Лабораторные работы по физике

    Исследование электробезопасности  трехфазных сетей

  переменного тока напряжением  до 1000 В

  Цель  работы – исследовать опасность  поражения электрическим током  промышленной частоты (50 Гц) в трехфазных сетях напряжением до 1000 В.

   Содержание  работы

   1. Исследование  опасности поражения током при  случайном прикосновении человека  к фазе в трехфазных сетях:  а) трехпроводной с изолированной  нейтралью; б) четырехпроводной  с глухозаземленной нейтралью.

  2. Исследование  эффективности применения метода  компенсации емкостных токов  в трехфазной сети с изолированной  нейтралью.

  Краткие теоретические сведения

   Все случаи поражения человека током являются результатом замыкания электрической  цепи через его тело или, иначе  говоря, результатом одновременного прикосновения человека к двум точкам цепи тока, между которыми существует напряжение – напряжение прикосновения.

   Опасность такого прикосновения, оцениваемая  величиной тока, проходящего через  тело человека I_ч, зависит от ряда факторов: схемы включения человека в цепь, напряжения сети, схемы самой сети, режима ее нейтрали, степени изоляции токоведущих частей фазных проводов сети (фаз) от земли, величины емкости фаз относительно земли и т. п.

   Для подключения  электроустановок напряжением до 1000 В применяют две схемы трехфазных электрических сетей: трехпроводную  с изолированной нейтралью и  четырехпроводную с глухозаземленной нейтралью (рис.8). 

  

Рис.8. Схемы  трехфазной сети: а – трехпроводной  с изолированной

 нейтралью;  б – четырехпроводной с глухозаземленной  нейтралью 

  Нейтралью называется нейтральная точка соединения обмоток источника питания, например, трехфазного трансформатора*. Обмотки источника в этом случае должны быть соединены в симметричную схему «звезда».

  Изолированной нейтралью называется нейтраль источника питания (трансформатора или генератора), не связанная с землей или связанная с заземляющим устройством через аппараты, имеющие большое сопротивление – индуктивные катушки; воздушные пробивные предохранители; трансформаторы напряжения.

  Глухозаземленной  нейтралью называется нейтраль генератора или трансформатора, присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление, (например, трансформатор тока).

  При эксплуатации трехфазных сетей наиболее характерными схемами включения  человека в цепь тока являются две  схемы: между двумя фазными проводами  – двухфазное включение; между фазным проводом (a, b или c) и землей – однофазное включение. Во втором случае предполагается наличие электрической связи между сетью и землей, например, через заземление нейтрали или несовершенную изоляцию проводов сети относительно земли.

   Двухфазное  включение, как правило, более опасно, поскольку к телу человека прикладывается наибольшее в данной сети напряжение – линейное U_л, а ток, проходящий через тело человека, оказываясь независимым от схемы сети, режима нейтрали и других факторов, имеет также наибольшее значение:

   

где U_л – линейное напряжение – напряжение между двумя фазными проводами сети, равное U_ф, В; U_ф – фазное напряжение – напряжение между началом и концом одной обмотки источника питания (трансформатора, генератора) или между фазным и нулевым N проводами, В; R_ч – электрическое сопротивление тела человека, Ом.

   Однофазное  включение, возникающее в случае прикосновения человека к фазе сети или к токопроводящему корпусу  электроустановки, на который замкнулась фаза, менее опасно, чем двухфазное, поскольку ток, проходящий через  тело человека, ограничивается влиянием многих факторов: сопротивления изоляции и емкости фазных проводов относительно земли, сопротивления пола, на котором  стоит человек, сопротивления обуви  и других факторов. Однако однофазное включение происходит значительно  чаще и является основной схемой, вызывающей поражение людей током.

   ________________________________

  * На рисунках показаны только  вторичные обмотки трансформаторов,  питающих рассматриваемые сети. Кроме того, распределенные по  длине провода сети активное  сопротивление изоляции и емкости  фаз относительно земли на  схемах представлены сосредоточенными  элементами R и С.

   Опасность поражения оценивается рядом  факторов, среди которых главное  место занимает величина тока, проходящего  через тело человека.

   Опасным неотпускающим считается переменный ток частотой 50 Гц силой 10 – 15 мА и  более. При прохождении такого тока через тело возникают судороги мышц, и человек не может самостоятельно разжать руку, в которой зажата токоведущая часть.

  Ток силой 25 – 50 мА приводит к нарушению  деятельности легких. При длительном воздействии этого тока – несколько  минут – возможно прекращение  дыхания и, вследствие этого, остановка  сердца.

  Ток силой 100 мА и более уже через 1 – 2 с может вызвать фибрилляцию  сердца – хаотическое разновременное сокращение волокон сердечной мышцы (фибрилл), в результате сердце перестает  нормально сокращаться, и кровообращение в организме прекращается, что  может стать причиной смертельного исхода.

   В сетях напряжением до 1000 В при  однофазном включении человека величина тока, проходящего через его тело, а следовательно и опасность  поражения, зависят, прежде всего, от режима нейтрали сети: заземлена нейтральная  точка источника питания или  нет, а также от активной и емкостной  проводимостей между фазными  проводами (а, b, с) и землей.

  В трехфазных сетях с глухозаземленной нейтралью потенциал нейтральной  точки источника питания близок к потенциалу земли. Поэтому при  нормальном режиме работы сети в случае однофазного включения (рис.9) человек  попадает под фазное напряжение U_ф и сила тока, проходящего через тело человека и заземленную нейтраль, будет

  

где r_о – сопротивление заземления нейтрали, Ом.

                 

        Рис. 9. Прикосновение  человека к фазе трехфазной

     четырехпроводной  сети с глухозаземленной нейтралью

  Как правило, в сетях напряжением  до 1000 В сопротивление заземления нейтрали r_о ≤ 10 Ом; сопротивление же тела человека R_ч в расчетах принимают равным 1000 Ом. Следовательно, без большой ошибки в уравнении можно пренебречь значением r_о и считать, что при прикосновении человека к одной из фаз сети с глухозаземленной нейтралью ток, проходящий через его тело, равен

  

  В рассмотренном случае большое значение для уменьшения опасности поражения  током будет иметь сопротивление  обуви r_об и сопротивление пола r_п, так как они включаются последовательно с сопротивлением тела человека. С учетом этих сопротивлений формула для тока принимает вид:

   

   При однофазном включении человека в  трехфазную сеть с изолированной  нейтралью (рис. 10) ток протекает  от места контакта, как и ранее, через руку, тело, обувь, пол и  одновременно – через несовершенную  изоляцию фазных проводов к двум другим фазам сети.

  Если  обувь и пол токопроводящие, то в трехфазной сети с изолированной  нейтралью величину тока, проходящего  через тело человека, при прикосновении  к одной из фаз сети в период ее нормальной работы определяют следующим  выражением

  

где r – активное сопротивление изоляции проводов (фаз) относительно земли, Ом; С – емкость проводов (фаз) относительно земли, Ф.

   Для упрощения сопротивление изоляции и емкость фазных проводов се-ти  относительно  земли  приняты  равными  между собой:  r_а = r_b = r_с = r;  С_а = С_b = С_с = С.

                  

   Рис.10. Схема однофазного включения  человека в трехфазную

   трехпроводную сеть с изолированной нейтралью

  В воздушных сетях небольшой протяженности  емкость проводов относительно земли  мала, т.е. С ≈ 0. В этом случае сила тока, проходящего через тело человека, будет

  

  В кабельных сетях большой протяженности  емкость проводов С относительно земли значительна. В таких сетях, если активное сопротивление изоляции весьма велико  (r ≈ ∞), то уравнение (5.5) примет вид

   

  Из  выражения (5.6) видно, что в сетях  с изолированной нейтралью опасность  для человека, прикоснувшегося к  одной из фаз в период нормальной работы сети, зависит от величины сопротивления  изоляции проводов r: с увеличением сопротивления опасность уменьшается. Поэтому в таких сетях необходимо обеспечивать высокое качество изоляции и ее контроль.

  Согласно  Правилам устройства электроустановок (ПУЭ), сопротивление изоляции новых  силовых и осветительных электропроводок  напряжением до 1000 В относительно земли должно быть не менее 0,5 МОм.

  Однако  защитная роль изоляции в обеспечении  безопасности утрачивается при прикосновении  к фазе в сетях с большой  емкостью проводов относительно земли [cм. уравнение (5.7)]. Если емкость проводов С велика, и, следовательно, емкостное сопротивление x_C , равное x_C = 1/ωС, мало, то ток, проходящий через тело человека, может оказаться опасным для жизни.

  Анализ  формул (5.3) и (5.6) показывает, что величина тока, протекающего через тело человека, при однофазном включении его  в сеть с изолированной нейтралью  гораздо меньше, чем в сеть с  глухозаземленной нейтралью, так как  величина сопротивления изоляции проводов r достаточно велика по сравнению с величиной сопротивления заземления нейтрали r_о.

   При наличии возможности непрерывного или периодического контроля за состоянием изоляции отдают предпочтение сетям  с изолированной нейтралью, в  противном случае – четырехпроводным трехфазным сетям с глухозаземленной нейтралью.

  В целях уменьшения опасности поражения  током при обслуживании и эксплуатации электроустановок необходимо: покрывать  токопроводящий пол (бетонный, кирпичный, металлический) линолеумом; надевать обувь  на резиновой подошве, применять  на рабочем месте изолирующие  подставки и резиновые коврики; использовать при работе монтерский инструмент с изолированными рукоятками; поддерживать влажность и температуру  воздуха в помещении, от которых  зависит величина электрического сопротивления  тела человека, не выше допустимых значений.

  Компенсация емкостных токов

  В сети с изолированной нейтралью  сила тока, проходящего через тело человека, при однофазном включении, как было отмечено выше, зависит  не только от сопротивления изоляции r, но и от емкости проводов относительно земли С [см. уравнение (5.5)].

  В кабельных и разветвленных сетях  большой протяженности емкость  проводов относительно земли весьма значительна. Следовательно, в таких  сетях емкостное сопротивление  x_C  мало и при случайном прикосновении к фазе сила тока, проходящего через тело человека, I_ч [см. уравнение (5.7)] может достигать опасной величины даже, если сопротивление изоляции проводов r принять бесконечно большим (r ≈ ∞).

  В целях обеспечения безопасности при случайном прикосновении  человека к одной из фаз сети, обладающей большой емкостью проводов относительно земли, уменьшают величину тока, проходящего через тело I_ч, за счет компенсации емкостной составляющей тока I_С с помощью индуктивной катушки L_к, включаемой между нейтральной точкой источника питания и землей (рис. 11).

               

                Рис.11. Схема компенсации емкостного тока: