Анализ опасности поражения током в электрических сетях.

Лабораторная работа №2

Оценка опасности поражения током в трехфазных электрических сетях напряжением до 1000 В.

Цель работы

Оценить опасность прикосновения человека к проводникам трехфазных сетей напряжением до 1000 В.

Изучить влияние параметров сети (режима нейтрали, сопротивления изоляции и ёмкости фазных проводников относительно земли) на опасность поражения человека электрическим током.

Содержание работы

1. Оценить опасность прямого прикосновения человека к проводникам трехфазных сетей с изолированной и заземлённой нейтралями при различных сопротивлениях изоляции и ёмкостях, проводников относительно земли. Провести сравнение опасности для двух режимов работы сетей – нормальном и аварийном, т.е. при замыкании на землю одного фазного проводника и отказе защитного автоматического отключения питания.

2. При нормальном режиме работы сети определить ток, проходящий через человека при прикосновении к фазному проводнику в зависимости от:

a. сопротивлений изоляции фазных проводников сети относительно земли при постоянной ёмкости этих проводников относительно земли,

b. ёмкостей фазных проводников сети относительно земли при постоянном сопротивлении изоляции.

Анализ опасности поражения током в электрических сетях.

Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) прямые прикосновения – это электрический контакт людей с токоведущими частями, находящимися под напряжением.

Тяжесть поражения человека электрическим током определяется напряжением прикосновения, т. е. напряжением между двумя проводящими частями или между проводящей частью и землей при одновременном прикосновении к ним человека.

Опасность прикосновения, оцениваемая током (I_h ) , проходящим через тело человека, или напряжением прикосновения (U_h ), зависит от ряда факторов: схемы включения человека в электрическую цепь, напряжения сети, а также сопротивлений изоляции и емкостей фазных проводников относительно земли. В данной работе исследуется включение человека между фазным проводником и землей.

Трехфазные сети напряжением до 1000 В выполняются с изолированной или глухозаземлённой нейтралями (рис.1). В сети с глухозаземлённой нейтралью – нейтраль источника питания – трансформатора или генератора присоединяется непосредственно к заземляющему устройству.

	Рис.1 Трехфазные сети а) трёхпроводная с изолированной нейтралью, б) четырёхпроводная с глухозаземлённой нейтралью, в) пятипроводная с глухозаземлённой нейтралью

Трехфазные сети с глухозаземлённой нейтралью выполняются в совокупности с нулевыми проводниками и могут быть четырех- и пятипроводными.

Для обозначения проводников, например, в электроустановках зданий используются следующие обозначения:

L₁, L₂, L₃ – фазные проводники,

N – нулевой рабочий проводник,

PE – нулевой защитный проводник,

PEN – нулевой проводник, выполняющий функции рабочего и защитного проводников.

Современная классификация электроустановок, используемые термины и обозначения приведены в Приложении № 1 к данному сборнику лабораторных работ (для работ 2, 3, 4, 15).

В данной работе рассматриваются прямое прикосновение человека к фазным проводникам сетей с изолированной и глухозаземлённой нейтралями при условии, что защитные меры от поражения электрическим током отсутствуют.

Опасность прикосновения человека к фазному проводнику сети определяется значением проходящего через него тока I_h.

В сети с изолированной нейтралью при нормальном режиме работы (рис.2) и при равенстве между собой сопротивлений изоляции и емкостей проводников относительно земли ток через человека, касающегося фазного проводника определяется выражением:

(1)

где – ток через человека в комплексной форме, А,

U_ф - фазное напряжение, В,

R_h – сопротивление тела человека, Ом,

Z – комплексное сопротивление фазного проводника относительно земли, Ом.

Комплекс полного сопротивления Z, как величину обратную проводимости Y, можно записать в виде

, (2)

где r - сопротивление изоляции проводников, Ом,

C – ёмкость проводников относительно земли, Ф,

- угловая частота, с^-1,

f – частота переменного тока, Гц.

Рис.2 Прикосновение человека к фазному проводнику сети с изолированной нейтралью при нормальном режиме.

Рис.3 Прикосновение человека к фазному проводнику сети с изолированной нейтралью при аварийном режиме:

а) прикосновение к исправному проводнику,

б) прикосновение к замкнувшемуся проводнику.

При равенстве сопротивлений изоляции и весьма малых значениях емкостей проводников относительно земли, т. е. при r₁=r₂=r₃=r и С₁=С₂=С₃=0, что может иметь место в воздушных линиях небольшой протяженности ток, проходящий через человека, будет определяться как:

(3)

При равенстве емкостей и весьма больших сопротивлениях изоляции фазных проводников относительно земли, т. е. при r₁=r₂=r₃=r и С₁=С₂=С₃=C, что может иметь место в кабельных линиях, ток через человека согласно (1) и (2) определяется из выражения:

(4)

где - емкостное сопротивление, Ом.

В сети с глухозаземлённой нейтралью при нормальном режиме работы (рис. 4а) ток, проходящий через человека равен:

(5)

где - сопротивление заземлителя нейтрали, Ом.

Рис.4 Прикосновение человека к фазному проводнику четырех проводной сети с глухозаземлённой нейтралью:

а) нормальный режим,

б) аварийный режим.

Согласно требованиям Правил устройства электроустановок (ПУЭ) для сети 380/220 В наибольшее значение составляет 4 Ом, сопротивление же тела человека R_h не опускается ниже нескольких сотен Ом. Следовательно, без большой ошибки в (5) можно пренебречь значением . Из выражений (1) и (5) следует, что прикосновение к фазному проводнику сети с глухозаземлённой нейтралью в нормальном режиме работы опаснее, чем прикосновение к проводнику сети с изолированной нейтралью, т.к. человек в этом случае попадает практически под фазное напряжение независимо от значений сопротивления изоляции и ёмкости проводников относительно земли.

В сети с изолированной нейтралью при аварийном режиме работы, т.е. когда произошло замыкание на землю одного из фазных проводников, выражение для тока через человека, коснувшегося незамкнувшегося на землю проводника (рис.3а) имеет вид:

(6)

где - линейное напряжение, В,

r_зм - сопротивление растеканию тока в месте замыкания проводника на землю, Ом.

Если считать , что r_зм<<R_h ,например r_зм<100 [Ом] и R_h=1 [кОм], то получим

, (7)

т.е. человек окажется под линейным напряжением сети.

Если человек касается замкнувшего на землю проводника (рис 3,б), то ток через него намного меньше и определяется напряжением:

, (8)

Ток I_з находим без учета сопротивления человека из выражения аналогичного (3):

В сети с глухозаземлённой нейтралью при аварийном режиме (рис 4,б) ток через человека определяется напряжением фазных и нулевых проводников.

Определим ток I_з, считая что r_зм<< R_h.

, (9)

Тогда напряжение нейтрали и нулевого проводника

, (10)

Напряжение замкнувшегося на землю фазного проводника 1

. (11)

Рис.5 Векторная диаграмма для сети с глухозаземлённой нейтралью при замыкании фазного проводника L₁ на землю.

Напряжение на исправных фазных проводниках определим из векторной диаграммы (рис 5). Из треугольника 00'2 найдем:

, поскольку сos120⁰=-1/2, то

(12)

Рассмотрим два крайних случая, используя формулу (12):

1) r_з=0, тогда U₀=U_ф и U_2з=U_3з= U_ф;

2) r₀=0, тогда U₀=0 и U_2з=U_3з=U_ф

Таким образом при любых соотношениях между r₀ и r_з напряжения на исправных фазах будет определяться неравенством:

U_ф<(U_2з=U_3з)< U_ф

Зная напряжения на проводниках сети с глухозаземлённой нейтралью можно определить ток через человека. Например, при прикосновении к исправным фазным проводникам.

I_h=U_2з/R_h=U_3з/R_h

Применяемое оборудование

Схема лицевой панели стенда показана на рис. 4. Стенд позволяет моделировать любую из рассмотренных сетей трехфазного тока.

Вместо реально существующих распределенных сопротивлений изоляции и емкости проводов относительно земли на стенде предусмотрены сосредоточенные сопротивления (R1,R2,R3) и ёмкости (С1,С2,С3) меняя значения которых, можно получить сеть с нужными параметрами.

В схеме стенда имитируется подключение человека к каждому фазному проводнику сети и к нулевому проводнику. Сопротивление человека может устанавливаться равным 1, 5, 10 кОм.

Встроенный цифровой вольтметр (V) служит для контроля напряжений фазных проводов относительно земли.

Для измерения тока, протекающего через человека I_h служит миллиамперметр(mA), включенный между основанием на котором стоит человек и землей.

Рис.4. Схема лицевой панели стенда