Электричество. 07 Электро. Лабораторная работа 7 Исследование сопротивления заземляющих устройств
 Скачать 2.2 Mb.
|
|
Лабораторная работа № 7 Исследование сопротивления заземляющих устройств Цель работы: исследование сопротивления заземляющего устройства и удельного сопротивления грунтов, ознакомление с приборами контроля сопротивления заземляющего устройства и нормативными требованиями к величине сопротивления заземляющих устройств. Основные понятия и определения Электроэнергия используется во всех отраслях промышленности, народного хозяйства и в быту. Практика показывает, что во всех областях использования электрической энергии имеют место случаи электротравматизма. По сравнению с другими видами производственного травматизма электротравматизм составляет небольшой процент, однако по числу травм с тяжелым и, особенно, летальным исходом занимает одно из первых мест. Наибольшее число электротравм (60…70 %) происходит при работе электроустановок напряжением до 1000 В. Действие электрического тока на человека носит многообразный характер. Проходя через организм, электрический ток вызывает термическое, электролитическое, а также биологическое действие. Термическое действие тока проявляется в ожогах некоторых отдельных участков тела, нагреве кровеносных сосудов, нервов, крови и т.п. Электролитическое действие тока проявляется в разложении крови и других органических жидкостей организма, вызывает значительные нарушения их физико-химического состава. Биологическое действие тока проявляется как раздражение и возбуждение живых тканей организма, а также нарушением внутренних биологических процессов. Механическое действие тока приводит к расслоению, разрыву тканей организма в результате электродинамического эффекта, а также мгновенного взрывоподобного образования пара из тканевой жидкости и крови. Это многообразие действий электрического тока может привести к двум видам поражения – электрическим травмам и электрическим ударам. Электрические травмы представляют собой четко выраженные местные повреждения тканей организма, вызванные воздействием электрического тока или электрической дуги. Различают следующие электрические травмы: электрический ожог, электрические знаки, металлизация, электроофтальмия, механические повреждения. Электрический удар – это возбуждение живых тканей организма проходящим через него электрическим током, сопровождающееся непроизвольными судорожными сокращениями мышц. В зависимости от исхода воздействия тока на организм электрические удары условно делятся на четыре следующие степени: I – судорожное сокращение мышц без потери сознания, II – судорожное сокращение мышц, потеря сознания, но сохранение дыхания и работы сердца, III – потеря сознания и нарушение сердечной деятельности или дыхания (либо того и другого вместе), IV – клиническая смерть, т.е. отсутствие дыхания и кровообращения. Основными причинами поражения электрическим током являются: нарушение правил технической эксплуатации электроустановок; прикосновение к токоведущим частям; прикосновение к металлическим нетоковедущим частям, оказавшимся под напряжением из-за неисправности изоляции или заземляющих устройств. Если человек попадает под напряжение, то через его тело протекает электрический ток. Действие электрического тока на человека зависит от многих факторов: от рода тока (переменный или постоянный), при переменном токе – от его частоты; от величины тока (или напряжения); длительности протекания тока; от пути прохождения тока через тело человека; физического и психического состояния человека. Наиболее опасным для человека является переменный ток с частотой 50…500 Гц. Способность самостоятельного освобождения от тока такой частоты у большинства людей сохраняется только при очень малой его величине (до 10 мА). Величина силы тока, проходящего через попавшего под напряжение человека, зависит от величины напряжения установки и сопротивления всех элементов цепи, по которым протекает ток. Наибольшей опасности человек подвергается тогда, когда ток проходит по жизненно важным органам (сердце, легкие) или клеткам центральной нервной системы. Однако смертельный исход возможен даже при малых напряжениях (12…36 В) в результате соприкосновения токоведущих частей с наиболее уязвимыми частями тела – тыльная сторона ладони, щека, шея, голень, плечо. Установлено, что в момент поражения электрическим током большое значение имеет физическое и психическое состояние человека. Если человек голоден, утомлен, опьянен или нездоров, то сопротивление его организма снижается, т.е. вероятность тяжелого поражения возрастает. При соблюдении правил безопасности, т.е. при внимательной и осторожной работе, вероятность поражения током уменьшается. Степень воздействия тока на организм человека приведена в табл. 1. Состояние окружающей среды (температура, влажность, наличие пыли, паров кислот) влияет на сопротивление тела человека и сопротивление изоляции, что в конечном итоге определяет характер и последствия поражения электрическим током. С точки зрения состояния окружающей среды производственные помещения могут быть сухими, влажными, сырыми, особо сырыми, жаркими, пыльными с токопроводящей и нетокопроводящей пылью, с химически активной или органической средой. Во всех помещениях, кроме сухих, сопротивление тела человека уменьшается. Таблица 1 Характер воздействия тока на организм человека
Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) все производственные помещения по опасности поражения электрическим током разделяются на три категории: Помещения с повышенной опасностью, характеризующиеся наличием одного из следующих факторов (признаков): сырости, когда относительная влажность превышает 75 %; высокой температуры воздуха, превышающей 35 0С; токопроводящей пыли; токопроводящих полов; возможности одновременного прикосновения к имеющим соединение с землей металлоконструкциям зданий, технологическим аппаратам, механизмам и т.п., с одной стороны, и к металлическим корпусам – с другой. Особо опасные помещения, характеризующиеся наличием одного из трех условий: особой сырости, когда относительная влажность воздуха ближе к 100 %; химически активной среды, когда содержащиеся пары или образующиеся отложения действуют разрушающе на изоляцию и токоведущие части оборудования; двух и более признаков одновременно, свойственных помещениям с повышенной опасностью. Помещения без повышенной опасности, характеризующиеся отсутствием признаков повышенной и особой опасности. Системой стандартов безопасности труда (ГОСТ 12.1.030–81 «Электробезопасность. Защитное заземление, зануление») электробезопасность определяется как система организационных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного воздействия электрического тока, электрической дуги, электромагнитного поля и статического электричества. Степень опасности прикосновения человека к неизолированным токоведущим частям электроустановок, находящихся под напряжением, зависит от вида прикосновения и вида электрической сети. Прикосновения могут быть одно- и двухфазными в трехфазных сетях, а также одно- и двухполюсными в однофазных сетях. Двухфазное и двухполюсное прикосновения весьма опасны, так как человек оказывается под номинальным напряжением источника электроэнергии. Значение тока, проходящего через человека, I=U/R, (1) где U – номинальное напряжение источника, В; R – сопротивление человека, Ом. Электрическое сопротивление тела человека (сопротивление человека) складывается из сопротивления кожи и сопротивления внутренних органов. При расчетах сопротивление тела человека принимается равным 1000 Ом. К техническим способам и средствам защиты относятся: изоляция токоведущих частей с устройством непрерывного контроля; ограждения; электрическое разделение сетей; применение малых напряжений; электрозащитные средства (блокировка); сигнализация и знаки безопасности; защитное заземление; зануление; защитное отключение; защита от опасности при переходе напряжения с высшей стороны на низшую; компенсация токов замыкания на землю. Зануление – преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Физическая сущность зануления состоит в том, что благодаря преднамеренно выполненной с помощью нулевого защитного проводника металлической связи корпусов оборудования с глухозаземленной нейтралью источника питания любое замыкание на корпус превращается в однофазное короткое замыкание с последующим автоматическим отключением аварийного участка от сети аппаратами защиты (предохранителями, автоматическими выключателями и др.). Системы защитного отключения – это специальные электрические устройства, предназначенные для отключения электроустановок в случае появления опасности пробоя на корпус. Так как основной причиной замыкания на корпус токоведущих частей оборудования является нарушение изоляции, то системы защитного отключения осуществляют постоянный контроль за сопротивлением изоляции или токами утечки между токоведущими и нетоковедущими деталями конструкции оборудования. Одним из мероприятий для обеспечения электробезопасности при работе на электрооборудовании является защитное заземление. Защитным заземлением называется преднамеренное электрическое соединение с землей или с ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Защита достигается путем уменьшения напряжения прикосновения за счет выравнивания потенциала при стекании тока с электроустановки на землю при пробое фазы на корпус установки. Ток растекается от заземлителя равномерно во все стороны по поверхности и в глубину земли. По мере удаления от заземлителя плотность тока убывает, так как увеличивается сечение слоя земли, через которое проходит ток. Расчетным путем установлено, что потенциал поверхности грунта убывает с удалением от заземлителя по закону гиперболы: от максимального значения (на заземлителе) до нуля на расстоянии примерно 20 м. В зоне растекания тока человек может оказаться под разностью потенциалов, например, на расстоянии шага. Напряжение между двумя точками цепи тока, находящимися одна от другой на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек, называется напряжением шага. Значение напряжения шага зависит от ширины шага и удаленности человека от места замыкания на землю. По мере удаленности от места замыкания напряжение шага уменьшается. Напряжение шага учитывает форму потенциальной кривой. Заземление конструктивно представляет собой устройство, состоящее из заземлителей и заземляющих проводников. Заземлители могут быть естественными и искусственными. В качестве естественных заземлителей используются металлические элементы, проложенные в земле, например: металлические элементы (арматура) железобетонных конструкций зданий и сооружений, водопроводные и другие металлические трубопроводы (кроме горючих газов, жидкостей, а также трубопроводов, покрытых изоляцией), металлические оболочки кабелей и т.д. Когда естественные заземлители отсутствуют или их сопротивление недостаточно, то устраиваются искусственные заземлители. В зависимости от расположения заземлителей относительно заземляемых объектов искусственные заземляющие устройства делятся на контурные и выносные. Обычно заземлители представляют собой электроды, погруженные вертикально или горизонтально в землю. Чаще применяют групповые заземляющие устройства, состоящие из вертикальных стержней, соединенных между собой полосой или круглой сталью. Для повышения эффекта выравнивания потенциала контурное заземление выстраивается в виде заземляющей сетки. Искусственные заземлители изготавливаются из стали различного профиля. Для обеспечения механической, термической и коррозионной стойкости рекомендуется принимать следующие размеры: диаметр – 40…80 мм, длина – 2…3 м. Заземляющие проводники обычно изготавливаются из стали прямоугольного или круглого сечения. В сетях напряжением до 1000 В принимается проводимость заземляющих проводников менее 1/3 проводимости фазных проводников. При прокладке заземляющей шины внутри здания наименьшее сечение прямоугольной шины должно составлять 24 мм2, у круглой наименьший диаметр 5 мм. Требования к устройству защитного заземления и зануления электрооборудования определены ПУЭ, в соответствии с которыми они должны устраиваться при номинальном напряжении 380 В и выше переменного тока, а также 440 В и выше постоянного тока. Работы в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных должны выполняться в установках с напряжением питания больше 42 В переменного и более 119 В постоянного тока. Защитному заземлению и занулению подлежат металлические части электроустановок, доступные для прикосновения человека, которые могут оказаться под напряжением UФ в результате повреждения изоляции. В этом случае ток, проходящий через человека, I1= Uср/(R4+RСИЗ), (2) где R4 – сопротивление тела человека; RСИЗ - сопротивление средств индивидуальной защиты, при их отсутствии RСИЗ=0. Защитное заземление применяется для обеспечения защиты людей от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям оборудования, которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции. Защитное заземление выполняют путем преднамеренного соединения (металлическими проводниками) нетоковедущих частей электроустановок с «землей» (рис. 1) или с ее эквивалентом (ГОСТ 12.1.030–81). Принцип действия защитного заземления – снижение до безопасных значений напряжения прикосновения и шагового напряжения, возникающих при замыкании фазы на корпус. Это достигается уменьшением потенциала заземляемого оборудования, j=I3R3 (в силу малого сопротивления заземляющего устройства – 4…10 Ом), а также выравниванием потенциалов заземленного оборудования. Заземлители могут быть естественные и искусственные. В первую очередь используются металлические и железобетонные конструкции зданий, которые должны образовывать непрерывную электрическую цепь по металлу. Естественными заземлителями могут быть проложенные в земле водопроводные и другие металлические трубопроводы, за исключением трубопроводов горючих и взрывчатых газов и смесей; металлические железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в непосредственном соприкосновении с землей; свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле, и т.д. Для искусственных заземлителей применяются обычно вертикальные и горизонтальные электроды.
Рис. 1. Схема защитного заземления: а – принципиальная; б – эквивалентная В качестве вертикальных электродов используются стальные трубы с толщиной стенки не менее 3,5 мм (обычно это трубы диаметром 50…60 мм) и уголковая сталь с толщиной полок не менее 4 мм (обычно это уголковая сталь размером от 40х40 до 60х60 мм) и длиной 2,5…3,0 м. Широко применяется также прутковая сталь диаметром не менее 10 мм, длиной до 10 м, а иногда и более. В качестве горизонтального электрода для связи вертикальных электродов применяются полосковая сталь сечением не менее 4х12 мм и сталь круглого сечения диаметром не менее 6 мм. Различают контурное и выносное заземляющие устройства. При контурном заземлении одиночные заземлители располагаются равномерно по периметру площадки, на которой размещено оборудование, подлежащее заземлению. Внутри защищаемого контура достигается выравнивание потенциалов земли, что определяет минимальные значения напряжения прикосновения и шагового напряжения (рис. 2). Выносное заземляющее устройство размещается вне площадки, где располагается заземляемое оборудование, поэтому выравнивание потенциалов земли и корпусов заземленного оборудования достигается в меньшей степени. Выносное заземление применяют при малых значениях тока замыкания на землю в установках напряжением до 1000 В, где потенциал заземлителя не выше допускаемого напряжения прикосновения.  Рис. 2. Схема заземляющего устройства: I – расположение заземлителей в плане Порядок выполнения работы Нормальный режим работы сети Задание №1. Исследовать зависимость тока, проходящего через тело человека при прямом прикосновении к фазному проводу, от активного сопротивления изоляции проводов сети с изолированной, а затем с заземленной нейтралью при постоянном значении емкости проводов относительно земли, соблюдая условие: RAE=RBE=RCE=RPEN и CAE=CBE=CCE=CPEN. 1.1. Включить стенд, переведя тумблер "ВКЛ-ВЫКЛ" в верхнее положение; при этом должны загореться светодиодные индикаторы наличия фазных напряжений на мнемосхеме передней панели. 1.2. Привести стенд в исходное состояние: нажать кнопку "СБРОС"; при этом сбрасываются значения предыдущего состояния стенда. 1.3. Моделировать трехфазную трехпроводную сеть с изолированной нейтралью, установив переключатель "Sn" в нижнее положение. 1.4. Моделировать нормальный режим работы сети, установив переключатель "Sk3" в положение "О". 1.5. Имитировать прикосновение человека к фазному проводу, например к фазе А, для чего гибкий провод, снабженный наконечниками, подсоединить к клеммам "Хпр" и "Ха". 1.6. Установить переключатель "-Rh" в положение "Rh", при этом на цифровом табло омметра появляется значение сопротивления тела человека, соответствующее положению рукоятки потенциометра "Rh" Установить медленным вращением рукоятки потенциометра "Rh" заданное преподавателем сопротивление цепи тела человека (обычно 1 кОм, - этому значению соответствует крайнее левое положение рукоятки потенциометра), наблюдая значение Rh на цифровом табло омметра. 1.7. Установить переключателями "SCae", "Scbe", "SCce" заданные преподавателем значения емкостей проводов относительно земли (например, моделируя короткую воздушную сеть, можно задать CAE=CBE=CCE=CE =0 1.8. Установить переключатель "Al - А2 - Rh" в положение "А1", при этом на передней панели стенда загорается с вето диод в мнемоническом изображении амперметра в цепи тела человека. 1.9. Установить переключатели "SRae", "Srbe", "SRce" в крайние левые положения, соответствующие значению "∞". 1.10. Нажать кнопку "ИЗМЕРЕНИЕ", снять показание амперметра, нажать кнопку "СБРОС". 1.11. Устанавливая переключателями "Srae", "SRbe", "SRce" последовательно значения RAE=RBE=RCE=RPEN: 1,0; 2,5; 10; 25; 100 кОм, измерять ток в цепи тела человека. Считывая показания индикатора амперметра, занести их в отчет о лабораторной работе. ПРИМЕЧАНИЕ: Для каждого нового измерения нажимать кнопку "ИЗМЕРЕНИЕ", предварительно сбрасывая предыдущее кнопкой "СБРОС". 1.12. Моделировать трёхфазную четъфехпроводную сеть с заземленной нейтралью: перевести переключатель "Sn" в верхнее положение. 1.13. Установить значение емкости PEN-провода относительно земли CPEN =CE(см.п. 1.7) с помощью переключателя "SCpen" 1.14. Выполнить указания п.п. 1.4-1.11, устанавливая последовательно значения RAE=RBE=RCE=RPEN=RE: ∞; 1,0; 2,5; 10; 25; 100кОм, измеряя ток в цепи тела человека, считывая показания индикатора амперметра и занося их в отчет о лабораторной работе. 1.15. Сделать вывод о характере влияния режима нейтрали, а также активного сопротивления изоляции проводов сети относительно земли на опасность поражения током при прямом прикосновении человека к фазному проводу в условиях нормальной работы сети. Задание №2. Исследовать зависимость тока, проходящего через тело человека при прямом прикосновении к фазному проводу, от емкости проводов относительно земли в сети с изолированной, а затем с заземленной нейтралью при постоянном значении активного сопротивления изоляции проводов, соблюдая условие: RAE=RBE=RCE=RPEN и СAE=СBE=СCE=СPEN. 2.1. Выполнить указания п.п.1.2-1.6 задания №1. 2.2. Установить переключателями "SRae", "Srbe", "Srce" заданные преподавателем значения активного сопротивления проводов относительно земли (например, моделируя кабельную сеть, можно задать RAE=RBE=RCE=RE=∞) 2.3. Устанавливая переключателями "SCae", "SCbe", "SCce" последовательно значения СAE=СBE=СCE=СE: 0; 0,1; 0,25; 0,5; 1,0; 2,5 мкФу измерять ток в цепи человека, считывая показания индикатора амперметра и занося их в отчет о лабораторной работе. При работе не забывать требования ПРИМЕЧАНИЯ к п. 1.11. 2.4. Моделировать трехфазную четырехпроводную сеть с заземленной нейтралью: перевести переключатель "Sn" в верхнее положение. 2.5. Дополнительно к указаниям п.2.2 установить переключателем "SRpen" значение RPEN=RE. 2.6. Выполнить повторно указания п.2.3, дополнительно устанавливая переключателем "SCpen" значения СPEN=СE. 2.7. Сделать вывод о характере влияния режима нейтрали сети, а также емкости C проводов относительно земли на опасность поражения током при прямом прикосновении человека к фазному проводу в условиях нормальной работы сети. Задание №3. Исследовать влияние активного сопротивления в цепи тела человека Rk на значение тока Ih проходящего через человека, прикоснувшегося к фазному проводу сети с изолированной и с заземленной нейтралью, при нормальном режиме работы сети. 3.1. Выполнить указания п.п.1.2-1.6 задания №1. Кроме того, переключатель вольтметра установить в положение "Ua". 3.2. Установить переключателями "SRae", "SRbe", "SRCE" и "SCae", "SCbe", "SCce" заданные преподавателем значения активного сопротивления изоляции RAE=RBE=RCE=RE и емкости CAE=CBE=CCE=CE проводов относительно земли (например, моделируя короткую воздушную сеть, можно задать RE = 100 кОм и CE=0). 3.3. Подобно указанному в п.п. 1.6, 1.8, 1.10, устанавливая медленным вращением рукоятки потенциометра "Rh" последовательно значения сопротивления Rhi в цепи тела человека , измерять соответствующие этим значениям токи Ihi и напряжения U A между фазным проводом A землей (считывать показания индикаторов амперметра и вольтметра и заносить их в отчет о лабораторной работе). 3.4. Моделировать трехфазную четырехпроводную сеть с заземленной нейтралью, установив переключатель "Sn" в верхнее положение. 3.5. Дополнительно к указаниям п.3.2 установить переключателями "SRpen" и "SCpen" значения RPEN=RE и CPEN=CE. 3.6. Повторно выполнить указания п.п.3.3. 3.7. Результаты измерений представить в отчете в виде табл. и графиков зависимостей Ih=I(Rh) и UA=U(Rh) для обоих видов сетей. 3.8. Сделать вывод о характере влияния сопротивления Rh в цепи тела человека на опасность поражения током в трехфазных сетях с различным режимом нейтрали. Аварийный режим работы сети Задание №4. При аварийной ситуации (замыкание фазного провода на землю через сопротивление растеканию тока RЗМ) провести сравнительный анализ опасности прикосновения человека к исправному фазному проводу в сетях с изолированной и заземленной нейтралью. Исследовать характер влияния сопротивления RЗМ на значение тока Ih, протекающего через человека. 4.1. Выполнить указания п.п.3.1 и 3.2 задания №3. 4.2. Переключателем "Sкз" замкнуть фазный провод В или С на землю через сопротивление RM. 4.3. Устанавливая переключателем "Rзм" последовательно значения RЗМ =10; 100 и 1000 Ом, измерить ток Ih в цепи тела человека и напряжениеUA между фазным проводом А и землей (считывать показания индикаторов амперметра и вольтметра и заносить их в табл. 4 отчёта о лабораторной работе). 4.4. Моделировать трехфазную четырехпроводную сеть с заземленной нейтралью, установив переключатель "Sn" в верхнее положение. 4.5. Измерить ток Ih и напряжение UA в зависимости от сопротивления RЗМ, выполнив последовательно указания п.3.5 задания №3 и 4.3 задания №4. 4.6. Результаты измерений представить в отчете в виде табл. и графиков зависимостей Ih = I(RЗМ) для обоих видов сетей. 4.7. Сделать вывод о характере влияния сопротивления растеканию тока в месте замыкания фазного провода на землю RЗМ на опасность поражения током в трехфазных сетях с различным режимом нейтрали. Содержание отчета о лабораторной работе. Результаты измерений представить в виде таблиц и графиков, вычертить схемы исследуемых сетей и сделать выводы, указанные в соответствующих пунктах приведенных выше заданий. Таблица 2 Зависимость тока, проходящего через тело человека при прямом прикосновении к фазному проводу, от активного сопротивления изоляции проводов сети с изолированной, а затем с заземленной нейтральюIh = f(Rh), при RAE=RBE=RCE=RPEN и CAE=CBE=CCE=CPEN.
Таблица 3 Зависимость тока, проходящего через тело человека при прямом прикосновении к фазному проводу, от емкости проводов относительно земли в сети с изолированной, а затем с заземленной нейтралью Ih = f(Ch), при RAE=RBE=RCE=RPEN и СAE=СBE=СCE=СPEN.
Таблица 4 Зависимость тока Ih проходящего через человека, прикоснувшегося к фазному проводу сети с изолированной и с заземленной нейтралью, при нормальном режиме работы от активного сопротивления в цепи тела человека Rk
Таблица 5 Зависимость тока Ih, протекающего через человека от сопротивления RЗМ при аварийном режиме работы
Контрольные вопросы Действие электрического тока на организм человека. Характер воздействия тока на организм человека. Категории помещений по опасности поражения электрическим током. Что такое защитное заземление? В чем его назначение? Что такое защитное зануление и отключение? В чем заключается их сущность? От чего зависит величина сопротивления заземляющего устройства? Какие нормативные требования предъявляются к величине сопротивления заземляющих устройств? Как нормируется сопротивление заземляющего устройства? От чего зависит удельное объемное сопротивление грунта? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
