новая папка 1 / 287419

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

В.В. Тупов

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЩИТНОГО ЗАНУЛЕНИЯ

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине

«Безопасность жизнедеятельности»

Москва

2014

Цель лабораторной работы — исследовать защитное дей-

ствие системы зануления нормально не находящихся под напряжением токопроводящих частей электропотребителей, питающихся от трехфазной пятипроводной сети с заземленной нейтралью напряжением до 1 кВ.

После выполнения лабораторной работы студенты смогут:

экспериментальным путем убедиться, что зануление эффективно реализует защитные функции в сетях с заземленной нейтралью;

проверить на опыте действие защитного зануления в случае пробоя фазы сети на корпус зануленного оборудования;

выявить факторы, определяющие надежность функционирования защитного зануления;

убедиться в необходимости нулевого защитного проводника

иего повторного заземления в системе зануления;

определить экспериментально время срабатывания автоматического выключателя и напряжение на зануленных корпусах оборудования в зависимости от повторного сопротивления и сопротивления защитного проводника сети;

исследовать влияние повторного заземления нулевого защитного проводника на время срабатывания автоматического выключателя и напряжение на зануленных корпусах электрооборудования;

выполнить необходимые измерения параметров системы защитного зануления, провести анализ полученных результатов и сформулировать выводы по работе.

3

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Защитное зануление в электроустановках напряжением до

1 кВ — преднамеренное соединение открытых проводящих частей с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, заземленной точкой источника в сетях постоянного тока, выполняемое в целях электробезопасности [1].

В сетях трехфазного тока напряжением до 1 кВ нулевой защитный проводник (РЕ-проводник) предназначен для соединения зануляемых частей с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная схема защитного зануления в трехфазной сети напряжением до 1 кВ:

1 — корпус электропотребителя; 2 — аппараты защиты (плавкие предохранители, автоматические выключатели и т. п.) от короткого замыкания (КЗ); R0 — сопротивление заземления нейтрали источника тока; Rп — сопротивление повторного заземления РЕ-проводника; Iк — ток КЗ; Iн — часть тока КЗ, протекающего по РЕ-проводнику; Iз — часть тока КЗ, протекающего через землю

РЕ и N-проводник совместно с фазными проводниками образуют пятипроводную сеть с глухозаземленной нейтралью, представленную на рис. 1. Существуют также четырехпроводные трехфазные сети, в которых нулевой защитный и нулевой рабочий проводники объединены в один PEN-проводник.

Назначение защитного зануления — устранение опасности по-

ражения током при замыкании фазного провода на токопроводящие части, нормально не находящиеся под напряжением, в том

4

числе на корпус электропотребителей. Принцип действия защитного зануления — превращение замыкания на корпус в однофазное короткое замыкание (между фазным и РЕ-проводниками) с целью вызвать большой ток, обеспечивающий срабатывание защиты и отключение поврежденного электропотребителя от сети. Автоматическое отключение произойдет, если ток короткого замыкания Iк удовлетворяет условию

где k — коэффициент кратности номинального тока Iном плавкой вставки или уставки тока срабатывания автоматического выключателя.

Значение k зависит от типа защиты. При автоматических выключателях с электромагнитным расцепителем без выдержки времени отключения k 1, 25 1, 4. Если защита осуществляется плав-

кими предохранителями или автоматическими выключателями с обратной токовременной характеристикой, то принимают k 3 в целях ускорения отключения поврежденной установки. Кроме того, поскольку зануленные части через РЕ-проводник заземлены, то в аварийный период до автоматического отключения проявляется защитное действие этого заземления — снижение их напряжения относительно земли.

Для эффективного функционирования защитного зануления требуется наличие в сети РЕ-проводника, заземления нейтрали источника тока и повторного заземления РЕ-проводника.

Наличие РЕ-проводника, обладающего малым сопротивлением, позволяет обеспечить необходимое для отключения электропотребителя значение тока Iк, удовлетворяющее условию (1).

Заземление нейтрали источника тока и повторное заземление РЕ-проводника практически не влияют на отключающие свойства системы зануления. Их назначение — снижение напряжения зануленных корпусов электропотребителей относительно земли в период существования аварийной ситуации.

Без заземления нейтрали источника тока и повторного зазем-

ления РЕ-проводника в случае замыкания фазного провода на землю (например, при его обрыве) земля приобретает потенциал фазы, и между зануленными корпусами и землей возникает напряжение, близкое по значению к фазному. Эта опасная ситуация может существовать до отключения сети вручную, так как максимальная

5

токовая защита при этом повреждении не срабатывает [2]. Поэтому рассматриваемая сеть без указанных заземлений не должна применяться.

Защитное действие повторного заземления РЕ-проводника

проявляется также при замыкании фазного провода на зануленный корпус электропотребителя до момента его отключения от сети. Рассмотрим вначале эту ситуацию в трехфазной пятипроводной сети с заземленной нейтралью при отсутствии повторного зазем-

ления РЕ-проводника (рис. 2). Для упрощения расчетных формул пренебрегаем сопротивлением и емкостью проводов сети относительно земли, сопротивлением обмоток источника тока и индуктивным сопротивлением петли фаза–нуль, а также примем распределенные по длине фазного и РЕ-проводника сопротивления Rф и RPE сосредоточенными и активными.

Рис. 2. Замыкание фазы на корпус в сети без повторного заземления РЕ-про- водника (показан также вариант с повторным заземлением, изображенным пунктиром)

На схеме рис. 2 показано переходное сопротивление Rпер в месте присоединения зануляющего проводника к корпусу электропотребителя 2 и не приведены проводники, подводящие рабочее напряжение к потребителям 1 и 3.

Ток короткого замыкания (КЗ), проходящий по петле фаза– нуль,

6

где RPE RPE1 RPE2 ; RPE1 и RPE2 — сопротивления РЕ- проводника на участках от точки 0 до точки а и от точки а до точ-

ки «b» соответственно (в лабораторном стенде RPE1 RPE2 ).

Значения напряжения РЕ-проводника в точках «а», «b», «с» и корпусов электропотребителей 1, 2 и 3 относительно земли определяются по формулам:

Напряжение нейтральной точки 0 источника питания сети

На рис. 2 показана эпюра распределения напряжения относительно земли вдоль РЕ-проводника. Это напряжение будет существовать с момента замыкания фазы на корпус электроустановки 2 до автоматического отключения ее от сети и представлять определенную опасность поражения током.

При наличии повторного заземления РЕ-проводника (на рис. 2

оно показано пунктиром) напряжение относительно земли на зануленных корпусах несколько снизится. При тех же приве- денных выше допущениях и

Rпер 0 получена расчетная

схема, приведенная на рис. 3, соответствующая схеме зануления с повторным заземлением РЕ-проводника.

На основе расчетной схе-

РЕ-проводнику, тока Iз, сте-

кающего в землю через сопротивление Rп повторного заземления РЕ-проводника, напряжений Uк1, Uк2, Uк3 и U0 относительно земли:

7

нейтрали источника тока.

При случайном обрыве РЕ-проводника между точками а и b

(рис. 2) и замыкании фазы на корпус 2 при отсутствии повторного заземления напряжение относительно земли РЕ-про-водника за местом обрыва и присоединенных к нему корпусов 2 и 3 будет практически равным фазному:

Это весьма опасное напряжение может существовать длительно, пока не будет обнаружена и отключена вручную аварийная установка от сети. При этом напряжение участка РЕ-проводника от нейтральной точки 0 источника до места обрыва и напряжение корпуса 1 относительно земли будут практически равными нулю:

При наличии повторного заземления и обрыва РЕ-проводника

будет действовать цепь тока Iз через землю (см. рис. 3). С учетом

8

приведенных выше допущений и Rпер 0 значения тока Iз, напря-

жений Uк1, Uк2, Uк3 и U0 относительно земли могут быть рассчитаны по формулам:

рассчитанные по формулам (19) и (20), будут равны и составят приблизительно половину фазного напряжения, т. е. уменьшится опасность поражения током за местом обрыва РЕ-проводника. При этом, однако, не будут достигнуты условия безопасности, существовавшие до обрыва.

9

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

На лицевой панели стенда приведена мнемоническая схема моделируемой системы, включающей в себя трехфазную электрическую сеть, ее источник питания — трансформатор, вторичные обмотки которого соединены по схеме «звезда», три электропотребителя, представленные на схеме в виде корпусов 1, 2 и 3, элементы защитного заземления и зануления, коммутационные устройства; расположены цифровые индикаторы миллисекундомера, амперметра и вольтметра.

Включение стенда с присоединением фазных проводов к источнику питания осуществляется установкой рукоятки переключателя S2 в положение «I», а выключение — установкой его рукоятки в положение «О». Свечение светодиодных индикаторов в фазных проводах указывает на наличие напряжения. Переключатель

S1 позволяет заземлять нейтраль сети (R0 = 4 Ом) во включенном положении и изолировать от земли — в выключенном. При установке рукояток переключателей S3 и S4 во включенное положение осуществляется присоединение к нейтральной точке источника соответственно нулевого рабочего проводника (N-проводника) и нулевого защитного проводника (PE-проводника), что позволяет моделировать пятипроводную сеть.

Распределенные сопротивления изоляции проводов сети относительно земли представлены на схеме сосредоточенными сопро-

тивлениями RA, RB , RC , RN , причем RA RB RC RN Rи (емкости проводов относительно земли в данном стенде не учитываются). Значения этих сопротивлений можно дискретно изменять переключателем S18. Значения Rи и других сопротивлений, о которых будет сказано далее, не приводятся в тексте, так как они указаны на лицевой панели стенда рядом с рукоятками соответствующих переключателей.

Переключатель S17 позволяет во включенном положении присоединить PE-проводник к повторному заземлителю, значение со-

противления которого Rп можно изменять переключателем S19. Изображенные на мнемонической схеме корпуса 1, 2 и 3 при-

надлежат соответствующим электропотребителям, поэтому последним присвоены те же номера.

10