Лабораторные работы по физике

   Защитное  заземление электроустановок, согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ), следует выполнять: при напряжении 380 В и выше переменного и 440 В  и выше постоянного тока во всех случаях; в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных при  напряжении 42 В и выше переменного  и 110 В и выше постоянного тока; во взрывоопасных помещениях независимо от величины напряжения.

   Для заземления используют заземляющее  устройство (рис. 5).

   Заземляющим устройством называется совокупность заземлителя – металлических проводников 7, находящихся в непосредственном соприкосновении с землей, и заземляющих проводников 3, соединяющих заземляемые части электроустановки 1 с заземлителем.

   Так как по условиям безопасности необходимо снижать сопротивление заземления R_з (Ом), то в практике используется, как правило, групповой заземлитель, состоящий из нескольких конструктивно объединенных одиночных заземлителей, которые могут располагаться в один ряд или по контуру. 

         

            Рис. 5. Заземляющее  устройство и кривая распределения 

               потенциала на поверхности  защищаемой площадки:

         1 – электроустановка; 2 – заземляющий болт; 3 – заземляющий 

         проводник;  4 –  магистраль  заземления;  5 – соединительный

         проводник;  6 –  полоса;  7 – заземлители (электроды) 

   В зависимости от места расположения заземлителя относительно заземляемого оборудования различают два типа заземляющих устройств: выносное и  контурное.

   Заземлители выносного заземляющего устройства располагают сосредоточенно за пределами площадки, на которой установлено заземляемое оборудование, т. е. вне здания. Поскольку заземленное оборудование располагается за пределами зоны растекания тока – на расстоянии более 20 м от выносного заземлителя, то в случае замыкания на корпус человек, прикоснувшись к оборудованию, попадает под максимальное напряжение прикосновения U_пр = φ_к = I_з R_з. Поэтому выносное заземляющее устройство применяется только при малых токах замыкания на землю I_з, когда напряжение на корпусе (напряжение прикосновения) не превышает допустимой величины.

   В контурном заземляющем устройстве заземлители 7 (см. рис. 5), соединенные между собой стальными горизонтальными полосами 6 сваркой, размещают по периметру (контуру) площадки, на которой находится заземляемое оборудование, или заземлители распределяют по всей защищаемой площадке по возможности равномерно.

  При использовании контурного заземляющего устройства в случае замыкания на корпус электроустановки происходит стекание тока в землю со всех заземлителей одновременно, и на поверхности площадки появляется потенциал φ (В). В результате наблюдается частичное выравнивание потенциалов корпуса оборудования и поверхности площадки, где находятся работающие, и одновременно достаточно равномерное распределение потенциалов на поверхности (см. рис.5).

  График  распределения потенциалов на поверхности  защищаемой площадки получили, просуммировав  потенциалы от каждого заземлителя  в отдельности.

   При размещении заземлителей на расстоянии не более 8 – 10 м друг от друга максимальные значения напряжения прикосновения в этом случае не превышают допустимых значений (табл.2).

         Таблица 2

   Предельно допустимые уровни напряжений прикосновения  и токов при аварийном режиме производственных электроустановок переменного  тока частотой 50 Гц  

 

  Заземлители применяют естественные или искусственные.

  В качестве естественных заземлителей можно использовать: различные металлоконструкции зданий, имеющие соединение с землей; арматуру железобетонных конструкций; проложенные в земле свинцовые оболочки кабелей, водопроводные и другие металлические трубы, за исключением трубопроводов для горючих жидкостей, горючих или взрывоопасных газов, а также трубопроводов, покрытых изоляцией для защиты от коррозии.

   Для искусственных заземлителей применяют обычно вертикальные и горизонтальные электроды. В качестве вертикальных электродов используют заложенные в землю стальные трубы, стальные уголки, металлические стержни, стальные прутки и т. п. Для соединения вертикальных электродов

используют  полосовую сталь или круглые  стальные прутки.

   Согласно  требованиям ПУЭ сопротивление  защитного заземления в любое  время года не должно превышать:4 Ом – в установках напряжением до 1000 В; если мощность источника тока 100 кВА и менее, то сопротивление  заземляющего устройства допускается 10 Ом.

   Контроль  сопротивления заземляющего устройства проводят перед вводом заземления в  эксплуатацию и периодически, но не реже одного раза в год при наибольшем промерзании и подсыхании грунта.

 Описание  лабораторного стенда

    Лабораторный  стенд представляет собой модель электрической сети с источником питания, электропотребителями, средствами защиты, измерительными приборами. Лицевая  панель стенда представлена на рис.6.

    В стенде в качестве источника питания  используется трехфазный трансформатор. Стенд включается выключателем S 2 – положение I. При этом загораются индикаторы (желтого, зеленого и красного цветов), расположенные на фазных проводах А, В, С.

    Режим нейтрали сети изменяется переключателем S 1, причем правое положение ручки переключателя соответствует режиму заземленной нейтрали, а левое положение – режиму изолированной нейтрали. Нейтральная точка источника питания заземляется через сопротивление R_о = 4 Ом.

    Сопротивления фазных проводов сети А, В, С и N-проводника относительно земли смоделированы сосредоточенными сопротивлениями R_А, R_В, R_С, R_N . В стенде моделируется только активная составляющая полного сопротивления фазных проводов относительно земли, причем рассматривается случай симметричной проводимости проводов т. е. R_А = R_В = R_С = R_N. Значения указанных сопротивлений изменяются переключателем S 18.

   Электроустановки (электропотребители) на мнемосхеме показаны в виде их корпусов 1, 2, 3. Электроустановки «Корпус 1» и «Корпус 2» являются трехфазными и подключаются к сети через автоматические выключатели S 5 и S 10 соответственно. Положение рукоятки выключателей – I означает включение автоматов, при этом напряжение подается на электроустановки. Для питания током однофазной электроустановки «Корпус З» к нейтрали источника питания с помощью выключателя S 3 подключается нулевой рабочий провод (N-проводник).

   Переключатель S 4 предназначен для подключения к нейтрали источ-ника питания нулевого защитного проводника (РЕ-проводника).

   Лабораторный  стенд позволяет моделировать два  способа защиты человека в случае электрического замыкания фазного  провода на корпус электроустановки: защитное заземление и зануление.

    Подключение корпусов 1 и 2 к заземляющим устройствам с сопротивлениями R 31, R 32 осуществляется с помощью переключателей S 9 и S 15 соответственно. Сопротивление защитного заземления «Kорпуса 1» R 31 является постоянным и равным 4 Ом. Сопротивление заземления «Kорпуса 2» R 32 – 4; 10 и 100 Ом устанавливается с помощью переключателя S 11.

                  

   Моделирование замыкания фазных проводов на корпуса 1 и 2 осуществляется кнопками S 7 и S 13 соответственно, причем на «Kорпус 1» замыкается фазный провод А, на «Kорпус 2» – фазный провод В.

   Лабораторный  стенд имеет три измерительных  прибора: цифровой вольтметр с диапазоном измерения от 0 до 2000 В; цифровой амперметр с диапазоном измерения от 0 до 2000 А; цифровой миллисекундомер с диапазоном измерения от 0 до 999 мс.

   Амперметр включается в цепь тока с помощью  переключателя, находящегося под индикатором. При соответствующем подключении  амперметра загорается лампочка, указывающая  на место подключения прибора. Положение  переключателя «ОТКЛ» означает отсутствие амперметра в цепях стенда. В положении А1 измеряется ток короткого замыкания; в положении А2 – ток, стекающий с заземлителя «Kорпуса 2»; в положении АЗ – ток замыкания на землю через повторное заземление РЕ-проводника.

   Вольтметр включается с помощью гибких проводников  с наконечниками в измерительные  цепи через гнезда X 1,…, X 15, установленные в соответствующих точках схемы, с одной стороны и в гнезда «ВХОД» – с другой.

   ВНИМАНИЕ!

   1. При измерении напряжения переключатель  амперметра должен находиться  в положении «ОТКЛ».

   2. Для устранения режима замыкания  фазных проводов на корпуса  1 и 2 необходимо нажать на кнопку  «СБРОС» и удерживать ее в  таком состоянии не менее 20 с.

  Порядок выполнения работы

  З а д а н и е  № 1. Исследовать  эффективность действия защитного  заземления в трехфазной сети с изолированной  нейтралью.

   1. Изолировать нейтраль источника  питания – перевести переключатель  S 1 в левое положение.

   2. Отключить N и PE - проводники – перевести переключатели S 3 и S 4 в нижнее положение.

   3. Установить значение активных  сопротивлений изоляции фазных  проводов переключателем S 18, равное 5 кОм.

   4. Убедиться, что:

   - переключатели S 8, S 14, S 17, S 9, S 15 находятся в левом положении;

   - переключатель S 12 – в положении «вниз»;

   - автоматические выключатели S 5 и S 10 – в положении 0;

   - переключатель амперметра в положении  «ОТКЛ».

   5. Включить стенд – перевести  выключатель S 2 в положение I, при этом загораются лампы на фазных проводах.