключите обрыв нейтрали (S5 вкл) и повторное заземление нейтрали (S16 выкл). 5.4 Теперь посмотрим, какова опасность обрыва рабочего заземления. Вsключите S2. Измерьте напряжение на корпусах К-1 и К-2 (переключатель S3 в положении 4, 5). 5.5 Включите замыкание фазы С на землю (S11 вкл), сопротивление замыкания Rзам = 50 Ом (S12 в левом положении). Измерьте напряжение на корпусах К-1 и К-2 (переключатель S3 в положении 4, 5). 5.6 Включите повторное заземление нейтрали (S16 вкл). Измерьте напряжение на корпусах К-1 и К-2 (переключатель S3 в положении 4, 5). 5.7 В чём опасность обрыва рабочего заземления? Зачем нужно повторное заземление нейтрали? 5.8 Выключите стенд (S1 выкл), подпишите протокол сами и у преподавателя. 4. Требование к отчёту ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ ОТЧЁТА: 1. ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ ЕДИНОГО ОБРАЗЦА 2. РИСУНКИ, ТАБЛИЦЫ И ГРАФИКИ ПРОНУМЕРОВАНЫ, ИМЕЮТ НАЗВАНИЕ И ТЕКСТОВОЕ ОПИСАНИЕ 3. ЕДИНЫЙ ШРИФТ ДЛЯ ВСЕГО ДОКУМЕНТА 4. МИНИМАЛЬНОЕ КОЛИЧЕСТВО ГРАММАТИЧЕСКИХ И ОРФОГРАФИЧЕСКИХ ОШИБОК, ГРАМОТНЫЙ РУССКИЙ ЯЗЫК. 5. РАБОТА АККУРАТНА, СКРЕПЛЕНА СТЕПЛЕРОМ ИЛИ СКРЕПКОЙ, ПОЛОЖЕНА В ФАЙЛ ИЛИ ПАПОЧКУ. В отчёте должны содержаться следующие данные: – цель работы; – основные определения, используемые в работе (в форме «слово – определение», перепечатывать методичку не надо!); – полностью заполненный ручкой и подписанный преподавателем протокол измерений с именами и подписями исполнителей; - подробный анализ каждого пункта протокола, в котором вы указываете цель опыта, в чём он состоял и основные выводы, к которым вы пришли. Вы должны ответить на все вопросы, поставленные в п. 3 «Порядок выполнения работы», выделенные курсивом. Пояснить результаты работы позволит информация из п. 1 «Общая информация». Подробные вычисления с формулами из пп. 1.2 и 3.5. В данной работе не нужно приводить графиков, электрических схем, векторных диаграмм, а также описание самого стенда и копию листов с «Общей информацией»! - Общие выводы по итогам работы (примерно 1 лист А4) – чем опасен электрический ток для человека, какие бывают виды прикосновения, основные виды защиты, в чём принцип их работы и проч. своими словами. 5. Контрольные вопросы 1. Что такое электрический ток? От чего зависит сила тока в цепи, согласно закону Ома? 2. Чем фазное напряжение отличается от линейного? Что такое смещение нейтрали? 3. Какие выделяют части электрооборудования? В чём их отличие? 4 В чём отличие прямого и непрямого прикосновения? Какое из них опаснее? Что такое напряжение приксоновения? 5. Поясните, что означает «трёхфазная сеть с глухозаземлённой нейтралью»? Почему мы рассматриваем именно её? 6. От каких факторов зависит степень поражения человека электрическим током? Насколько в данных сетях сопротивление изоляции фаз влияет на напряжение прикосновения? 7. В чём принцип работы защитного заземления и зануления? Как зависит напряжение прикосновения от сопротивления заземления и почему? 8. Можно ли в рассматриваемых сетях использовать защитное заземление без зануления и почему? 9. Что означает замыкание фазы на землю? Как такое замыкание влияет на напряжение прикосновения? 10. В чём опасность обрыва нейтрали? В чём опасность обрыва рабочего заземления? Какое мероприятие позволит снизить напряжение прикосновения в случае обрыва нейтрали или рабочего заземления? Протокол лабораторной работы № 2 «Исследование условий электробезопасности в сетях с заземлённой нейтралью» Выполнили студенты группы № _____________ Дата ___________ Ф.И.О. и подписи: _________________________________________________________ _________________________________________________________ _________________________________________________________ Преподаватель: ___________________________________________ Сдать до: ________________________________________________
К п. 3.5: 1. Uh-1 = 2. Uh-2 = 3. Ih-1 = 4. Ih-2 = | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||