Рассмотрим ряд случаев, характерных для зануления.

Случай 1. Фаза 2 замкнута на корпус ЭО2, корпус ЭО1 не заземлен (RЗ1 à ∞), замыкание фазы 1 на землю отсутствует (RЗМ à ∞). Влиянием сопротивлений Rh1, Rh2 пренебрегаем, так как они во много раз больше сопротивлений R0, RФ. Кроме того, сопротивление RФ чаще пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлениями R0, RЗ2. Поэтому, обозначив RЗ = RЗ2, UК = UК2, RН = RН1 + RН2, от схемы рис. 1 можно перейти к эквивалентной схеме рис. 2, откуда находим:

IКЗ = IЗМ2 = U/(RФ + RН);

UН = IКЗRН = URН/(RФ + RН);

UК=UНRЗ/(R0+RЗ)=URНRЗ/((RФ + RН) *(R0+RЗ));

U0 = UН – UК.

Из формул следует, что, если корпус ЭО2 не заземлен, то UК = UН, U0 = 0. Если НЗП оборван (RН à ∞), то IКЗ = 0, UН = U, а ток IЗМ2 = U/(R0 + RЗ) мал, и аппарат защиты может не сработать. Поэтому длительно действуют опасные напряжения UК = RЗIЗМ2 = URЗ/(R0 + RЗ) и U0 = U - UК, а при отсутствии заземления корпуса ЭО2 (RЗ à ∞)

UК= U, U0 = 0.

Анализ показывает, что опасность поражения снижается при уменьшении сопротивления RН НЗП. Заземление корпуса ЭО2 также уменьшает напряжение UК, особенно при обрыве НЗП, но при этом возрастает напряжение U0 на нейтрали, а к ней могут быть подключены корпуса ЭО, питающегося по другим линиям. Поэтому в лучшем случае при R0 = RЗ люди, работающие с ЭО, попадут под одинаковое напряжение UК = U0 = UН/2.

Случай 2. Зануление при случайном замыкании фазы на землю (фаза 1 на рис. 1). Замыкания фаз на корпуса ЭО1, ЭО2 отсутствуют. Для упрощения анализа полагаем, что корпуса ЭО1, ЭО2 не заземлены (RЗ1 à ∞, RЗ2 à ∞)), Rh1=Rh2=Rh.

С учетом этого от схемы рис. 1 переходим к схеме рис. 3. В сети с ГН сопротивления R0, RН1, RН2 пренебрежимо малы по сравнению с сопротивлением Rh тела человека, что позволяет определить из рис. 3: U0=UК1= UК2 = UR0/(R0 + RЗМ). Напряжения действуют длительно до момента устранения повреждения линии. На практике обычно выполняется соотношение RЗМ >> R0, поэтому напряжения U0, UК1, UК2 меньше напряжения UПД, допустимого согласно ГОСТ 12.1.038-82 при времени воздействия тока t>1с. Таким образом, назначение заземления нейтрали состоит в уменьшении напряжения относительно земли на зануленных корпусах ЭО до длительно допустимого значения при случайном замыкании фазы на землю.

Если зануление ошибочно использовали в сети с ИН, где R0 à ∞, RЗ1 à ∞, RЗ2 à ∞, то, как следует из рис. 3, U0 = UК1 = UК2 = URh/(Rh + 2RЗМ). В худшем случае Rh >> 2RЗМ, поэтому напряжения на нейтрали и корпусах ЭО1, ЭО2 близки к фазному напряжению сети U и действуют длительно, что очень опасно. Поэтому согласно ПУЭ запрещено использовать зануление в сети с ИН, а глухое заземление нейтрали является обязательным при использовании зануления.

Случай 3. Вдоль кабельной линии питания расположены зануленные корпуса исправного ЭО1 и поврежденного ЭО2 (фаза 2 замкнута на корпус ЭО2) оборудования, замыкание фазы 1 на землю отсутствует (см. рис. 1), т. е. RЗМà∞. Оценим зависимость напряжений U0, UК1, UК2, действующих до момента отключения ЭО2, от коэффициента k=RН1/RН = RН1/(RН1 + RН2), характеризующего в случае линии питания с одинаковыми параметрами расположение ЭО1 на участке сети от ИП до ЭО2 (0 ≤ k ≤ 1). Влиянием сопротивления тела человека Rh пренебрегаем, так как оно несоизмеримо больше сопротивлений R0, RФ, RН. С учетом этого от схемы рис. 1. переходим к эквивалентной схеме рис. 4, где R1 = RЗ1; RЗ2 = R2; U1 = UK1; U2 = UK2 .

Для определения напряжений U0, U1, U2 при заданных значениях параметров схемы рис. 4 можно воспользоваться следующей методикой.

Применяя эквивалентное преобразование «звезда» – «треугольник» переходим от схемы рис. 4 к схеме рис. 5, где

R12 = RН1 + RН2 + RН1RН2/R1;

R13 = RН1 + R1 + RН1R1/RН2;

R23 = RН2 + R1 + RН2R1/RН1.

Так как RН1=kRН, RН2=(1-k)RН, то R12 = RН(1 + k(1-k)RН /R1);

R13 = kRН + R1/(1-k);

R23 = (1-k)RН + R1/k.

Обозначив RОЭ = R0R13/(R0 + R13),

R2Э = R2R23/(R2 + R23), переходим от схемы рис. 5 к схеме рис. 6.

Рис. 5 Рис. 6

Находим эквивалентное сопротивление RЭ=R12(RОЭ+R2Э)/(R12+RОЭ+ R2Э) и из схемы рис. 6 определяем

UН=U2+U0 = URЭ/(RФ + RЭ);

U0 = UНRОЭ/(RОЭ + R2Э);

U2 = UН – U0.

Возвращаясь к схеме рис. 4, на основе полученных значений UН, U0, U2 переходим к схеме рис. 7. Используя теорему об эквивалентном генераторе, преобразуем схему рис. 7 к виду схемы рис. 8, где RНЭ=RН1RН2/(RН1 + RН2) = k(1-k)RН; UЭ = (U2/RН2 – U0/RН1)k(1-k)RН. Если учесть, что RН1 = kRН, RН2 = (1-k)RН, то, введя коэффициент α = U0/UН = RОЭ/(RОЭ + R2Э), получим:

UЭ=UН(k-α).

Рис. 7 Рис. 8

Из схемы рис. 8 следует, что

U1=UЭR1/(RЭ+R1)=UH(k-α)/(1+k(1-k)RH/R1)

Отрицательное значение U1 означает, что синусоидальные напряжения U1 и U2 находятся в противофазе. Опасность поражения током определяется модулями вычисленных значений, то есть действующими (среднеквадратичными) значениями напряжений, измеряемых вольтметром.

На основе полученных формул и рис. 4 можно сделать ряд выводов.

При k=α независимо от значения R1 U1=0 , что соответствует выполнению соотношения R0/R2=RH1/RH2.

Напряжения на зануленных корпусах ЭО, подключенных к одному источнику питания до момента срабатывания аппарата защиты могут находиться в пределах от 0 до UН. Напряжение UН на сопротивлении RН снижается при уменьшении отношения RН/RФ. Заземление корпуса поврежденного ЭО уменьшает напряжение на нем. Однако при этом может увеличиться напряжение на корпусе другого ЭО. Напряжения на корпусах ЭО зависят от коэффициента k = RН1/RН, например, от расположения ЭО вдоль линии питания.

Одинаковые условия безопасности для работающих с исправным и поврежденным ЭО можно обеспечить, если выполнить условие U0=UК2=UН/2 (к нейтрали могут быть подключены корпуса ЭО, питающегося по другим линиям).

Экспериментальная часть

Исследование свойств защитного зануления осуществляются на универсальном лабораторном стенде (см. раздел «Общие сведения о защитном заземлении и занулении»).

Зависимости исследуются при значениях параметров, заданных на стенде в таблице выриантов.

Порядок выполнения работы

1. Включить стенд тумблером «Сеть», при этом должна загореться сигнальная лампа.

2. Измерить фазное U и линейное UЛ напряжения, пользуясь переключателем «Измеряемый параметр».

3. Исследовать случай 1 (см. рис. 2). Для этого установить тумблеры ЗМ1, ЗМЗ в положение Р, тумблеры RН1, RН2, ЗМ2 в положение З и перевести переключатель RЗ1 в положение ∞. Снять зависимости IЗМ2 = f(RН), UК2 = f(RЗ2), U0 = f(RЗ2). Для анализа опасности при обрыве НЗП перевести тумблер RН2 в положение Р и измерить U0, UК1, UК2, IЗМ2 при заданных значениях параметров и при RЗ2à∞.

4. Исследовать случай 2 (см. рис. 3). Для этого установить переключатели RЗ1, RЗ2, в положение ∞, тумблер ЗМ2 перевести в положение Р, а тумблеры ЗМ, RН1, RН2 – в положение З. Снять зависимость UК2 = f(R0) для сети с ГН и измерить UК2 для сети с ИН (R0 à ∞).

5. Исследовать случай 3 (см. рис. 4).

Перевести тумблер ЗМ в положение F, тумблер ЗМ2 - в положение 3 и, пользуясь переключателем К, снять зависимости UК1 = f(k), UК2 = f(k), U0 = f(k). Перевести переключатель RЗ1 в положение ∞ и измерить U0, UК1, UК2, IЗМ2.

Содержание отчета

1. Таблицы и графики экспериментальных зависимостей

2. Для случая 3 расчет U0, UК1, UК2, IЗМ2 по формулам при заданных по варианту значениях параметров схемы и сравнение результатов расчета с данными эксперимента.

Определение предельно допустимого времени отключения tПД, при котором требования электробезопасности будут выполняться для всех людей, контактирующих с корпусами ЭО1, ЭО2 или с ГН. Использовать зависимость tПД = 50/UПР, где 0,1с ≤ tПД ≤ 1c; размерность UПР – В.

3. Расчет номинальных токов IНОМ предохранителя, автоматического выключателя, обеспечивающих их надежное срабатывание под действием тока IЗМ2, измеренного при задданых значениях параметров для случаев 1 и 3.

Контрольные вопросы

1. Защитное зануление, область применения, принцип действия. Классификация помещений по степени опасности поражения людей электрическим током.

2. Требования к элементам зануления и его устройству. Анализ опасности обрыва НЗП.

3. Показать недопустимость применения зануления в сети с ИН (система IN) и защитного заземления в сети с ГН (система TT). Из каких соображений выбирается сопротивление R0 заземления нейтрали?

4.Как измениться напряжение UК2, если при k = 0,2, R0 = 4 Ом, RЗ2 = 8 Ом сопротивление RЗ1 уменьшить с 8 до 4 Ом? Сопротивление RН = RФ считать пренебрежимо малым по сравнению с R0, RЗ1 и RЗ2.

5. Как изменится напряжение UК1, если сопротивление RЗ1 увеличить с 2 до 4 Ом? Значения параметров: R0 = 2 Ом, RЗ2 = 8 Ом, k = 0,2, RН = RФ = 0,1 Ом.

6. Охарактеризовать системы заземления электрических сетей, в которых может применяться защитное зануление.

7. Назначение повторных заземлителей и требования к ним.

8. Как изменятся напряжения UК1, UК2 на корпусах ЭО1, ЭО2, если в системе TN-C-S при U = 220В произошло случайное замыкание фазы на землю через эквивалентное сопротивление RЗМ = 80 Ом.

Библиографический список

1. Маньков В.Д., Заграничный С.Ф. Защитное заземление и защитное зануление электроустановок: Справочник. – Спб.: Политехника, 2005. – 400 с.

2. ГОСТ 12.1.030-81. ССБТ. Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление.

3. ГОСТ 12.1.038-82. ССБТ. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов.

4. Правила устройства электроустановок: Все действующие разделы ПУЭ-6 и ПУЭ-7. 8-й выпуск. – Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2007. – 854 с.

Содержание

1. Общие сведения о защитном заземлении и занулении……….1

2. Лабораторная работа №1. Исследование защитного заземления………………………………………………………………….6

3. Лабораторная работа №2. Исследование защитного зануления………………………………………………………………….15