Исследование условий электробезопасности в трехфазных сетях с изолированной и компенсированной нейтралью

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

«Санкт-Петербургский  государственный электротехнический университет

"ЛЭТИ" имени  В.И. Ульянова (Ленина)»

(СПбГЭТУ)

Кафедра БЖД

 

 

Отчёт

Лабораторная  работа №1

Исследование условий  электробезопасности в трехфазных сетях с изолированной и компенсированной нейтралью

 

Выполнили:

 

 

 

 

Преподаватель:

Демидович О. В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2007 г.

 

Цель работы: Исследование режимов однофазного прикосновения и изучение основных принципов защиты от поражения электрическим током.

 

Общие сведения

Защитное заземление в сетях с изолированной нейтралью  обеспечивает условия электробезопасности  при прикосновении человека к корпусу приемника электроэнергии, оказавшемуся под напряжением в результате повреждения изоляции одной из фаз. Напряжение прикосновения (а следовательно и ток ) при этом снижается до безопасного значения вследствие перераспределения напряжений между фазами сети и землей: за счет малого значения сопротивления защитного заземления эквивалентное сопротивление поврежденной фазы относительно земли существенно уменьшается, соответственно уменьшается напряжение между этой фазой и землей (напряжение прикосновения) и увеличиваются до линейного напряжения на сопротивлениях изоляции здоровых фаз. В этом режиме напряжение прикосновения определяется формулой

 

где — сопротивление защитного заземления.

Экспериментальная установка:

.

Этот стенд имитирует трёхфазную сеть, работающую в режиме с изолированной  или компенсированной нейтралью.

Переменные резисторы Ra, Rb, Rc и конденсаторы Са, Cb, Cc имитируют сопротивления изоляции и емкости фаз сети относительно земли; их значения 2, 10, 50, 250, 500 кОм, ∞ и 0; 0,1; 0,3; 0,5; 1,0; 10 мкФ устанавливаются переключателями S8-S13. Выключателем S7 устанавливается режим замыкания фазы b на землю через сопротивление Rзам = 100 Ом. Однофазное прикосновение человека имитируется подключением резистора R_h = 1 кОм к фазе а сети или корпусу приемника электроэнергии (переключатель S4); выключателем S5 выполняется замыкание фазы а на корпус электроприемника. Последний может быть заземлен через сопротивление Rз, значения которого 0,1; 1 или 100 Ом устанавливается переключателем S6. С помощью вольтметра и переключателя S3 можно измерить напряжение смещения нейтрали U₀, напряжения фаз сети относительно земли U_ф-з и напряжения U_пр.

 

Обработка результатов:

1)Исследование зависимостей условий электробезопасности от состояния изоляции и величины ёмкости от состояния изоляции и величины ёмкости фаз сети относительно земли

 

Условия безопасности рассматриваются  в двух случаях – при исправной  изоляции фаз сети (когда  ) и при наличии в ней неисправностей типа замыканий на землю.

 

 

 

Схема: “Прикосновение человека к  ТВЧ”

 

№ опыта	Параметры сети						Результаты  измерений											Результаты  расчёта
	Сф,мкФ	ra,кОм			rb,кОм		rc,кОм		U0,В	Ua-з,В		Ub-з,В		Uc-з,В		Uпр,В		Uпр.расч.,В
I. 1)	0,1	2			2		2		14	9		35		30		9		6,65		Рис 1
		10			10		10		11	6		34		36		6		2,99
		50			50		50		21	3		37		39		3		2,04
		250			250		250		22	2		38		40		2		2,04
		500			500		500		22	2		38		40		2		2,05		Рис 2
2)	0,3	2			2		2		14	8		34		31		8		7,01		Рис 3
		10			10		10		11	7		32		37		7		5,29
		50			50		50		20	6		34		40		6		5,70
		250			250		250		21	6		35		41		6		5,92
		500			500		500		21	6		35		41		6		5,95		Рис 4
3)	0,5	2			2		2		18	8		33		31		8		7,66
		10			10		10		15	9		31		37		9		7,87
		50			50		50		19	9		31		40		9		8,96		Рис 5
		250			250		250		19	10		32		41		10		9,29
		500			500		500		19	10		31		41		10		9,33
4)	1	2			2		2		11	10		30		32		10		9,92
		10			10		10		13	15		25		36		15		13,08
		50			50		50		15	16		25		38		16		14,63		Рис 6
		250			250		250		15	16		24		38		16		14,99
		500			500		500		15	16		24		38		16		15,04
5)	10	2			2		2		9	15		25		32		15		21,33
		10			10		10		9	20		19		32		20		21,80
		50			50		50		9	21		18		33		21		21,86		Рис 7
		250			250		250		9	21		18		33		21		21,87
		500			500		500		9	21		18		33		21		21,88
6)	0,5		2	2		2		10			28		12		31		28		7,66	Рис 8
			2	2		500		13			29		10		34		29		8,38
			500	2		2		12			31		10		31		31		9,47
			500	2		500		15			32		7		35		32		10,93

Зависимость напряжения прикосновения Uпр от сопротивления фаз rф

 

 

 

В результате сравнения значений напряжения прикосновения расчётного с экспериментальными данными, можно прийти к выводу, что U_{пр расч} при C_ф=10мкФ существенно отличается от U_пр экспериментального.

 

Напряжение прикосновения рассчитывалось по след формуле:

Где - фазное напряжение источника электроэнергии; - активные проводимости изоляции фаз; , .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) Изучение  принципа действия защитного  заземления

 

 

Схема: “Прикосновение человека к  заземлённому корпусу”

 

№ опыта	Параметры сети				Результаты измерений					Результаты  расчёта
	Сф,мкФ	ra,кОм	rb,кОм	rc,кОм	U0,В	Ua-з,В	Ub-з,В	Uc-з,В	Uпр,В	Uпр.расч.,В
II. Защит режим 1) Rз=0;0,1; 10;100 Ом	10	50	50	50	9	34	8	31	34	0,00	Рис 9
					22	0	39	39	0	0,01	Рис 10
					21	1	38	39	1	1,03	Рис 11
					14	11	28	31	11	7,54	Рис 12
2) Rз=0;0,1; 10;100 Ом	0,5	2	2	2	10	28	12	31	28	0,00	Рис 13
					21	0	39	39	0	0,00
					21	1	38	39	1	0,17
					13	10	29	34	10	1,73

 

Напряжение прикосновения рассчитывалось по след формуле:

  Устанавливаем режим прикосновения  человека к корпусу электроприёмника и замыкаем фазу a на корпус.

1). Устанавливаем 

Измеряем напряжения U_0, U_a-з, U_b-з, U_c-з, U_пр при трёх различных значениях защитного                                                                        

сопротивления R_з.

 

 

3)Ознакомление с принципом компенсации ёмкостных токов утечки

 

Схема: “Случай полной компенсации”

 

№ опыта	Параметры сети				Результаты  измерений					Результаты расчёта
	Сф,мкФ	ra,кОм	rb,кОм	rc,кОм	U0,В	Ua-з,В	Ub-з,В	Uc-з,В	Uпр,В	Uпр.расч.,В
3)	1	2	2	2					29	9,92
4)	1	2	2	2					10	9,92
									5	9,92
									0	9,92

 

1). Устанавливаем режим  однофазного прикосновения к  сети с изолированной нейтралью.

2). Измеряем напряжение прикосновения  U_пр при и произвольном равном значении сопротивлений изоляции фаз ( ).

3). Включаем реактор L с регулируемой индуктивностью. Измеряем напряжение U_пр при трёх значениях индуктивности реактора.

 

Таблица №5: Результаты измерений

 

L	Uпр, В
1	10
2	5
3	0

 

Рассчитаем значение L при полной компенсации и сопоставим его с полученным результатом:

, но в режиме полной компенсации , и следовательно , откуда:

что вполне соответствует экспериментальным  данным (при U_пр=0 В L=3 Гн)

Заключение:

 

1)Исследование зависимостей  условий электробезопасности от состояния изоляции и величины ёмкости от состояния изоляции и величины ёмкости фаз сети относительно земли

При сопоставлении графиков выделим закономерность протекающих процессов: при увеличении ёмкостей фаз C_ф напряжение прикосновения становится больше с каждым разом.

 

2) Изучение принципа  действия защитного заземления

Из полученных результатов эксперимента видно, что в случае прикосновения  человека корпусу он оказывается  под напряжением прикосновения  значительно меньше фазного. Хотя при увеличении сопротивления защитного заземления (от 0,1 кОм до 100 кОм) напряжение прикосновения возрастает (от 0,5 В до 11 В). И это не странно: например бесконечное увеличение сопротивления защитного заземления уже будет эквивалентно полному его отсутствию. Следовательно, не стоит его делать слишком большим.

 

3)Ознакомление с принципом  компенсации ёмкостных токов  утечки

Компенсация емкостных токов путем  заземления нейтрали через катушку  индуктивности позволяет уменьшить  ток Ih в сетях с большой емкостью. По отношению к сопротивлению Rh контур “катушка индуктивности L – емкости фаз относительно земли” должен находиться в режиме резонанса токов. Таким образом, в зависимости от величины емкости и состояния электрической изоляции фаз напряжение прикосновения может изменяться от безопасного значения ( около 0 ) до равного линейному напряжению.

 

Cравнение с допустимыми  значениями:

№ опыта	Uпр,В	tпр,с
I. 1)	90	0,2
	60	0,3
	30	0,6
	20	0,7
	20	0,7
2)	80	0,25
	70	0,27
	60	0,3
	60	0,3
	60	0,3
3)	80	0,25
	90	0,2
	90	0,2
	100	0,1
	100	0,1
4)	100	0,1
	150	0,05
	160	0,05
	160	0,05
	160	0,05