Электробезопасность

Методические указания

к выполнению лабораторной работы

Санкт Петербург

Составители: Н.Ф. Екимова, Т.А. Пожарова, Б.И. Попов, С.С. Симонов,

В.И. Турубаров

Рецензенты: кафедра технологии приборостроения СПГААП;

канд. техн. наук доц. Н.М. Иванов

В лабораторной работе студенты изучают схемы трёхфазных электрических сетей, опасности, возникающие при прикосновении человека к одной из фаз, факторы опасности поражения человека электрическим током, методы исследования сопротивления тела человека, изоляции электрических сетей и проводов, заземляющих и зануляющих устройств.

Подписано к печати 5.03.97 Формат 60х84 1/16 Бумага тип №3. Печать офсетная

Усл.печ. п.3, 02 Уч.-изд.л. 3, 25 Тираж 500 экз.

Заказ №76

Редакционно-издательский отдел

Отдел оперативной полиграфии СПбГААП

190000, С.-Петербург, ул. Б. Морская, 67

Цель работы: изучение основных схем трёхфазных электрических сетей переменного тока до 1000 В и опасностей, возникающих при прикосновении человека к одной из фаз, исследование факторов, определяющих опасность поражения человека электрическим током, методов теоретического и экспериментального исследования сопротивления тела человека, изоляции электрических сетей и проводов, ознакомление с защитными функциями заземляющих и зануляющих устройств, обеспечивающих электробезопасность при работе с электроустановками, методами их исследования, нормами, приборами и методикой контроля.

1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Многообразное воздействие электрического тока на организм человека приводит к электротравмам, которые условно подразделяют на электрический удар и местные электротравмы (электрические ожоги, электрические знаки, металлизация кожи, механические повреждения, электроофтальмия).

Исход поражения человека электрическим током зависит от величины тока, протекающего через тело человека, продолжительности воздействия, частоты тока, пути протекания тока через человека и индивидуальных особенностей организма.

Электрическое сопротивление тела человека и приложенное к нему напряжение (напряжение прикосновения) также влияют на исход поражения, так как они определяют величину тока, проходящего через человека. Напряжение прикосновения – напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек.

Для разработки средств защиты от поражения электрическим током в соответствии с ГОСТ 12.1.038-82 установлены предельно допустимые уровни напряжений прикосновения и токов, протекающих через тело человека. Нормы установлены при условии прохождения тока через тело человека по пути рука-рука или рука-ноги. Стандарт предусматривает нормы для электроустановок при нормальном и аварийном режимах работы.

При нормальном режиме работы регламентируются род и частота тока, наибольшие допустимые значения напряжения прикосновения Uпр и тока Iчел, проходящего через человека. При аварийном режиме регламентируются частота и род тока, продолжительность воздействия и предельно допустимые уровни напряжения прикосновения и тока, протекающего через человека.

На промышленных предприятиях обычно применяются трехпроводные сети с изолированной нейтралью напряжением 36, 42, 127, 220, 380, 660 В и четырехпроводные сети с заземленной нейтралью напряжением 220/127, 380/220, 660/360 В. Также применяются сети постоянного тока напряжением 6, 12, 24, 36, 48, 60, 110, 220, 400 В. На летательных аппаратах применяются сети следующих видов:

1) постоянного тока напряжением 27 В – двухпроводные и одно проводные с использованием корпуса летательного аппарата в качестве минусового провода;

2) переменного трёхфазного тока (с изолированной или заземлённой силовой нейтралью) напряжением 36, 208 и 360 В, частотой 400 Гц;

3) переменного однофазного тока напряжением 115 и 208 В, частотой 400 Гц.

Все случаи поражения человека током являются результатом замыкания электрической цепи через тело в результате прикосновения человека к точкам цепи, между которыми существует напряжение. Вероятность поражения электрическим током оценивается по величине тока Iчел, или величине напряжения прикосновения Uпр. Напряжение прикосновения зависит от ряда факторов: схемы включения человека в электрическую цепь, напряжения сети, схемы самой цепи и режима ее нейтрали, степени изоляции токоведущих частей от земли, сопротивления тела человека.

Сопротивление тела человека – величина нелинейная, меняется в широких пределах и зависит от следущих факторов: состояния кожи (сухая, влажная, повреждённая и т.п.); плотности контакта; площади контакта; величины тока, проходящего через человека; величины приложенного напряжения; времени воздействия тока на человека. Наибольшим электрическим сопротивлением в теле человека обладает верхний пороговый слой кожи.

Сухая неповреждённая кожа имеет сопротивление 10-100 кОм. При протекании электрического тока в теле человека происходят сложные биофизические процессы. Условно вариант прикосновения человека (рука-рука) к двум одинаковым электродам можно представить в виде электрической схемы замещения, изображённой на рис.1.

Рис. 1 Электрическая схема замещения тела человека

Здесь Z – полное сопротивление тела человека (рука-рука); Zн – полное сопротивление наружного слоя кожи; гн – активное сопротивление наружного слоя кожи;

хс – ёмкостное сопротивление наружного слоя кожи; гв – внутреннее сопротивление рук и корпуса тела.

Обозначив через Zf полное сопротивление тела человека при данной частоте, можно написать

Отсюда
	, кОм	(1)

Полное сопротивление человека зависит от емкостного сопротивления. Емкостное сопротивление определяется частотой:

,

(2)

где хс – ёмкостное сопротивление человека, кОм; ω – круговая частота; f – частота, кГц;

С – емкость наружного слоя кожи, мкФ.

С увеличением частоты величина хс стремится к нулю, шунтируя активное сопротивление гн. Полное сопротивление тела человека на частотах 10-20 кГц можно представить в виде

(3)

С уменьшением частоты f (ниже 100 Гц) ёмкостное сопротивление возрастает. При f→ 0, хс → ∞ и формула (1) примет вид

	.
Отсюда
	, кОм	(4)

Где zо – сопротивление тела человека при f→ 0

Полное сопротивление тела человека на частотах 0-100 Гц условно можно аппроксимировать линейной зависимостью от частоты. При этом Zо может быть определено методом экстраполяции, для чего в линейном масштабе строится график зависимости полного сопротивления от частоты тока, как показано на рис.2. Значение Zо расположено на оси ординат при пересечении с прямой Z1 – Z4.

Рис.2 График экстраполяции

По формуле (3) определяем значение гвн. По формуле (4) определяется гн. Величина полного сопротивления наружного слоя кожи может быть определена из формулы

	, кОм	(5)
Из формулы (5) получим ёмкость С наружного слоя кожи
	, мкФ	(6)

Прикосновение к трёхфазной сети переменного тока

с изолированной нейтралью в нормальном режиме

а)		б)
Рис.3. Прикосновение человека к трехфазной сети переменного тока в нормальном режиме: а) схема сети; б) эквивалентная схема

При однофазном прикосновении в сетях с изолированной нейтралью (рис.3) переменный ток, проходящий через человека, замыкается через землю, активноесопротивление изоляции и ёмкость фаз относительно земли. Для сетей малой протяжённости ёмкость фаз относительно земли невелика (С≈ 0) и ею можно принебречь.

Эквивалентная схема цепи замыкания тока с учётом равенства сопротивлений изоляции фаз RА=RБ=RС=Rиз представлена на рис.3, б. Напряжение Uпр и ток Iчел определяются следующими выражениями:

	,	(7)
	,	(8)

Выражения (7) и (8) показывают, что в сетях с изолированной нейтралью опасность для человека, прикоснувшегося к одной из фаз в период нормальной работы сети, зависит от сопротивления изоляции проводов относительно земли. С увеличением сопротивления изоляции опасность уменьшается.

Прикосновение человека к трёхфазной сети переменного тока

с изолированной нейтралью в аварийном режиме

а)		б)
Рис.4. Прикосновение человека к проводу трехфазной сети с изолированной нейтралью при аварийном режиме: а) схема сети; б) эквивалентная схема

Аварийный режим – замыкание через малое сопротивление или электрический пробойодной или нескольких фаз на землю (рис.4)

Анализируя эквивалентную схему прикосновения, можно написать

	,	(9)
	.	(10)

Если в этой формуле принять, что Rзам=0 или считать, что Rзам< Rчел (так обычно бывает в действительных условиях), то

,

т.е. человек окажется под линейным напряжением Uл.

В действительных условиях Rзам> 0, поэтому напряжение, под которым оказывается человек, прикоснувшегося в период аварийного режима к исправной фазе трёхфазной сети с изолированной нейтралью, значительно больше фазного и несколько меньше лиинейного напряжения сети, т.е. случай прикосновения к исправной фазе в аварийном режиме во много раз опаснее прикосновения к той же фазе сети при нормальном режиме работы.

Прикосновение человека к одной из фаз трехфазной сети переменного

тока с глухозаземленной нейтралью при нормальном режиме работы.

а)		б)
Рис.5. Прикосновение человека к одной из фаз трёхфазной сети с глухозаземленной нейтралью: а) схема сети; б) эквивалентная схема

При нормальном режиме работы сети (рис.5) проводимости фазных и нулевого проводов относительно земли достаточно малы по сравнению с проводимостью заземлителя нейтрали и ими можно пренебречь. Тогда, исходя из эквивалентной схемы прикосновения рис.5.б, Iчел и Uпр будут определяться следущими выражениями:

	,	(11)
	.	(12)

Полагая, что R0< Rчел, можно считать, что при прикосновении к одной из фаз напряжение прикосновения близко к фазному напряжению. Кроме того, в таких сетях сопротивление изоляции не влияет на величину тока, проходящего через человека, так как человек включен параллельно сопротивлению изоляции.

Прикосновение человека к одной из фаз трёхфазной сети переменного тока

с глухозазёмленной нейтралью при аварийном режиме работы

а)		б)
Рис.6. Прикосновение человека к фазному проводу трёхфазной сети с заземлённой нейтралью при аварийном режиме: а) схема сети; б) эквивалентная схема

В случае, когда одна из фаз сети замкнута на землю через относительно малое сопротивление Rзам (рис.6), Iчел и Uпр определяются зависимостями

	,	(13)
	.	(14)

Если принять сопротивление замыкания равным нулю, то

,

т.е. человек окажется под линейным напряжением. Если сопротивление заземления нейтрали равно нулю, то

,

т.е. человек окажется под фазным напряжением.

Однако в практических условиях сопротивление Rзам и R0 всегда больше нуля, поэтому напряжение, под которым оказывается человек, прикоснувшийся в период аварийного режима к исправному фазному проводу трёхфазной сети с заземленной нейтралью, всегда меньше линейного, но больше фазного.

Таким образом прикосновение еловека к исправной фазе сети с заземлённой нейтралью в период аварийного режима более опасно, чем при нормальном режиме.

Шаговое напряжение и напряжение прикосновения

При обрыве провода, пробое изоляции с замыканием фазы на корпус или на землю (аварийный режим) возможно поражение человека электрическим током при касании корпуса электроаппарата или попадании человека в зону растекания тока. Если фазный провод соединяется проводником с землёй, то происходит стекание тока на землю. Контакт фазы с землёй может осуществляться случайным образом (при обрыве провода, касании металлической конструкции и т.п.) или через заземлитель, например, при пробое фазы на заземленный металлиеский корпус электроустановки. На рис7.а изображён случай обрыва провода в сети с изолированной нейтралью, на рис.7.б – случай замыкания фазы на землю в сети с заземлённой нейтралью, на рис.8 – пробой фазы на заземлённый корпус в сети с изолированной нейтралью и на рис.9 – пробой фазы на корпус в сети с заземлённой нейтралью. Цепь, по которой проходит ток замыкания Iзам, показана на рисунках пунктиром. Явления, сопровождающие процесс стекания тока в землю, одинаковы как при случайном соединении фазы с землёй, так и при контакте фазы с заземлителем, поэтому, в дальнейшем, можно ограничиться рассмотрением процесса стекания тока в землю через заземляющее устройство. При прохождении тока замыкания через заземлитель последний приобретает потенциал, который можно измерить как разность потенциалов между точкой ввода тока в заземлитель и любой из точек зоны нулевого потенциала, т.е. зоны, удалённой от заземляющего устройства на бесконечно большое расстояние. В сети с изолированной нейтралью ток замыкания возвращается в сеть через распределённые сопротивления изоляции фаз Rиз. В сети с заземлённой нейтралью ток замыкания возвращается в сеть через заземлитель нейтрали (рис.7.б). При незначительных размерах заземлителя по сравнению с протяжённостью сети можно условно считать, что сопротивление изоляции Rиз расположено на бесконечно большом удалении от заземляющего устройства, т.е. в зоне нулевого потенциала. На практике зоной нулевого потенциала считают область поверхности земли, в пределах которой при стекании тока с заземлителя отсутствует градиент потенциала. В большинстве случаев эта зона располагается на расстоянии свыше 20м от заземлителя.

а)		б)
Рис.7. Замыкание фазы на землю в сетях с изолированной (а) и заземлённой (б) нейтралью

Пространство между заземлителем и зоной нулевого потенциала, т.е. область, в пределах которой при стекании тока с заземлителя возникает заметный градиент потенциала, называетсязоно растекания. Наличе градиента потенциала в зоне расстекания приводит к появлению " напряжения шага", т.е. разности потенциалов между двумя точками земли, на которых одновременно стоит человек, и находящихся друг от друга на расстоянии шага (~0, 8м).

Рис.8. Принципиальная схема защитного заземления

Рис.9. Принципиальная схема зануления: М-зануляемое одорудование; R0-сопротивление заземлителя нейтрали; Rп-сопротивление повторного заземлителя нулевого провода; F-предохранитель; Iк-ток короткого замыкания

Опасным фактором для человека является также " напряжение прикосновения", которое в данном случае определяется как напряжение между двумя точками цепи тока замыкания на землю (корпус) при одновременном прикосновении к ним человека. Для полушарового заземлителя радиусом r0 (рис.10) распределение потенциала по поверхности земли может быть достатоно просто описано аналитически. Если грунт однороден по удельному сопротивению, то ток в земле растекается во все стороны по радиусам полусферы. Тогда плотность тока j на

Рис.10. Распределение потенциала на поверхности земли вокруг полушарового заземлителя

Растоянии х от центра заземлителя составит

.

В соответствии с законом Ома напряжённость электрического поля Е в зоне растекания тока связана с плотностью тока j и удельным сопротивлением среды (грунта) ρ следующим выражением:

.

Потенциал любой точки на поверхности земли взоне растекания тока, определенный относительно бесконечности, равен падению напряжения в грунте за пределами полусферы радиусом х

,

Где х – расстояние от центра заземлителя до точки определения потенциала φ х; dU – падение напряжения в элементарном слое толщиной dx.

Так как dU=Edx, то распределение потенциала в зоне растекания тока имеет вид гиперболы:

.

Плтенциал заземлителя равен потенциалу точки с координатой , т.е. . Следовательно, для любой точки поверхности земли в зоне расстекания тока можно записать:

(14)

где х – координата точки

Из определения напряжения прикосновения следует, что человек, касающийся корпуса заземленной электро установки и находящийся на расстоянии х от заземлителя, будет находиться под действием напряжения прикосновения Uпр(х)

.

(15)

Напряжение шага или шаговое напряжение можно определить как

,

(16)

Где Uш – напряжение шага; а – ширина шага при движении человека по направлению к заземлителю или величина проекции шага на это направление.

Для уменьшения значений напряжения прикосновения и шага используется «выравнивание потенциалов» с помощью дополнительных заземлитлей, расположенных друг от друга на расстоянии, меньше 40см. На рис.11 приведено распределение потенциала в системе из двух заземлителей. В зоне между двумя заземлителями напряжение прикосновения и шаговое напряжение уменьшаются. Степень выравнивания потенциала прежде всего зависит от расстояния между дополнительными заземлителями.

Рис.11. Распределение потенциала в групповом заземлителе из двух полусферических электродов

Защитное заземление и зануление

В каждой электроустановке, в зависимости от ее вида и назначения, условий эксплуатации и другх факторов, предусматриваются различные защитные меры от поражения электрическим током. В процессе эксплуатации, при введении электроустановок в действие и ремонте необходимо контролировать состояние средств защиты человека от поражения электрическим током. Металлические нетоковедущие части электроустановок при разрушении изоляции и замыкании на корпус могут оказаться под напряжением. Прикосновение человека к таким частям столь же опасно, как и непосредственное прикосновение к токоведущим частям.

Для защиты человека от поражения электрическим током применяют защитное заземление, зануление совместно с защитным отключением, а также надёжную изоляцию токоведущих частей оборудования.

Защитное заземление – преднамеренное соединение металлических нетоковедущих частей электроустановок с землей или её эквивалентом. Оно обеспечивает снижение напряжения прикосновения при пробое изоляции на корпус до безопасного значения и применяется в сетях напряжением до 1000В с изолированной нейтралью и в сетях напряжением выше 1000В как с изолированной так и с заземленной нейтралью. Для обеспечения безопасности защитное заземление должно иметь сопротивление, во много раз меньше сопротивления тела человека. Тогда основная часть тока замыкания будет протекать через заемлитель, при этом Iчел и Uпр будут малы и опасности при прикосновении к заземлённому корпусу не возникает.

Зануление обеспечивает защиту человека за счет отключения аварийной электроустановки от сети при замыкании на корпус и применяется в сетях напряжением до 1000В с глухим заземлением нейтрали. Зануление – преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей металлических нетоковедущих частей (рис.9). Оно превращает замыкание на корпус в однофазное короткое замыкание, вызывающее срабатывание защитного отключения (плавкий предохранитель, АЗС и т.п.). Защитное отключение должно отключить повреждённую фазу от корпуса оборудования.

В цепи нулевых защитных проводников не допускается включение предохранителей и других разъеденяющих приспособлений. Как правило, нулевой защитный проводник повторно заземляется для снижения напряжения на корпусе, в момент короткого замыкания, а также для уменьшения опасности при обрыве нулевого провода.

В соответствии с ПУЭ программа испытаний заземляющих и зануляющих устройств включает в себя измерение сопротивления заземляющего устройства, проверку наличия цепи между заземлителями и заземленными элементами, проверку полного сопротивления цепи «фаза-нуль» (в установках напряжением до 1000В с глухим заземлением нейтрали), измерение удельного электрического сопротивления грунта и т.п.

Измерение сопротивления заземления

Величина сопротивления заземляющих устройств, согласно правилам устройства электроустановок (ПУЭ), нормируется в зависимости от напряжения сети, мощности электроустановок и режима нейтрали. Сопротивление заземляющего устройства Rэ зависит от удельного сопротиивления грунта ρ, диаметра d и глубины заложения t заземлителей, их количества, длины соединительной полосы и глубины её заложения и ряда других факторов. Сопротивление одиночного стержневого заземлителя выражается формулой

.

(17)

Удельное сопротивление грунта зависит от его вида (песок, глина и т.п.), влажности, температуры и содержания в нём солей. Ориентировочные значения удельных сопротивлений различных грунтов приведены в Прил.2.

В процессе эксплуатации в результате коррозии под действием токов замыкания на землю, высыхания грунта вблизи заземлителей увеличивается сопротивлениезаземляющего устройства. Это вызывает необходимость определения фактических параметров заземляющих устройств и контроля их технического состояния как перед началом эксплуатации, так и периодически в процессе эксплуатации.

Измерение сопротивления заземляющих устройств для цеховых электроустановок следует проводить перед вводом в эксплуатацию и в последующем не реже 1 раза в год. Измерения должны проводиться в периоды наименьшей проводимости грунта: один год – летом при наибольшем просыхании грунта, другой год – зимой при наибольшем промерзании грунта.

Измерить сопротивление заземляющих устройств можно методом амперметр-вольтметра, методом «трёх земель» (или трёх измерений), прибором типа МС-08.

Для измерения сопротивления заземляющего устройства любым методом необходимо создать цепь тока через землю. Для этого необходимы ещё два дополнительных заземлителя – вспомогательный (токовый) Rв и зонд (потенциальный) Rз. Вспомогательный заземлитель создаёт цепь тока. Назначение зонда – получение точки с нулевым потенциалом, т.е. точки, в которой ток растекания практически отсутствует и по отношении к которой может быть измерен потенциал испытуемого заземлителя.

Точность измерения сопротивления заземляющих устройств зависит от правильного взаимного расположения испытуемого и вспомогательных заземлителей и от расстояния между ними. Для получения результатов измерений с погрешностью, не превышающей ±10% (для сосредоточенного заземлителя), минимальное растояние между заземлителями должно быть не менее 20см.

Для измерения сопротивления заземляющих устройств должен применяться переменный ток, так как при протекании в земле постоянного тока возникает ЭДС поляризации электродов, искажающая результат измерения. Величина тока не оказывает существенного влияния на результат измерения, но при слишком малой его величине не сказывается влияние посторонних токов. При измерении нужно применять небольшие напряжения исходя из условий безопасности.

Метод амперметра-вольтметра позволяет измерять практически любые величины сопротивлений заземляющих устройств с достаточной степенью точности.

Сопротивление испытуемого заземлителя равно:

, Ом

(18)

Где Ux – напряжение испытуемого заземлителя относительно точки с нулевым потенциалом, в которую помещён зонд Rз, В (рис.12); Ix – ток, проходящий через испытуемый заземлитель, А.

Рис.12. Метод амперметра-вольтметра

Для уменьшения погрешности измерения сопротивление вольтметра должно превышать сопротивление зонда в 50 раз и более. В этом случае погрешность измерения не превысит 2%.

Прибор типа МС-08 реализует метод амперметра-вольтметра. Роль амперметра и вольтметра в приборе выполняет магнитоэлектрический логометр. Прибор МС-08 имеет свой источник тока и клеммы для подключения к испытуемому заемлителю, зонду и вспомогательному электроду (рис.13). Шкала прибора проградуированна в омах. Погрешность измерения не превышает 10% при сопротивлении зонда до 1000Ом.

Рис.13 Схема измерения сопротивления заземляющих устройств прибором типа МС-08

Метод «трёх земель» или метод трёх измерений амперметром-вольтметром позволяет использовать вольтметр с малым внутренним сопротивлением.

Измерения проводят последовательно при подключении источника питания и прибора по схемам. Приведённым на рис.14. Для каждой пары заземлителей находят величину тока и падение напряжения на них. Так как

	,	(19)
	,	(20)
	,	(21)

то величину сопротивления испытуемого заземлителя находят путём решения системы уравнений как

,

(22)

Недостатком метода является большая (более 10%) погрешность измерения из-за того, что сопротивление вспомогательных заземлителей значительно больше сопротивления испытуемого заземлителя.

Рис.14. Схемы подключения приборов при измерении сопротивлениязаземлителя методом «трёх земель»

Измерение сопротивления цепи фаза-нуль

Измерение сопротивления цепи «фаза-нуль»- основная проверка действия системы зануления, т.е. отключения аварийного участка при замыкании на корпус. Это измерение даёт возможность проверить правильность выбора плавких вставок предохранителей и автоматов защиты.

Измерение ведётся на отключенном оборудовании, а для создания цепи тока при измерении фазный провод с помощью выключателя ВК2 (рис.15) соединяют с корпусом проверяемого оборудования. Полное сопротивление цепи «фаза-нуль» определяется по формуле

, Ом

(23)

где U – показания вольтметра, В; I – показания амперметра, А.

Быстрое и надёжное отключение повреждённого участка сети достигается при выполнении условия

, А

(24)

где Iн – номинальный ток плавкой вставки предохранителя или автомата защиты, А; к – коэффициент, значение которого регламентируется ПУЭ (Прил.3, табл.1); Iк – ток однофазного короткого замыкания на корпус.

, А

(25)

где Uф – фазное напряжение сети, В; Zт – расчётное сопротивление обмоток трансформатора, Ом (Прил.3, табл.2); 0, 85 – коэффициент, учитывающий возможное снижение фазного напряжения в процессе эксплуатации и переходное сопротивление в месте замыкания.

Рис.15. Схема подключения приборов для измерения сопротивления цепи «фаза-нуль»: М – испытуемая электроустановка; R0 – сопротивление заземлителя нейтрали; П1 – выключатель силовой цепи; П2 – выключательиспытуемой электроустановки; ВК1 – выключатель понижающего трансформатора; Тр1 – силовой трансформатор; Тр2 – понижающий трансформатор; F – предохранитель; Iк – ток короткого замыкания

Измерение удельного сопротивления грунта

Наиболее распространёнными методами измерения удельного сопротивления грунта ρ (Ом*см) являются метод пробного (контрольного) электрода и метод четырёх электродов.

При измерении методом пробного электрода в исследуемый грунт забивают контрольный электрод в виде трубы (стержня, уголка) таких же размеров и на такую же глубину, как у действительного заземлителя. Кроме контрольного электрода в грунт забивают вспомогательный заземлитель и зонд. Затем любым из указанных выше методов измеряют сопротивление контрольного электрода Rx.

Удельное сопротивление грунта (контрольный электрод – труба, забитая вровень с поверхностью земли) вычисляют по формуле

,

(26)

где Rx – сопротивление контрольного электрода, Ом; L и d – его длинна и диаметр соответственно, см.

Контрольные электроды необходимо забивать в разных местах исследуемой площади и определять среднее значение удельного сопротивления грунта.

При измерении удельного сопротивления грунта методом четырёх электродов (рис.16) в исследуемый грунт забивают на одинаковом расстоянии d друг от друга четыре электрода, располагая их на одной прямой линии. Электроды подключают к измерителю сопротивления заземления типа МС-08 таким образом, чтобы крайние электроды А и Д были соеденены с токовыми клеммами I1 и I2, а средние электроды В и С с потенциальными клеммами Е1 и Е2. Падение напряжение в рунте между электродами В и Спрямо пропорционально удельному сопротивлению грунта ρ и величине тока, протекающего на этом участке, и обратно пропорционально расстоянию d между электродами U=I*ρ /2*π *d, откуда

,

(27)

где R – показания прибора МС-08, Ом; d – расстояние между электродами, см.

Рис.16. Схема соединения электродов с измерителем заземления типа МС-08 для измерения удельного сопротивления грунта

Для учета возможной неоднородности грунта делают несколько измерений при значениях d=50, 75. 100 см и определяюи среднее арифметическое значение удельного сопротивления.

Измерение сопротивления изоляции

Основнымивидами оценки качества электрической изоляции являются измерение величины сопротивления изоляции и испытание изоляции на электрическую прочность.

Измерение изоляции обычно измеряется на постоянном токе при помощи мегаомметра и является основным показателем состояния изоляции сетей, электроаппаратов, приборов и проводов.

Проверку сопротивления изоляции электрооборудования, работающих при номинальном напряжении до 500В, производят мегаомметром на 500В, а при номинальном напряжении свыше 500В – мегаомметром на 1000В.

На рис.17 представлен участок трёхфазной сети переменного тока с изолированной

Рис.17. Схема участка трёхфазной сети переменного тока с изолированной нейтралью: Rа, Rб, Rc – сопротивление изоляции фаз относительно земли

нейтралью. В таких схемах обычно измеряется сопротивление изоляции каждой фазы относительно земли. Величина сопротивления изоляции отдельной фазы относительно земли не может служить критерием безопасности, так как ток замыкания на землю, а следовательно, и ток через человека, определяется полным сопротивлением изоляции всей сети относительно земли.

Полное сопротивление изоляции сети определяется по формуле

,

(28)

Зная полное сопротивление изоляции сети, можно получить значение величины тока через человека, при прикосновении его к одной из фаз, из следущего выражения:

,

(29)

Наиболее полное представление о состоянии изоляции сети и электроустановки с точки зрения безопасной эксплуатации может быть получено в том случае, если сопротивление изоляции данной сети и электроустановки измерено в нормальных эксплуатационных условиях, т.е. при рабочем напряжении и включенных токоприёмниках. В этих условиях учитывается сопротивление изоляции всех участков сети, а также зависимость сопротивления от напряжения. Этому требованию наиболее полно удовлетворяют устройства непрерывного контроля сопротивления изоляции.

Наибольшее распространение получили так называемы схемы непрерывного контроля сопротивления изоляции на выпрямленных токах. Контроль сопротивления изоляции выпрямленными токами предполагает использование так называемых вентильных схем. В таких схемах необходимые для работы токи образуются посредством трёх вентилей, подключенных к фазам контролируемой сети (рис.18). Общая точка вентилей, соединяется с землёй через килоомметр PR и сигнальное реле K. Килоомметр измеряет сопротивление изоляции сети относительно земли, а сигнальное реле приводит в действие световую или звуковую сигнализацию при снижениисопротивления изоляции ниже установленного предела.

Среднее значение тока нагрузки в вентельной схеме контроля изоляции не зависит от

Рис.18. Вентильная схема контроля сопротивления изоляции: VD – диоды; PR – килоомметр: K – реле; Rа, Rб, Rс – сопротивление изоляции фаз

ассиметрии сопротивлений изоляции отдельных фаз и всегда пропорционально полному сопротивлениюизоляции относительно земли.

Схемы непрерывного контроля состояния изоляции с помощью трёх вольтметров (рис.19) по своему принципу действия не могут осуществлять измерение величины

Рис.19. Схема непрерывного контроля изоляции с помощью трёх вольтметров

сопротивления изоляции сети относительно земли. Их главное назначение состоит в контроле однофазных замыканий на землю, т.е. повреждений, при которых сопротивление сети относительно земли становится близким к нулю.

При исправной изоляции вольтметры показывают напряжение, приблизительно равное фазному. В случаях глухого замыкания на землю один из них показывает нуль, а два других – линейное напряжение. По показаниям вольтметра можно судить лишь о наличии или отсутствии замыканий на землю, а не о величине сопротивления изоляции. При симметричном снижении сопротивлений вплоть до короткого замыкания вольтметры будут постоянно показывать напряжения, равные фазному.

Требования, предъявляемые к сопротивлению изоляции

Контроль сопротивления изоляции производится не только для электрических сетей, но и для любых видов электрооборудования, электрических машин, приборов и аппаратов. Величина сопротивления изоляции оценивается по нормам, которые указаны в действующих электротехнических правилах, стандартах и ТУ.

Правила устройства электроустановок (ПУЭ) требуют, чтобы сопротивление изоляции силовой и осветительной сети напряжением до 1000В на участке между двумя смежными предохранителями или за последними предохранителями между любым проводом и землёй, а также между двумя любыми проводами было не менее 0, 5 МОм.

Проверка сопротивления изоляции бортовой сети разделяется на проверку сопротивления изоляции всей силовой сети и проверку сопротивления изоляции отдельных фидеров. Сопротивление изоляции всей однопроводной сети постоянного тока при выключенных потребителях и отключенных от корпуса летательного аппарата потребителях, не имеющих выключателей, при влажности воздуха не выше 70% должно быть не менее 0, 3 МОм. Сопротивление изоляции каждого фидера при влажности воздуха не выше 70% должно быть не менее 10МОм – при числе потребителей в фидере до трёх; 8МОм – при числе потребителей в фидере больше трёх.

Согласно ГОСТ 16325-76 сопротивление изоляции электрических цепей электронных цифровых вычислительных машин общего назначения (ЭВМ) зависят от максимального рабочего напряжения цепи и должно быть в нормальных климатических условиях, соответственно, не менее 5, 20 и 100 МОм при напряжениях 100, 500, 10000 В. При повышенной температуре сопротивления изоляции ЭВМ уменьшаются до значений 1; 5; 20 МОм. При повышенной влажности (свыше 80%) сопротивления изоляции должны быть, соответственно, не менее 0, 2; 1; 2 МОм.

Бортовые сети летательных аппаратов выполняются проводами различных марок, но наиболее часто используются следующие:

а) провод БПВЛ с изоляцией из винилового пластиката в лакированной оплётке из хлопчатобумажной пряжи, токонесущая жила из медных проволок, применяется для эксплуатации при температуре окружающей среды от +70 до -60°С. Провод БПВЛЭ – то же, что и БПВЛ, но в экранированной плетёнке. Сопротивление изоляции проводов должно быть не менее 500 МОм/м;

б) провод БПТ-250 и БПТЭ-250 с изоляцией из фторопласта-4, обмотанный и оплетённый стекловолокном и пропитанный лаком, эксплуатируется при температуре от -60 до +250°С. Сопротивление изоляции после воздействия температуры +250°С должно быть не менее 500МОм/м;

в) провод БНФ и БНФЭ с полиамидно-фторопластовой изоляцией.

Токоведущие жилы из посеребрённой меди или никелированной проволоки, применяются для эксплуатации при температуре окружающей среды от -60 до +200°С. Сопротивление изоляции после воздействия температуры+200°С должно быть не менее 10000МОм/м.

В производственных помещениях для выполнения осветительных и силовых сетей широко применяются провода марок ПР и АПР. Провод ПР с медной жилой, резиновой изоляцией, в оплётке из хлопчатобумажной пряжи, пропитанной противогнилостным составом, применяется при напряжении до 500В. Провод АПР – то же, что и ПР, но жила из алюминия. Сопротивление изоляции должно быть не менее 200МОм/м.

2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Для эксперементального исследования опасностей поражения человека электрическим током созданы два лабораторных стенда. В первом стенде смоделирована электрическая схема замещения тела человека, схема трёхфазной сети переменного тока с изолированной нейтралью, схема трёхфазной сети переменного тока с изолированной и заземлённой нейтралью, работающая в аварийном режиме, схема непрерывного контроля состояния изоляции сети, схема трёхфазной сети переменного тока с изолированной нейтралью для исследования изоляции. На стенде представлены различные марки проводов летательных аппаратов и силовых сетей для исследования изоляции.

Для исследования защитных функций заземляющих и зануляющих устройств в лабораторных условиях применён второй стенд, в котором смоделированны явления растекания тока в земле, различные варианты измерения сопротивления заземляющих устройств, цепь фаза-нуль и участок земли, удельное сопротивление грунта которого необходимо измерить.

Модель электрической схемы замещения тела человека

Электрическая схема замещения тела человека показана на вертикальной панели стенда и рис.1. В схему исследования включен звуковой генератор Г3-33 и милливольтметр В3-38 с шунтом. Клеммы подключения приборов (1, 2, 3) выведены на горизонтальную панель стенда. Соединение приборов показано на рис.20.

Рис.20. Схема подключения приборов к стенду: I – генератор сигналов типа Г3-33; II – милливольтметр В3-38; III – стенд (модель электрической схемы замещения человека)

1. Генератор сигналов типа Г3-33:

1 – плавная установка частоты; 2 – потенциометр установки выходного уровня; 3- ступенчатая установка частоты; 4 – выходные гнёзда синусоидального сигнала; 5 – переключатель амплитуды выходного сигнала;

2. Милливольтметр В3-38:

1 – индикатор; 2 – выключатель сети; 3 – переключатель пределов измерений; 4 – вход.

3. Стенд

Генератор сигналов типа Г3-33 представляет собой источник синусоидальных электрических колебаний звуковой и ультразвуковой частоты. Частота устанавливается по диапазону переключателем 3 «Множитель». Амплитуда выходного напряжения регулируется потенциометром 2 «Рег. Выхода».

Милливольтметр В3-38 предназначен для измерения напряжения переменного тока синусоидальной формы. Вольтметр обеспечивает измерение среднеквадратического напряжения синусоидальной формы от 0, 1 мВ до 300В в диапазоне частот от 20 Гц до 5 МГц.

Модель трёхфазной сети переменного тока

с изолированной нейтралью

Исследуемая схема трёхфазной сети переменного тока с изолированной нейтралью показана на рис.21

Рис.21. Схема исследуемой трёхфазной сети переменного тока с изолированной нейтралью

Одной из фаз, в зависимости от положения переключателя П2, меняя значение Rчел, можно исследовать изменение величины тока, протекающего через человека при прикосновении его к одной из фаз, а меняя значение Rиз фаз (Rа, Rб, Rc) – зависимость тока через человека Iчел от изменения сопротивления изоляции фаз.

Все регулировочные элементы схемы вынесены на горизонтальную панель стенда, там же размещён миллиамперметр.

Модель трёхфазной сети переменного тока с

изолированной и заземлённой нейтралью

Рис.22. Схема исследуемой трёхфазной сети переменного тока с изолированной и заземлённой нейтралью

На рис.22 представлена схема трёхфазной сети переменного тока, которая с помощью выключателя В1 моделируется в сеть с изолированной нейтралью (В1 «Выкл») или в сеть с глухозаземлённой нейтралью (В1 «Выкл»).

Выключателем В2 можно моделировать замыкание одной из фаз на землю, т.е. работа схемы превращается в аварийный режим. Меняя значение Rчел, R0 и Rзам, исследуется величина тока через человека Iчел при нормальном и аварийном режиме работы схемы.

На горизонтальной панели стенда расположены все регулируемые элементы схемы, выключатели и миллиамперметр.

Схема непрерывного контроля сопротивления изоляции.

Исследуемая схема непрерывного контроля сопротивления изоляции придставлена на рис.23.

Рис.23. Схема непрерывного контроля сопротивления изоляции

Схема состоит из вентильных диодов VD, килоомметра магнитоэлектрической системы PR, исполнительного реле K, регулировочных сопротивлений R1 и R2, переключателей П1 и П2. Потенциометр R2 с помощью переключателя П2 подключается к одной из фаз исследуемой сети. По килоомметру потенциометром R2 устанавливается требуемое значение полного сопротивления изоляции, а потенциометром R1 – ток срабатывания реле, фиксируемый загоранием сигнальной лампочки. После настройки схемы переключатель П2 устанавливается в положение «Выкл».

Модель трёхфазной сети переменного тока с изолированной нейтралью

для исследования сопротивления изоляции

Схема трёхфазной сети переменного тока с изолированной нейтралью показана на вертикальной панели стенда. Сопротивление изоляции отдельных фаз сети относительно земли обозначенысоответственно Rа, Rб, Rc. На горизонтальной панели стенда находятся клеммы А, Б и С, соединённые с соответствующими фазами сети и клемма «Земля».

Исследование проводов

В правой части стенда расположены исследуемые провода марок БПВЛ, БПВЛЭ, БПТ-250, ПР и АПР. На горизонтальной панели стенда расположены клеммы, к которым подключены провода. Измерение изоляции проводов производится мегомметром М1102.

Мегомметр типа М1102

В лабораторной работе для измерения сопротивления изоляции используется переносной мегомметр М1102. Мегомметр состоит из генератора переменного тока с ручным приводом, выпрямителя, измерительного механизма и вспомогательных элементов. Измерительным механизмом является магнитоэлектрический логометр. Шкала мегомметра проградуированна непосредственно в единицах сопротивления. Выбор диапазона измерения производится тумблером. Конструктивно мегомметр оформлен в виде переносного прибора (рис.24).

Рис.24. Внешний вид мегомметра М1102

На лицевой панели прибора расположены клеммы 1 для подключения соединительных проводов, измерительный прибор 2, переключатель пределов измерений4. Сбоку на корпусе прибора имеется ручка привода генератора 3.

Мегомметр имеет два диапазона измерения 0-1000 кОм и 0-500МОм. Напряжение на разомкнутых зажимах в диапазоне измерения «МΩ» составляет 500±50В. Основная погрешность в рабочей часте шкалы не превышает ±1% от длинны шкалы.

При подготовке мегомметра к работе необходимо выполнить следующие операции:

1. Проверить исправность мегомметра. В исправном мегомметре при вращении ручки генератора и замкнутых зажимах стрелка должна установиться на отметке «∞» шкалы «МΩ», если переключатель находится в положении «МΩ», и на отметке «0» той же шкалы, если переключатель находится в положении «кΩ».

2. Установить переключатель диапазонов измерения в положение «кΩ» или «МΩ» в зависимости от величины измеряемого сопротивления. Подключить прибор к исследуемой сети, как показано на рис.25.

Рис.25. Схемы присоединения мегомметра: а) измерение сопротивления изоляции фазного провода; б) измерение сопротивления изоляции между фазами

3. Произвести отсчёт по соответствующей шкале, плавно вращая ручку генератора по часовой стрелке с номинальной скоростью.

ВНИМАНИЕ! При вращении рукоятки не касайтесь оголённых проводов, присоединённых к зажимам мегомметра.

Модель зоны растекания тока

Для эксперементального исследования явлений, сопровождающихрастекание тока от заземлителя, используется модель зоны растекания. В состав модели зоны растекания входят: диск из токопроводящей бумаги с наложенными электродами и вспомогательными рейками, облегчающими измерение расстояние от центра диска; вольтметр постоянного тока с большим входным сопротивлением; источник постоянного напряжения. Центральный электрод моделирует одиночный заземлитель. Кольцевой электрод моделирует зону нулевого потенциала. В состав модели входит также несколько дополнительных элементов: электроды, щупы вольтметра, колодки для фиксации щупов вольтметра на заданном расстоянии друг от друга; модель группы электроаппаратов, заземлённых на общую шину. Применение этих элементов описано в методике исследований.

Токопроводящая бумага моделирует грунт с постоянным удельным сопротивлением ρ. Модель зоны растекания имеет закон распределения потенциала в зоне растекания.

,

(30)

где φ х – потенциал в точке измерения; φ з – потенциал заземлителя; х – расстояние от центра модели; r1 – радиус внутренней окружности кольцевого электрода; r0 – радиус центрального электрода.

Этот закон растекания отличается от рассмотренного закона растекания тока полусферического заземлителя, однако все явления, сопровождающие растекание тока через заземлитель, успешно моделируются на качественном уровне, а при правильном выборе масштаба преобразования и способов представления результатов измерения можно получать количественные зависимости, характерные для реальных заземлителей.

Модель заземляющего устройства

Модель заземляющего устройства и измерительная схема для изучения метода амперметра-вольтметра содержит имитаторы заземлителя, вспомогательного электрода и зонда (см.рис.12). Вспомогательный электрод и зонд обозначены соответственно Rв и Rз. На горизонтальной панели стенда расположены клеммы Rx, Rв и Rз для соединения их с точками 1, 2, 3 измерительной схемы. Здесь же расположен выключатель стеи ВК1 и регулировочное сопротивление R для измерения напряжения источника тока;

Модель заземляющего устройства, исследуемого прибором МС-08, также содержит заземлитель, вспомогательный электрод и зонд (см. рис.13). Клеммы для подключения прибора МС-08 расположены на горизонтальной панели стенда.

Модель заземляющего устройства, исследуемого методом «трёх земель», содержит имитаторы заземлителя (Rх) и двух вспомогательных электродов (Ry и Rz) (см. рис.14). Здесь же расположены амперметр и вольтметр. Для подключения измерительной схемы на горизонтальную панель выведены клеммы Rx, Ry, Rz, соединённые с соответствующими испытуемыми заземлителями. Выключатель ВК1 служит для подачи напряжения в измерительную схему.

Модель цепи фаза-нуль

Модель трёхфазной сети переменного тока с глухозаземлённой нейтралью и устройством для измерения сопротивления цепи «фаза-нуль» состоит из участкатрёхфазной четырёхпроводной сети, электродвигателя, выключателей сети П1 и П2, заземлителя нейтрали Rо, выключателя имитации короткого замыкания ВК2 (см. рис.15).

В цепь «фаза-нуль» включены амперметр, вольтметр и понижающий трансформатор Тр1 с выключателем ВК1. Выключатели П1, П2, ВК1 и ВК2 расположены на горизонтальной панели стенда.

Модель для исследования удельного сопротивления грунта

Модель участка земли для исследования удельного сопротивления грунта методом четырёх электродов имитирует участок земли с контрольными электродоми А. В, С, Д, к которым подключается измеритель заземления МС-08 (см. рис.16). На горизонтальной панели расположены клеммы А, В, С, Д, соединённые с соответствующими электродами, и переключатель ПК для имитации изменения расстояния между электродами.

Инструкция по работе с прибором МС-08

Принцип действия прибора основан на методе амперметра-вольтметра. Ток и напряжение измеряются магнитоэлектрическим логометром. Прибор снабжён генератором постоянного тока с ручным приводом. Постоянный ток генератора с помощью прерывателя преобразуется в переменный. Шкала прибора проградуированна в омах. На лицевой панели расположен показывающий прибор и переключатель пределов измерений. Сбоку на корпусе прибора имеется ручка привода генератора и потенциометр калибровки. Прибор имеет три предела измерения: от 0 до 1000, от 0 до 100 и от 0 до 10 Ом. Погрешность прибора не более 1, 5% при сопротивлении зонда до 1000 Ом. Скорость вращения ручки генератора должна быть в пределах 90-150 об/мин. Измеритель заземления располагают в непосредственной близости от испытуемого устройства и присоединяют клеммы Е1, I1, Е2, I2 к соответствующим точкамисследуемой схемы. Все соединения проводят изолированным проводом. Перед измерением производят компенсацию сопротивления зонда. Для этого переключатель рода работ устанавливают в положение «регулировка» и, вращая ручку генератора со скоростью около 120 об/мин, ручкой потенциометра калибровки устанавливают стрелку прибора на красную отметку шкалы. После компенсации сопротивления зонда переключатель ставят в положение «измерение х 1», т.е. на предел 1000 Ом, и производят замер, вращая ручку генератора. При незначиельном отклонении стрелки прибора последовательно переходят на шкалы «х 0, 1» - 100 Ом и «х 0, 01» - 10 Ом. Отсчёт производят по шкале в омах с учётом множителя. Делается не менее трёх измерений и за измеренную величину принимается среднее арифметическое этих измерений.

3. ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ

При проведении электрических испытаний на лабораторном стенде следует руководствоваться ГОСТ 12.3.019-80, в котором изложены общие требования безопасности.

Стенды лабораторной установки потребляют электрическую энергию, поэтому есть опасность поражения электрическим током, а при коротких замыканиях в электрической схеме стенда возможно появление пожарной опасности. В целях уменьшения электрической опасности на измерительные схемы лабораторных стендов питание подаётся через понижающий трансформатор, напряжение на выходе которого составляет 12В.

Конструкция стендов выполнена с учётом требований ОСТ40.4.78 «Оборудование учебно-лабораторное. Общие требования безопасности».

В целях уменьшения электрической и пожарной безопасности в конструкции стендов предусмотрены следующие мероприятия:

1) корпуса стендов выполнены из токонепроводящих материалов (пластик и дерево);

2) для подсоединения стендов к сети использован кабель с наружной резиновой изоляцией;

3) электрический монтаж выполнен скрытно, проводом марки МГШВ с сопротивлением изоляции 20000МОм/м;

4) в цепи питания установлены предохранители на 1А;

5) используемые в стендах электроизоляционные материалы по классу нагревостойкости соответствуют ГОСТ 8865-70;

При работе на стендах необходимо соблюдать общие требования пожарной безопасности:

1) необходимо знать размещение ближайшего пожарного инвентаря и общего выключателя электроэнергии данной лаборатории;

2) для тушения пожара на лабораторных стендах следует применять углекислотные огнетушители.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

В лабораторной работе, в зависимости от предложенного преподавателем варианта, можно исследовать:

1) зависимость сопротивления тела человека от частоты;

2) зависимость тока через человека от величины сопротивления изоляции и сопротивления тела человека;

3) опасность поражения человека электрическим током в трёхфазных сетях переменного тока с изолированной и заземлённой нейтралью в нормальном и аварийном режимах;

4) устройство непрерывного контроля сопротивления изоляции;

5) состояние изоляции трёхфазной сети переменного тока;

6) состояние изоляции некоторых марок проводов бортовой сети летательных аппаратов и проводов силовой сети;

7) явления, сопровождающие растекание тока с заземлителя на модели зоны растекания (шаговое напряжение и напряжение прикосновения);

8) сопротивление заземляющего устройства методом амперметра-вольтметра;

9) характеристики заемляющего устройства прибором МС-08;

10) качество заземляющего устройства методом трёх измерений («трёх земель»);

11) сопротивление цепи «фаза-нуль» и надёжность срабатывания автомата защиты;

12) удельное сопротивление грунта методом четырёх электродов.

Определение параметров электрического сопротивления

тела человека

Рис.26. Схема включения приборор

Электрическая схема замещения тела человека смонтирована в секции 1 стенда. Для подключения звукового генератора и милливольтметра используются клеммы 1, 2, 3 стенда. Схема включения приборов показана на рис.26 и в вертикальной панели стенда.

Проверьте подключение приборов и положение ручек на генераторе и вольтметре и при необходимости установите:

- ручку 1 плавной установки частоты генератора на 20 Гц;

- переключатель 3 установки частоты в положение х1;

- переключатель режима работы 5 в положение «1»;

- ручку установки выходного напряжения 2 в «0»;

- переключатель пределов измерения 3 на В3-38 установить в положение 10мВ.

Подключить приборы Г3-33 и В3-38 к сети и включите их. Ручкой установки частоты генератора установите соответствующую частоту тока (см. табл.3). Регулятором выходного напряжения установите напряжение, соответствующее варианту задания. Показания приборов запишите в табл.3. Установите следующую частоту в соответствии с данными табл.3 и продолжите эксперимент. После окончания работы выключите приборы.

Таблица 3