Методичка к ЛР № 6: Оценка опасности поражения человека в трёхфазных электрических сетях

Скачать

Цель работы: изучить методику оценки и экспериментально оценить опасность поражения человека электрическим током в трехфазных сетях с рабочими напряжениями до 1000 В в различных ситуациях.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Трёхфазные сети и их основные характеристики
Источниками питания современных электроустановок обычно являются трёхфазные электрические сети, которые представляют со-бой совокупность трёх источников напряжения переменного тока с частотой 50 Гц (выходные обмотки понижающего трансформатора или генератора), которые соединены по схеме электрической звезды (рис. 1,а), и линий электропередач, необходимых для подключения потреби-телей электроэнергии.
а б
Рис. 1. Система напряжений трёхфазной электрической сети
Общий вывод обмоток (общую точку электрической звезды) называют нейтралью (N ) источника, а три других вывода, к которым подключаются проводники линий электропередач, называют фазами (A, B, C ). Напряжения переменного тока, генерируемые каждым ис-точником трёхфазной сети, называются фазными напряжениями (, , ). Они сдвинуты по фазе друг относительно друга на 120 элек-трических градусов (рис. 1,б). Напряжения, действующие между лю-быми парами фаз электрической сети, называют линейными (, ,
71
). При равенстве модулей фазных напряжений == = = равными будут и модули линейных напряжений: == = = .
В настоящее время для питания электроустановок напряжением до 1000 В наиболее распространены два вида трёхфазных сетей:
– четырёхпроводные электрические сети с глухозаземлённой нейтралью источника (рис. 2,а), которые содержат три фазных провода (А, В, С ) и нулевой (нейтральный) рабочий провод (N ). Нейтраль ис-точника имеет соединение с землёй – заземлена через малое сопротив-ление Ro. Эта сеть наиболее распространена на производстве и в быту с U = 380/220 В ( = 380 В, = 220 В);
– трёхпроводные электрические сети с изолированной нейтра-лью источника (рис. 2,б). В этих сетях имеется только три фазных про-вода, а нейтраль источника хорошо изолирована от земли. Эти сети служат для снабжения электричеством специальных технических устройств и технологических процессов.
Рис. 2. Виды трёхфазных сетей
Линии электропередач в трёхфазных сетях могут быть воздуш-ного или кабельного типа. В том и другом случае провода электриче-ской сети обладают активным сопротивлением изоляции и ёмкостью относительно земли: RA , RB , RC , RN и CA , CB , CC , CN .
С целью упрощения расчётов примем: RA = RB = RC = Rиз , CA = CB = CC = Cф. Активное и ёмкостное сопротивления изоляции распределены вдоль всего провода, но на электрических схемах их обозначают сосредоточенными, как показано на рис. 2,б.
Комплексное сопротивление изоляции каждой фазы электриче-ской сети относительно земли определяется как результат параллель-
C
B
А
N
R
C
B
А
N
N
Rиз
а
б
ного соединения активной (R
из) и ёмкостной (XСф = 1/jωCф) составля-ющих: = Rиз/(1 + jωRизCф).
Аналогично определяется сопротивление для нейтрали.
Модуль комплексного сопротивления изоляции фазного провод-ника электрической сети относительно земли определяется по формуле ,
где = 2π f ; f = 50 Гц – частота электрической сети.
Согласно требованиям ПУЭ (Правила устройства электроуста-новок) [2] в сети с напряжением до 1000 В активное сопротивление изоляции фаз Rиз относительно земли на участке между смежными предохранителями или за последним из них должно иметь величину не менее 500 кОм при отключенных потребителях. В разветвлённой элек-трической сети число таких участков, включенных параллельно друг другу, может быть достаточно большим, что снижает общее сопротив-ление изоляции сети.
Ёмкость фаз относительно земли определяется типом линии (воздушная, проводная, кабельная), её длиной, высотой подвеса про-водов, толщиной фазной изоляции жил кабеля, диаметром его оболоч-ки, т.е. геометрическими параметрами линии, и не может быть умень-шена. Особенно большой ёмкость фаз может быть в кабельных линиях большой протяженности, при этом соответственно уменьшается вели-чина модуля комплексного сопротивления изоляции фаз и ослабляется защитное действие изоляции.
В трёхпроводной сети с изолированной нейтралью (СИН) нейтраль хорошо изолирована от земли, т.е. величина электрического сопротивления между нейтралью и землёй велика и её практически можно считать бесконечно большой: ZN = ∞.
В четырёхпроводной сети с глухозаземлённой нейтралью (СЗН) нейтраль подключена к специальному заземляющему устрой-ству с малым электрическим сопротивлением R0. Согласно требовани-ям ПУЭ [2] сопротивление заземления нейтрали R0 в любое время года не должно превышать 4 Ом для фазных напряжений 220 В (для линейных напряжений 380 В).
В СЗН четвёртый (нулевой) проводник подключен к заземлённой нейтрали
N и, наряду с фазными проводниками A, B и C, является рабочим проводником электрической сети, т.е. может участвовать в процессе электропитания потребителей электроэнергии.
Нейтральный провод в СЗН, так же как и фазные, обладает ак-тивной (RN) и ёмкостной (CN) составляющими сопротивления изоля-ции относительно земли. Однако указанные сопротивления оказыва-ются включенными параллельно с R0, которое слишком мало по срав-нению с двумя другими. Поэтому результирующее сопротивление изоляции нейтрального провода в СЗН (ZN) практически определяется лишь величиной сопротивления R0: ZN ≈ R0.
Схема трёхфазной электрической сети с глухозаземлённой нейтралью представлена на рис. 3. Возможное прикосновение челове-ка к фазному проводнику А моделируется с помощью сопротивлений тела человека Rh и дополнительного Rдоп (сопротивления перчаток, обуви, пола, защитных средств и др.), в сумме составляющих полное сопротивление Rhп = Rh + Rдоп.
Рис. 3. Схема трёхфазной сети с глухозаземлённой нейтралью

Оценка опасности поражения человека током
Оценка опасности поражения человека током заключается в нахождении величины тока, протекающего через тело человека (ос-новной фактор, влияющий на исход поражения), и сравнении полу-ченного значения с допустимым по соображениям безопасности [3].
Ток, протекающий через тело человека Ih, связан с напряжени-ем прикосновения Uh, приложенным непосредственно к телу человека, и сопротивлением тела человека Rh: Ih = Uh/Rh = Uhп/Rhп ,
где Uhп – падение напряжения на сопротивлении Rhп (рис. 3).
В худшем случае человек дополнительно не защищён, т.е.
R
доп = 0 и Rhп = Rh.
Согласно ГОСТ 12.1.038-82* «ССБТ. Электробезопасность. Предельно допустимые уровни напряжений прикосновения и токов» [3] при расчётах допускается принимать Rh = 1 кОм.
Величина тока, протекающего через тело человека, является основным фактором, влияющим на исход поражения. Чем больше ве-личина тока, тем большее число заряженных частиц взаимодействует с клетками организма и тем выше тяжесть поражения. Опасность дей-ствия электрического тока частотой 50 Гц можно оценить по ответным реакциям организма человека, например для пути тока в теле человека «рука–рука». Человек начинает ощущать ток величиной 0,5…1,5 мА в виде лёгкого дрожания пальцев рук, слабого зуда кожи под электрода-ми. Бóльшие токи вызывают у человека уже болезненные ощущения, которые усиливаются с увеличением тока.
Таким образом, можно выделить три уровня тока через тело че-ловека с соответствующими ответными реакциями организма как наиболее важные с точки зрения оценки опасности поражения челове-ка: пороговые ощутимый, неотпускающий и фибрилляционный токи.
Пороговый ощутимый ток – это наименьшая величина тока через тело человека, вызывающего ощутимые раздражения. Для тока с частотой 50 Гц его величина в среднем составляет 1 мА. Неощутимые токи считаются относительно безопасными. Тем не менее, длительное протекание (несколько минут) неощутимого тока через человека мо-жет отрицательно сказаться на его здоровье и является недопустимым. Все ощутимые токи опасны для человека, и чем ток больше, тем он опаснее.
Пороговый неотпускающий ток – это наименьшая величина тока через человека, сопровождающаяся непреодолимыми судорож-ными сокращениями мышц, начиная с которой человек не в состоянии освободиться от действия тока (например, оторвать руки от провода). При частоте 50 Гц величину этого тока можно считать равной 10 мА.
Неотпускающий ток, следует считать очень опасным для человека.
Пороговый фибрилляционный ток – это наименьшая величина тока через тело человека, вызывающего фибрилляцию сердца (беспо-рядочное сокращение фибрилл – волокон сердечной мышцы). При ча-стоте 50 Гц величина этого тока составляет 100 мА. Фибрилляционные токи чрезвычайно опасны для человека.

Анализ опасности поражения человека током в СЗН
В трехфазной сети различают нормальный режим работы (НР) и аварийные (АР). Нормальный режим работы характеризует исправное состояние электрической сети. При возникновении аварийных режи-мов одна из фаз оказывается замкнутой на землю через сравнительно малое сопротивление замыкания R
зм, которое характеризует процесс растекания тока замыкания в грунте в точке контакта токоведущих элементов с землёй (рис. 3). Обычно сопротивление замыкания со-ставляет десятки или сотни Ом.
Из общего числа возможных аварийных ситуаций можно выде-лить два наиболее характерных типа аварийных режимов, связанных с прикосновением человека к токоведущим элементам: АР1 и АР2.
При АР1 на землю оказывается замкнутой фаза, к которой при-касается человек. При АР2 человек прикасается к исправной фазе сети в момент, когда другая фаза оказывается замкнутой на землю.
Переключатель S на рис. 3 позволяет анализировать работу сети в режимах НР, АР1 и АР2.
При анализе различают однофазное и двухфазное прикоснове-ния человека.
При двухфазном прикосновении человек одновременно прика-сается к двум фазам сети и попадает под полное линейное напряжение.
При однофазном прикосновении человек, стоящий на основа-нии, электрически связанном с землей, прикасается к одной из фаз се-ти. В этом случае ток через тело человека в СЗН зависит от режима работы сети.
С учётом режимов работы сети схема рис. 3 может быть пред-ставлена в виде эквивалентной схемы рис. 4.
Рис. 4. Эквивалентная схема трёхфазной сети
Для СЗН выполняется условие R0 << |Żиз|/3 и можно прене-бречь влиянием сопротивлений изоляции фаз. В нормальном режиме работы сети переключатель S на экви-валентной схеме сети (рис. 4) находится в положении НР и эквива- Ih ≈ (1) Ih ≈ ≈ (1) Код поля изменен Код поля изменен 76 лентная схема сети принимает вид, представленный на рис. 5,а. Используя закон Ома, непосредственно из схемы определяем величину тока через тело человека: В аварийном режиме АР1 переключатель S на схеме рис.4 нахо-дится в положении АР1 и эквивалентная схема сети принимает вид, представленный на рис. 5,б. Для данного режима практически всегда выполняются условия Rhп >>RЗМ, поэтому Rhп||RЗМ ≈ RЗМ и I ≈ IЗМ.
В этом случае ,0RRUIзм+≈ (2)
а ток через тело человека .hпзмhRRII≈ (3)
а б в
Рис. 5. Эквивалентные схемы СЗН
В аварийном режиме АР2 переключатель S на схеме рис. 4 находится в положении АР2, и эквивалентная схема сети принимает вид, представленный на рис. 5,в.
Легко видеть, что для данной схемы Úh = ÚA – Ú0 , т. е. доста-точно лишь определить величину Ú0 .
Для данного режима практически всегда выполняются условия: Rhп >> Rзм , поэтому Ih<< Iзм и Rhп >> R0 , поэтому Ih<< I0 .
Таким образом, при определении величины Ú0 можно прене-бречь малой величиной Ih (при этом следует иметь в виду, что хотя величина тока Ih мала по сравнению с другими токами схемы на
77
рис. 5,в, но в то же время оказывается, как правило, чрезвычайно опас-ной для человека).
С учётом указанных условий, используя формулу простого де-лителя напряжения, легко определить величины Ú0 и Úзм :
U0 ≈ и Uзм ≈ . (4)
Из схемы на рис. 5,в также видно, что Ú0 + Úзм = ÚB , т.е. век-торы этих напряжений являются составными частями вектора напря-жения фазы ÚB. При этом потенциал точки деления определяется точ-кой потенциала земли, принадлежащей вектору замкнувшей фазы (в данном случае фазы B).
Векторная диаграмма на рис.6 показывает, что при изменении величины сопротивления замыкания в пределах 0 < Rзм < в СЗН в режиме АР2 напряжение, приложенное к телу человека, может изме-няться в пределах (|ÚA| = Uф) < |Uhп| < (|ÚAB| = Uф).
Таким образом, опасность поражения электрическим током в случае СЗН для АР2 всегда оказывается чрезвычайно высокой (неза-висимо от величины сопротивления замыкания) и, следовательно, нет практической необходимости в численной оценке величины тока через тело человека.
Рис. 6. Векторная диаграмма напряжений в СЗН для АР2

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Стенд для экспериментальных исследований
Оценка опасности поражения человека электрическим током проводится на измерительном стенде, имитирующем трёхфазную сеть и позволяющем исследовать сети с различными видами нейтрали в нормальном и аварийных режимах работы.
Порядок выполнения работы приведён в описании к стенду.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА

Таблицы и графики экспериментально снятых зависимостей для каждого пункта задания на выполнение работы (графики для каж-дого пункта следует построить в одной системе координат).

Выводы по оценке влияния параметров электрической сети на опасность поражения человека электрическим током.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Трёхфазные электрические сети и их основные параметры.

Общая схема трёхфазной электрической сети.

Оценка опасности поражения человека током.

Анализ опасности поражения человека током в СЗН.

Оценить изменение тока через тело человека в СЗН при переходе от НР к АР1, если U = 220 В, RЗМ и Rhп заданы преподавателем.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Зайцев Ю. В. Безопасность жизнедеятельности: учеб. пособие для вузов. – Старый Оскол: ТНТ, 2015. – 276 с.

Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Седьмое издание.

ГОСТ 12.1.038-82* «ССБТ. Электробезопасность. Предельно допу-стимые уровни напряжений прикосновения и токов».

Долин П.А., Ведмедев В.Т. и др. Электробезопасность, теория и практика: учебник для вузов. – М.: МЭИ, 2012. – 280 с.

Лисина Л.Ф., Буякова Н.В. Электробезопасность в электроэнерге-тике и электротехнике: учеб. пособие. – Ангарск: Изд-во АГТА, 2013. – 168 с.