Лабораторна робота № 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОБЕЗПЕКИ В МЕРЕЖАХ ТРИФАЗНОГО СТРУМУ НАПРУГОЮ ДО 1000 В

7.1 Мета: вивчити вплив різних факторів і параметрів мережі на наслідки ураження людини електричним струмом в мережах з ізольованою і глухозаземленою нейтраллю.

7.2 Короткі теоретичні відомості

У разі дотику до струмовідних або до металевих неструмовідних частин корпусу електроустановки, що випадково опинилися під напругою в результаті пошкодження ізоляції, величина струму, що протікає через тіло людини, і відповідно, наслідки ураження залежать від режиму нейтралі мережі, умов дотику і параметрів електричної мережі.

Найбільш поширеними на практиці є мережі:

– трифазні з ізольованою нейтраллю (рисунок 7.1 а);

– чотирьохпровідні з глухозаземленою нейтраллю (рисунок 7.1 б)

а)                                        б)

Рисунок 7.1 – Мережа з ізольованою (а) і глухозаземленою нейтраллю (б)

Характеристикою цих мереж з точки зору електробезпеки є величина струму, що протікає через людину, при дотику її до однієї з двох фаз. Такий дотик виникає набагато частіше, ніж двополюсне (двофазне) включення.

Мережі з ізольованою нейтраллю.

Струм, що протікає через тіло людини, при дотику до однієї з фаз трифазної мережі з ізольованою нейтраллю, можна визначити за формулою:

де UФ – фазна напруга, В (в промислових мережах 220 В); Zm – повний опір ізоляції мережі по відношенню до землі, Ом;         Rh – опір людини, Ом.

Якщо ємністю фаз знехтувати (а це можна зробити для коротких мереж напругою до 1000 В) і прийняти, що опір фази дорівнює активному опору (r), величину струму, що протікає через тіло людини, можна визначити з виразу:

При великій ємності фаз (протяжні мережі) струм, що протікає через тіло людини, можна визначити за формулою:

де С – ємність фаз, Ф;  ω = 2πh, h = 50 Гц. 

Вираз (7.2) показує, що в мережі з ізольованою нейтраллю за ємності фаз рівній або близькій до 0, струм, що протікає через тіло людини при однополюсному дотику, залежить, в основному, від величини r, оскільки r>>Rh. З (7.3) випливає, що навіть при хорошій ізоляції () фазних проводів величина струму, що протікає через тіло людини, за наявності ємності (С) між фазами і землею може досягати значень, небезпечних для життя.

Слід відмітити, що в мережах з ізольованою нейтраллю при глухому замиканні однієї з фаз на землю небезпека ураження різко зростає. При цьому напруга ушкодженої фази відносно землі складає лише незначну частину від фазної напруги, а напруга справних фаз зростає майже до лінійної напруги. Таким чином, струм, що протікає через тіло людини при дотику до справної фази, може буди визначений з виразу 7.4.

Мережі з глухозаземленою нейтраллю:

Опір заземлення нейтралі (R0) в мережі з глухозаземленою нейтраллю складає декілька Ом, що значно менше опору ізоляції фаз відносно землі. Враховуючи це, струм, що протікає через тіло людини при дотику до однієї з фаз, можна визначити з виразу

В (7.5) можна знехтувати опором заземлення нейтралі (R0), тому що він не перевищує 10 Ом, а опір ланцюгу людини (Rh) не нижче 1000 Ом. Тоді

тобто людина підпадає під фазну напругу, причому струм, що протікає через тіло людини, не залежить ні від опору ізоляції, ні від ємності мережі відносно землі, а визначається величиною опору тіла людини і може досягати величини, небезпечної для життя.

7.3. Експериментальна частина

Робота проводиться на універсальному лабораторному стенді (рисунок 7.2) шляхом моделювання основних параметрів досліджуваної мережі і визначення величини струму, що протікає через тіло людини, і напруги при дотику її до металевого корпусу електроустановки. На стенді замість існуючих розподілених параметрів ізоляції фаз відносно землі застосовані зосереджені опори і ємності, які можна змінювати за величиною. Опір тіла людини моделюється активним опором.

Рисунок 7.2 – Стенд для дослідження трифазних мереж з ізольованою та глухозаземленою нейтраллю

Порядок виконання роботи

7.3.1. Мережа з ізольованою нейтраллю:

Розрахувати за формулами (7.2) або (7.3) струм, що протікає через тіло людини при однополюсному дотику. Дані для розрахунку вибрати з таблиці 7.1 за вказівкою викладача.

Таблиця 7.1 – Варіанти завдань

Поставити перемикачі “RА”; “RB”; “RC”; “Rh” в положення “∞”, а перемикачі “CA”; “CB”; “CC” – в положення “0”. Тумблер “R0” в положення “Выкл.”.

Ввімкнути на стенді тумблер “Сеть”, а на вертикальній панелі натиснути кнопку “Сеть”. Про готовність стенду до роботи сигналізує на вертикальній панелі світлодіод.

Виміряти за допомогою вольтметра лінійні напруги Uл мережі. Показання вольтметра помножити на десять. Результати вимірів занести до таблиці 7.2.

Таблиця 7.2 – Значення лінійних напруг

Ввімкнути на вертикальній панелі тумблер «Замыкание». Про появу напруги на корпусі електродвигуна свідчить спалахування світлодіода.

Зняти залежність величини струму Іh, що протікає через тіло людини, та напруги дотику Uдот від наступних величин:  

– величини опору RА=RB=RC=r ізоляції фаз Іh = f(r) i Uдот = f(r) при CA=CB= CC =C = const та Rh = const.

– величини ємності CA = CB = CC = С фаз відносно землі Іh = f(С) i
Uдот = f(С) при RА=RB=RC =r=const та Rh = const. Результати вимірювань занести в таблицю 7.4.

7.3. Напруга дотику вимірюється між корпусом і землею. Значення C та Rh задаються довільно за допомогою тумблерів CA=CB=CC та Rh . 

Значення r та Rh задаються довільно за допомогою тумблерів RА=RB=RC та Rh . 

Побудувати за результатами таблиць 7.3 та 7.4 графіки залежності: 

– Іh = f(r) i Uдом = f(r) при CA = CB = CC =С= const, Rh = const. 

– Іh = f(С) i Uдом = f(С) при RА=RB=RC =r=const, Rh = const.

Таблиця 7.3 – Залежність величини струму і напруги дотику від опору ізоляції фаз

Таблиця 7.4 – Залежність величини струму і напруги дотику від величини ємності фаз

7.3.2. Мережа з глухозаземленою нейтраллю

Перевести перемикач на вертикальній панелі “R0” в положення «Вкл».

Виміряти за допомогою вольтметра напругу (показання вольтметра помножувати на десять) Uф і Uл мережі. Результати вимірювань занести в таблицю 7.5.

Таблиця 7.5 – Значення лінійних та фазних напруг

Ввімкнути тумблер “Замыкание”. При цьому на корпусі електродвигуна спалахує світлодіод.

Зняти залежність величини струму, що протікає через тіло людини Іh= f(Rh) і напруги дотику Uдот = f (Rh) при CA=CB=CC=С=const, RА=RB=RC =r= const. Результати вимірювань занести до таблиці 7.6. Значення С та r задаються довільно за допомогою тумблерів CA=CB=CC та RА=RB=RC .

Таблиця 7.6 – Залежність величини струму і напруги дотику від опору тіла людини

Вимкнути тумблер “Замыкание”.

Вимкнути стенд.

Побудувати за результатами таблиці 7.6 графіки залежності:

Іh = f(Rh) і Uдот = f (Rh) при CA = CB = CC =С=const, RА=RB=RC =r= const.

7.4 Висновки

Студент робить висновок на підставі отриманих результатів про ступінь небезпеки дотику людини до корпусу електроустановки за різних режимів нейтралі мережі.