Анализ электробезопасности трехфазных сетей переменного тока напряжением до 1000 в

Анализ электробезопасности

Трехфазных сетей переменного тока напряжением до 1кВ

И оценка работоспособности устройства защитного отключения

Цель работы:

Оценить опасность прямого прикосновения человека к фазным проводам электрических сетей напряжением до 1 кВ. Определить влияние активного сопротивления изоляции и емкости фазных проводов относительно земли на опасность поражения человека электрическим током при нормальном и аварийном режимах работы двух типов сети.

Оценить эффективность устройства защитного отключения (УЗО) , реагирующего на дифференциальный (остаточный) ток в сетях с заземленной и изолированной нейтралью напряжением до 1 кВ.

Общие сведения

Электроустановки напряжением до 1 кВ в отношении мер электробезопасности разделяются на:

электроустановки в сетях с глухозаземленной нейтралью;

электроустановки в сетях с изолированной нейтралью.

Электроустановки напряжением до 1 кВ жилых, общественных и промышленных зданий и наружных установок должны, как правило, получать питание от источника с глухозаземленной нейтралью с применением системы TN.

Питание электроустановок напряжением до 1 кВ переменного тока от источника с изолированной нейтралью с применением системы IT следует выполнять, как правило, при недопустимости перерыва питания при первом замыкании на землю или на открытые проводящие части, связанные с землей.

Условия безопасности человека при прямом прикосновении в системе с глухим заземлением нейтрали определяются в основном сопротивлением рабочего заземления нейтрали R₀ и практически не зависят от сопротивлений и ёмкостей фаз относительно земли.

Это объясняется тем, что сопротивление рабочего заземления нейтрали R₀ значительно меньше сопротивлений фазных и нулевого проводов относительно земли. Поэтому основная величина тока через тело человека протекает по пути “фаза – человек – земля – рабочее заземление – нейтраль источника электроэнергии”, тогда как другие пути тока, как правило, малозначимые. Таким образом, ток, протекающий через тело человека, и напряжение прикосновения практически не зависят ни от сопротивления, ни от ёмкости фаз относительно земли (рис.1, 2).

Рисунок 1 – Путь тока через тело человека.

Рисунок 2 — Векторные диаграммы напряжений в режиме однофазного прикосновения:

а) – в сети с изолированной нейтралью при малой емкости фаз относительно земли,

б) – в сети с глухозаземленной нейтралью,

в) — в сети с изолированной нейтралью при замыкании фазы В на землю,

г) — в сети с глухозаземленной нейтралью при замыкании фазы В на землю.

При замыкании в трёхфазной сети с глухозаземленной нейтралью какой-либо фазы на землю, напряжение между фазным проводом, к которому может случайно прикоснуться человек, и землёй за счет сопоставимости относительно больших проводимостей заземления нейтрали и замыкания фазы отличается от фазного. Напряжение прикосновения к неповрежденной фазе увеличивается по сравнению с фазным, но может скорее всего быть ближе к фазному, чем к линейному. Соответственно напряжение прикосновения к поврежденной фазе получается ниже фазного.

Основными достоинствами сетей с изолированной нейтралью являются:

повышенная надежность электроснабжения, связанная с отсутствием перерыва питания при первом замыкании на землю,

повышенные условия пожаробезопасности, связанные с ограничивающим величину тока замыкания на землю действием сопротивления электрической изоляции сети относительно земли,

меньшая опасность поражения электрическим током при однофазном прикосновении человека как к корпусам электроустановок с поврежденной изоляцией, так и непосредственно к токоведущим частям.

В случае однофазного прикосновения человека к токоведущим частям в сети с изолированной нейтралью напряжение фазы по отношению к земле, первоначально равное фазному напряжению, сразу же уменьшится и станет меньше фазного. Человек своим включением в цепь тока как бы “замыкает” фазу на землю. Насколько ему удастся уменьшить разность потенциалов между фазой и землёй зависит от соотношения величин полных (комплексных) сопротивлений фаз относительно земли и сопротивления тела человека.

При замыкании в трёхфазной сети с изолированной нейтралью фазы на землю напряжение между фазным проводом, к которому может случайно прикоснуться человек, и землёй после исключения относительно малых проводимостей неповрежденных фаз относительно земли по сравнению с проводимостью замыкания может существенно отличаться от фазного.

Устройства защитного отключения

Для защиты человека при прямом и косвенном прикосновении к токоведущим частям за счёт снижения времени воздействия тока можно использовать и успешно используются устройства защитного отключения (УЗО).

В настоящее время УЗО является одним из наиболее эффективных электрозащитных средств. Количество УЗО, установленных на самых разных объектах, стремительно увеличивается.

«Правила устройства электроустановок» (ПУЭ), ГОСТ Р 50571.3-94, требуют применение УЗО в электроустановках строящихся и реконструируемых зданий, предлагают питание передвижных и переносных электроприемников напряжением 380/220В в особоопасных условиях эксплуатации через разделительные трансформаторы в сочетании с защитным отключением. Применение УЗО в цепях питания установок, допускающих перерывы электроснабжения, стало обязательным требованием Российского Морского Регистра Судоходства для некоторых классов судов.

По своему принципу УЗО является быстродействующим защитным устройством, автоматически отключающим электроустановку от сети в случае возникновения утечки тока на землю в данной электроустановке, в том числе и при прикосновении человека к токоведущимчастям. В основе действия защитного отключения, как способа защиты, лежит принцип ограничения (за счет быстрого отключения) продолжительности протекания тока через тело человека. УЗО, предназначенные для отключения электроустановок при прикосновении человека к частям, находящимся под напряжением, должны иметь такие характеристики, чтобы при использовании УЗО в качестве единственного средства защиты или совместно с другими средствами, ток через человека (напряжение прикосновения) и время действия тока в интервале до 1 с не превышали значений, установленных ГОСТ 12.1.038-82 (см. таблицы 1 и 2).

С учетом особенностей обеспечения электробезопасности в сетях различного вида Правилами устройства электроустановок конкретизированы требования к быстродействию УЗО в зависимости от уровня рабочего напряжения (см. таблицы 3-4).

Существуют УЗО, имеющие самые различные принципы действия, например, реагирующие на напряжение корпуса относительно земли, ток утечки, ток или напряжение нулевой последовательности, фазовые соотношения между током и напряжением нулевой последовательности, оперативный ток (постоянный, переменный непромышленной частоты), накладываемый на рабочий ток электроустановки и др.

В конструкции УЗО обязательно должна быть предусмотрена возможность периодической проверки его исправности в условиях эксплуатации, например, путем имитирования однофазного повреждения изоляции в защищаемом участке сети.

Таблица 1 — Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов при аварийном режиме производственных электроустановок напряжением до 1000 В с глухозаземленной или изолированной нейтралью и выше 1000 В с изолированной нейтралью.

Предельно допустимые значения, не более, при продолжительности воздействия тока t, с

Источник

Лабораторная работа 1

3-ФАЗНЫХ СЕТЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

1.1. Исследование опасности поражения человека электрическим током в 3-фазной сети с изолированной нейтралью при однополюсном прикосновении к одной из фаз.

1.2. Исследование опасности поражения человека электрическим током в 3-фазной сети с глухозаземленной нейтралью при однополюсном прикосновении к одной из фаз.

1.3. Исследование опасности поражения человека электрическим током в 3-фазной сети с изолированной и глухозаземленной нейтралью при двухполюсном прикосновении.

2.1. Теоретическая часть, выводы, контрольные вопросы, список литературы [3, 4].

2.2. Экспериментальная часть, выводы.

2.3. Составление отчета и защита проделанной работы.

3.1. Характеристика электрических сетей.

Электрические сети с напряжением до 1000 В подразделяют по количеству проводов:

однопроводные (второй провод – рельс, «земля»);

двухпроводные – сети постоянного и переменного однофазного тока;

трехпроводные – сети 3-фазного переменного тока с глухозаземленной (рис. 1, а) и изолированной (рис. 1, б) нейтралью;

пятипроводные – сети переменного 3-фазного тока с глухозаземленной нейтралью, нулевым рабочим N и защитным РЕ проводами (рис. 2).

Рис. 1. Трехпроводная 3-фазная сеть переменного тока

с глухозаземленной (а) и изолированной (б) нейтралью

Рис. 2. Пятипроводная 3-фазная сеть переменного тока

с глухозаземленной нейтралью, нулевым рабочим N

При анализе электробезопасности сетей и электроустановок с напряжением до 1000 В и протяженностью до 1 км емкостью фазных проводов пренебрегают.

Векторные диаграммы напряжений 3-фазной сети переменного тока приведены на рис. 3.

Рис. 3. Векторные диаграммы напряжений 3-фазной сети переменного тока:

а – нормальный режим работы, т. е. сопротивления

изоляции фазных проводов находятся в исправном состоянии;

б – частичное замыкание фазного провода на «землю»;

в – полное замыкание провода на «землю»

Из векторной диаграммы следует, что при исправной сети фазные напряжения U_A, U_B, U_C равны между собой (рис. 3, а) и являются фазными напряжениями U_ф, угол сдвига фаз равен 120 о . Напряжения U_AB, U_BC, U_CA равны между собой и представляют собой линейные напряжения U_л. Линейные и фазные напряжения связаны между собой зависимостью:

U_л = U_ф = 1,73U_ф.

В случае если сопротивление одного из фазных проводов относительно «земли» уменьшается, то нулевая точка сдвигается по вектору соответствующего фазного напряжения (рис. 3, б), напряжение данной фазы уменьшается, а напряжения двух других фаз увеличиваются и стремятся к линейному. Если же сопротивление фазного провода равно нулю (замыкание на «землю»), то и напряжение этой фазы равно нулю, а напряжения двух других фаз становятся равными линейному (рис. 3, в).

3.2. Электрический ток и его опасность для человека.

Опасность воздействия электрического тока на человека зависит от сопротивления тела человека и величины приложенного к нему напряжения, силы тока, проходящего через тело, длительности его воздействия, пути прохождения, рода и частоты тока, индивидуальных свойств человека и факторов окружающей среды.

По опасности воздействия на человека и в зависимости от величины различают токи:

ощутимые, вызывающие первые ощущения воздействия тока (переменный ток от 0,6 до 1,5 мА и постоянный от 5 до10 мА);

отпускающие, при которых человек способен самостоятельно освободиться от контакта с токоведущими частями (переменный ток – не более 10 мА и постоянный ток не более 50 мА);

неотпускающие, при которых человеку необходима помощь для освобождения от токоведущих частей (переменный ток более 10 мА и постоянный ток более 50 мА);

фибрилляционные, вызывающие некоординированные сокращения мышц сердца (фибрилляцию), ведущие к прекращению кровообращения (переменный ток от 100 мА до 5А и постоянный ток от 300 мА до 5А);

Опасной величиной тока, протекающего через внутренние органы человека, можно считать для переменного тока 10 мА и для постоянного тока 50 мА.

Смертельным для человека считается ток, проходящий через внутренние органы человека величиной 100 мА и выше при воздействии 0,5 с и более!

В общем случае при любом прикосновении человека к электрической сети величина тока, протекающего через тело человека, зависит от напряжения сети, схемы электрической сети (режима включения нейтральной точки трансформатора), сопротивления изоляции и величины емкости токонесущих проводов относительно «земли».

3.3. Электрическое сопротивление тела человека.

Общее электрическое сопротивление тела человека R_h определяется сопротивлениями кожного покрова и внутренних органов.

Электрическое сопротивление кожного покрова неодинаково у разных людей и неодинаково на различных частях поверхности тела одного и того же человека, зависит от физических параметров окружающей среды и состояния организма человека.

Сопротивление кожного покрова тела человека зависит от следующих основных факторов:

состояния кожи (чистая, грязная, влажная, сухая);

места приложения электродов;

величины поверхности прикосновения к электродам и плотности контакта с поверхностью;

длительности прохождения тока.

При сухой неповрежденной коже электрическое сопротивление тела человека составляет непостоянную величину и колеблется в пределах R_h = 10. 100 кОм. При повреждении верхнего слоя сопротивление тела человека снижается и приближается к сопротивлению его внутренних органов R_h = 600…800 Ом. Сопротивление тела человека падает при увеличении значения тока и длительности его прохождения.

Повышение напряжения, приложенного к телу человека, уменьшает в десятки раз сопротивление кожи, а следовательно, и полное сопротивление тела, которое приближается к своему наименьшему значению 300–500 Ом. Это объясняется пробоем рогового слоя кожи, ростом тока, проходящего через кожу, и другими факторами.

Род тока и частота также влияют на значение электрического сопротивления. При частотах 10–20 кГц наружный слой кожи практически утрачивает сопротивление электрическому току.

Для экспериментальных расчетов сопротивление тела человека принято равным 1000 Ом.

Напряжением прикосновения называется напряжение между двумя открытыми проводящими частями при одновременном прикосновении к ним человека, а также напряжение между открытой проводящей частью, к которой прикасается человек, и местом на поверхности локальной земли или проводящего пола, на котором стоит человек.

Замыканием на землю называется случайное или преднамеренное (например, при срабатывании короткозамыкателя) возникновение проводящей цепи между находящейся под напряжением токоведущей частью и землей или не изолированной от земли проводящей частью.

Замыканием на корпус называется случайное соединение находящихся под напряжением частей электроустановки с их конструктивными частями, нормально не находящимися под напряжением.

Шаговым напряжением называется напряжение между двумя точками на поверхности локальной земли или проводящего пола, находящимися на расстоянии 1 м одна от другой (применительно к человеку), которое рассматривается как длина шага человека.

Током замыкания на «землю» называется ток, стекающий на «землю» через место замыкания провода с «землей».

3.5. Сеть с глухозаземленной нейтралью.

Заземленная нейтраль − это соединение средней точки вторичной обмотки трансформатора с заземляющим устройством Т, обладающим сопротивлением R_T (рис. 4).

Рис. 4. Однополюсное прикосновение человека

к неповрежденной 3-фазной сети с глухозаземленной нейтралью

Однополюсное прикосновение человека

к неповрежденной 3-фазной сети с глухозаземленной нейтралью

Согласно нормам сопротивление заземления нейтрали R_T не превышает 4 Ом, что существенно меньше сопротивлений изоляции проводов R_A, R_B, R_C и реактивных сопротивлений фаз С_А, С_В, С_С относительно «земли», а поэтому при определении величины тока I_h, протекающего через тело человека в случае однополюсного прикосновения, сопротивлениями изоляции проводов R_A, R_B, R_C относительно «земли» пренебрегают, и ток I_h, протекающий через тело человека при однополюсном прикосновении к 3-фазной неповрежденной сети с глухозаземленной нейтралью, определяется по формуле

Поскольку сопротивление заземления R_T существенно меньше сопротивления тела человека R_h, сопротивлением R_T пренебрегаем и тогда ток через тело человека определяется по формуле

При однополюсном прикосновении человека к одной из фаз 3-фазной сети с глухозаземленной нейтралью он практически попадает под фазное напряжение U_ф, и ток через тело человека I_h не зависит от сопротивления заземления R_T, сопротивлений изоляции проводов R_A, R_B, R_C и емкости фазных проводов С_А, С_В, С_С относительно «земли». Электробезопасность человека существенно повышает сопротивления обуви R_о и пола R_п, которые последовательно складываются с сопротивлением тела человека R_h. В этом случае ток через тело человека I_h определяется выражением

Двухполюсное прикосновение человека

к неповрежденной 3-фазной сети

с глухозаземленной нейтралью

Из рис. 5 видно, что человек находится под линейным напряжением U_л, и ток через тело человека I_h протекает по цепи «рука – рука».

В этом случае величина тока I_h, протекающего через тело человека, зависит от величины линейного напряжения U_л, сопротивления тела человека R_h и определяется по формуле

В этом случае сопротивления обуви R_о, пола R_п не оказывают влияния на величину тока I_h, протекающего через тело человека.

Рис. 5. Двухполюсное прикосновение человека

к неповрежденной 3-фазной сети с глухозаземленной нейтралью

3.6. Сеть с изолированной нейтралью.

Изолированная нейтраль представляет собой неизолированный (голый) провод, соединяющий нулевую точку вторичной обмотки трансформатора через пробивной предохранитель F, приборы сигнализации (приборы, имеющие большое внутреннее сопротивление) с «землей» (рис. 1, б).

В 3-фазных сетях с изолированной нейтралью величина тока I_h, протекающего через тело человека, прикоснувшегося к фазному проводу, зависит от напряжения сети, сопротивлений изоляции R_A, R_B, R_C и емкости фазных проводов С_А, С_В, С_С относительно «земли». Емкость фазных проводов С_А, С_В, С_С относительно «земли» определяется удельным сопротивлением диэлектриков, длиной проводов и конструкцией сети (воздушные или кабельные линии электропередачи).

При анализе опасности поражения человека электрическим током различают сети, в которых емкость мала и не оказывает влияния на величину поражающего тока, и сети с большой емкостью, при которых увеличивается опасность поражения человека.

К электрическим сетям с малой емкостью относятся сети с напряжением до 1000 В протяженностью:

воздушные линии практически любой длины;

Так как емкость сети относительно «земли» мала, она в расчетах не учитывается.

К электрическим сетям с большой емкостью относятся:

кабельные линии напряжением до 1000 В и длиной более 1 км;

кабельные и воздушные линии электропередачи с напряжением выше 1000 В при любой их длине.

Однополюсное прикосновение человека к неповрежденной сети

с изолированной нейтралью и малой емкостью

При анализе опасности прикосновения человека к фазе в сетях небольшой протяженности емкостью фазных проводов С_А, С_В, С_С относительно «земли» пренебрегают и полагают С_А = С_В = С_С = 0.

Рис. 6. Однополюсное прикосновение человека к неповрежденной сети

с изолированной нейтралью и малой емкостью относительно «земли»

Прикосновение человека к одной из фаз сети, например к фазе С, создает электрическую цепь замыкания тока через тело человека, «землю» и сопротивления изоляции фаз А и В.

В этом случае имеют место уравнения

В случае прикосновения человека к фазе С сопротивление этой фазы относительно «земли» уменьшается (параллельное включение сопротивлений тела человека R_h и сопротивления изоляции R_С фазного провода) и приближается к сопротивлению тела человека R_h, в результате нарушается симметрия системы и происходит перераспределение фазных напряжений по отношению к «земле» (рис. 3, б).

Из векторной диаграммы напряжений видно, что напряжение этой фазы уменьшается, а напряжение двух других фаз увеличивается. Нулевая точка источника относительно «земли» перемещается из точки «0» в точку «0–0₁» (рис. 3, б).

Учитывая, что фазные напряжения равны между собой, величина напряжения в точке «0–0₁» определяется по формуле

и ток, протекающий через тело человека, определяется выражением

где R_и – сопротивление изоляции фазных проводов относительно «земли».

Так как U_С = U_ф, то ток I_h, протекающий через тело человека, определяется по формуле

Итак, в случае прикосновения к одному из фазных проводов 3-фазной сети с изолированной нейтралью человек находится под защитой сопротивлений изоляции фазных проводов R_A, R_B, R_C относительно «земли» и сопротивлений обуви R_о и пола R_п. При хорошей изоляции проводов прикосновение человека к одной из фаз в сетях с изолированной нейтралью и напряжением до 1000 В практически считается безопасным. В процессе эксплуатации изоляция токоведущих частей может понизиться и оказаться в аварийном состоянии. В этом случае опасность поражения человека электрическим током резко возрастает.

Однополюсное прикосновение человека к 3-фазной сети

с изолированной нейтралью при замыкании

одной из фаз на «землю» (рис. 7)

В случае замыкания одной из фаз на «землю» человек, касаясь неповрежденной фазы, практически попадает под линейное напряжение, и ток, проходящий через тело человека, определяется по формуле

Рис. 7. Однополюсное прикосновение человека к 3-фазной сети

с изолированной нейтралью при замыкании одной из фаз на «землю»

Защитную роль в данном случае могут сыграть сопротивления обуви R_o и пола R_п. С учетом этих сопротивлений ток I_h, проходящий через тело человека, определяется по формуле

Двухполюсное (двухфазное) прикосновение человека к 3-фазной сети

с изолированной нейтралью (рис. 8)

Величина тока, протекающего через тело человека, определяется только линейным напряжением, под которое попадает человек, сопротивлением тела человека и определяется по формуле

Рис. 8. Двухполюсное прикосновение человека

к 3-фазной сети переменного тока с изолированной нейтралью

В этом случае параметры сети, кроме напряжения, определяющие величину тока I_h, протекающего через тело человека, влияния не оказывают.

1. Наиболее опасным является двухполюсное прикосновение, при котором, независимо от режима нейтрали, человек оказывается под линейным напряжением U_л. В этом случае сопротивления изоляции фазных проводов R_A, R_B, R_C, пола R_п и обуви R_o не оказывают защитного действия.

2. При однополюсном прикосновении к сети с заземленной нейтралью человек практически всегда оказывается под фазным напряжением U_ф.

3. При однополюсном прикосновении человека в сети с изолированной нейтралью опасность прикосновения определяется параметрами связи сети с «землей». Напряжение прикосновения, воздействующее на человека, изменяется от нуля, в случае идеальной изоляции фазных проводов и малой емкости фаз относительно «земли», до линейного напряжения U_л в случае замыкания одной из фаз на «землю».

4. Для обеспечения электробезопасности рекомендуется применять сети:

с изолированной нейтралью в коротких и малоразветвленных сетях, позволяющих вести постоянный контроль и надзор за электрооборудованием и обеспечивать высокий уровень сопротивления изоляции токонесущих проводов относительно «земли»;

с глухозаземленной нейтралью в длинных разветвленных линиях электропередачи, в которых сложно обеспечить постоянный контроль состояния изоляции.

5. В 5-проводных сетях с нулевым рабочим N и защитным PE проводами всегда необходимо заземлять нейтраль.

Источник