Электросеть с изолированной нейтралью

Правила устройства электроустановок (ПУЭ) предусматривают применение двух трехфазных электросетей при U до 1000 В: как с изолированной нейтралью (рис. 3 а), так и с глухозаземленной нейтралью.
Нейтралью трансформатора или генератора называют точку соедине­ния начала обмоток первой, второй и третьей фазы (т.е. Н_А , Н_В и Н_С на рис.3), в которой суммарный потенциал по отношению к земле равен нулю. Если нейтральная точка трансформатора не присоединена к заземляющему устройству (ЗУ) - это электросеть с изолированной нейтралью, если нейтральная точка трансформатора присоединена к ЗУ непосредственно или через малое сопротивление, то это электросеть с глухозаземленной нейтралью (ГОСТ 12.1.030-81 "ССБТ. Электробезопасность. Защитное заземление, зануление").
Заземляющее устройство (ЗУ) - совокупность конструктивно объ­единенных заземляющих проводников и заземлителя. Под заземлителем понимают проводник или совокупность металлически соединенных про­водников, находящихся в соприкосновении с землей. Различают два рода заземления: рабочее, необходимое для обеспечения определенного режима сети, и защитное, необходимое для обеспечения элект­робезопасности на рабочем месте.
Каждая из указанных выше сетей характеризуется различной сте­пенью электробезопасности. Последняя оценивается в основном значе­нием тока, проходящего через тело человека, , или напря­жением, под которым оказывается человек, т.е. напряжением прикос­новения U_ПР , В. Ниже рассматриваются с этих позиций оба вида се­тей для наиболее часто встречающихся случаев прикосновения челове­ка к одной из фаз или металлическому корпусу ЭУ^*.
Электросеть с изолированной нейтралью. При прикосновении чело­века к корпусу ЭУ (рис.За) или к одной фазе сети образуется цепь поражения: корпус ЭУ (или фаза А) - тело человека (R_ЧЕЛ) – обувь-пол-земля-сопротивлеине изоляции фаз В и С - фазы В и С - транс­форматор-фаза А-корпус ЭУ. Человек оказывается под фазным напряже­нием U_Ф, а величина зависит от омической r_ИЗ и емкостной С составляющих сопротивления изоляции фаз относительно земли. При отсутствии емкостей между проводами и землей (С_А=С_В=С_С=0 , т.е. сеть незначительной протяженности) и равенстве омических соп­ротивлений изоляции фаз (r_A=r_B=r_C=r_ИЗ) величина
(1)
где r_ОБ - сопротивление обуви человека, Ом; r_ПЛ - сопротивление пола (основания), на котором стоит человек, Ом.
Если человек стоит на токопроводящем полу и имеет проводящую обувь, т.е. r_ОБ=0 и r_ПЛ=0, формула (1) упрощается:
(2)
Анализ формулы (2) показывает: чем больше величина r_ИЗ, тем меньше . Например, при r_ИЗ равном 5 и 500 кОм, соот­ветственно равны 82,5 (смертельный) и 1,3 мА (неопасный ток) при U_Ф=220 В и С=0. Следовательно, величина r_ИЗ фаз в электросети с изолированной нейтралью является важным показателем электробезо­пасности и требует к себе особого внимания. Если r_ИЗ поддерживает­ся на достаточно высоком уровне (по ПУЭ r_ИЗ500 кОм), то прикос­новение к одной фазе (или корпусу ЭУ) в этой сети с U до 1000 В и малой емкостью фаз считается более безопасным. Поэтому ГОСТ 12.1.030-81, ПЭЭП и ПТБ при эксплуатации ЭУ потребителей требу­ют постоянно контролировать r_ИЗ в электросети с изолированной ней­тралью.
При большой емкости фаз (в кабельных и разветвленных воздушных сетях) может произойти поражение током человека, прикоснувшегося к одной из фаз с совершенно исправной изоляцией. В этом случае то­ки утечки будут возникать через емкости С_А , C_В и С_С. При этом чем больше емкость проводов С, тем больше . Например, при С, равной 0,03 и 1,2 мкФ, соответственно равны 6,6 и 165 мА, т.е. возрастает в 25 раз при r_ИЗ = .
При замыкании другой фазы (например, В или С) на землю через малое активное сопротивление r_ИЗ (аварийный режим) напряжение, под которым окажется человек - прикоснувшийся к исправной фазе А или к корпусу ЭУ, будет значительно больше U_Ф и несколько меньше U_Л сети. В этом случае
(3)
В такой момент прикосновения человека его поражения во много раз больше, чем при прикосновении к той же фазе электросети при нормальном режиме работы /см. формулу (2)/.
Электросеть с глухозаземленной нейтралью. При прикосновении человека к корпусу ЭУ (рис.3б) или к одной фазе электросети образу­ется цепь поражения: корпус ЭУ (или фаза А) - тело человека (R_ЧЕЛ) - обувь-пол-земля-рабочее заземление нейтрали r₀ - нейтраль - фаза А - корпус ЭУ. Человек оказывается под U_Ф , а величина
(4)
Когда человек находится на деревянном сухом полу (r_ПЛ=60 кОм) и имеет на ногах сухую непроводящую (резиновую) обувь ( r_ОБ=50 кОм), I_ЧЕЛ=2 мА при U_Ф =220 В и r₀ =10 Ом. При r_ПЛ = 0 (сырой грунт или токопроводящий пол) и r_ОБ =0 (сырая обувь или с металлически­ми гвоздями) I_ЧЕЛ =218 мА. (смертельный ток). Следовательно, на величину I_ЧЕЛ не оказывают влияние ни r_ИЗ, ни С. Последние зашунтированы глухим соединением нейтрали с ЗУ, сопротивление которого с землей r₀ должно быть не больше значений, указанных ниже. Иск­лючительно важна для безопасности человека в этом случае изоляция пола r_ПЛ, на котором он стоит, и обуви r_ОБ.
При аварийном режиме, когда изоляция другой фазы (например, В или С) пробила на землю через сопротивление r_ИЗ и ЭУ не отключе­на токовой защитой, а человек касается неповрежденной фазы А или корпуса ЭУ, он попадает под напряжение всегда меньше U_л, но нес­колько больше U_Ф. Величина этого напряжения зависит от r_ЗМ и r₀ . В этом случае
, (5)
Наиболее часто r₀  r_ЗМ, а r₀ имеет малую величину. Поэто­му напряжение каждой неповрежденной фазы относительно земли мало отличается от I_ЧЕЛ  U_Ф / R_ЧЕЛ. В этом случае прикосновение человека при аварийном режиме к исправному фазному проводу электро­сети с заземленной нейтралью имеет почти такую опасность, как и при нормальном режиме.
Таким образом, по условиям прикосновения к фазному проводу (или незаземленному, незануленному корпусу ЭУ) в период нормально­го режима работы электросети более безопасной является сеть с изо­лированной нейтралью, а в аварийный период - сеть с глухозаземленной нейтралью. Поэтому электросеть с изолированной нейтралью при­меняют в тех случаях, когда можно поддержать высокий уровень r_ИЗ и когда емкость этой сети С незначительна. Такими являются малора­зветвленные электросети, не подверженные воздействию агрессивной среды и находящиеся под постоянным надзором квалифицированного персонала. Когда нет возможности обеспечить хорошую изоляцию про­водов (высокая влажность, агрессивная среда и пр.), быстро отыскать или устранить повреждение изоляции или когда емкостные токи замы­кания на землю достигают опасных для человека значений (значите­льная протяженность электросети), следует применять сеть с глухозаземленной нейтралью. Последняя предпочтительна по технологичес­ким требованиям: позволяет использовать два рабочих напряжения – U_Л и U_Ф (380 В для питания силовой электрической нагрузки, а 220 В - освещения).
Для обеспечения достаточной электробезопасности в ЭУ применяют широкий комплекс защитных мер в соответствии с ГОСТ 12.1.019-79* "ССБТ. Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты" и ПУЭ. Наиболее важные из них рассмотрим ниже.
Основным средством защиты от перехода U с токоведущих частей ЭУ на ее конструктивные части является надежная изоляция токоведу­щих частей. Контроль состояния изоляции осуществляют при приемке ЭУ после монтажа или ремонта и периодически (1-2 раза в год) в процес­се ее эксплуатации, а также постоянно при ее эксплуатации в элект­росетях с изолированной нейтралью.
Приемочный и периодический контроль изоляции ЭУ осуществляют измерением r_ИЗ и испытанием ее повышенным U. Сопротивление изо­ляции электросетей, обмоток машин, трансформаторов и других ЭУ из­меряют мегаомметрами или М11O1M, M1102, М1103, М41OO и др. при сня­том U между фазами (обмотками) и между фазами (обмотками) и зем­лей. При этом рекомендуется производить измерения на участке между смежными предохранителями или за последними предохранителями. В си­ловых цепях рекомендуется отключать электрические машины и аппара­туру; в осветительных цепях - вывинчивать только лампы.
Об эксплуатационном состоянии изоляции судят, сравнивая данные измерений с предыдущими (касается всех электродвигателей переменно­го тока) или с нормами (0,5 МОм для силовых и осветительных ЭУ с U до 1000 В), установленными ПУЭ.
Периодический контроль изоляции под рабочим U можно произво­дить с измерительным U не более 20…30 В для избежания перегрузки изоляции. Поэтому лучше измерять r_ИЗ обыкновенным омметром, подклю­чив его к сети через дроссель, чтобы ограничить величину переменно­го тока через прибор.
Постоянный контроль изоляции осуществляют приборами типа ПКИ и УАКИ, с помощью вентильной схемы контроля изоляции 3В или схемы трех вольтметров.
Для защиты обслуживающего персонала от поражения электротоком при прикосновении к нетоковедущим частям ЭУ в электросетях с изолированной нейтралью предусматривается защитное заземление в сочета­нии с контролем сопротивления изоляции r_ИЗ (ГОСТ 12.1.030-81).
Защитным заземлением (по ГОСТ 12.1.009-76 и ПУЭ) называется преднамеренное электрическое соединение с ЗУ металлических нетоковедущих частей ЭУ, которые могут оказаться под U.
Защитное заземление служит для снижения до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, обусловленных замыканием на корпус ЭУ или другими причинами. Это достигается уменьшением потенциала заземленного оборудования (за счет уменьшения сопротивления защит­ного заземления) и выравниванием потенциалов основания, на котором стоит человек, и заземленного оборудования (за счет подъема потен­циала этого основания до значения, близкого к значению потенциала заземленного оборудования).
Согласно ГОСТ 12.1.030-81 и ПУЭ защитному заземлению подлежат металлические нетоковедущие части ЭУ, которые вследствие неисправ­ности изоляции могут оказаться под U и к которым возможно прикос­новение людей и животных. При этом в помещениях с повышенной опас­ностью и особо опасных, а также в наружных установках защитное за­земление является обязательным при номинальном U ЭУ выше 42 В пе­ременного и 11О В постоянного тока, а в помещениях без повышенной опасности - при U  380 В переменного и U 440 В постоянного тока. Во взрывоопасных помещениях такое заземление выполняют неза­висимо от применяемого U.
При прикосновении человека к заземленному корпусу ЭУ (рис.4), когда одна фаза (например, А) имеет замыкание на корпус, величина
(6)
где r₃ - сопротивление ЗУ, Ом.
А
нализ формулы (6) показывает, что при прочих равных условиях I_ЧЕЛ будет иметь тем меньшее значение, чем меньше будет r₃. Ве­личина r₃ состоит из сопротивлений заземляющих проводов, заземлителей и сопротивления растекания тока в земле. Защитное заземле­ние будет отвечать условиям безопасности, если I_Зr₃  U_ДОП , т.е. допустимому U на корпусе ЭУ по отношению к земле. Поэтому величина r₃ нормируется ГОСТ 12.1.030-81 и ПУЭ (гл.1.7). Для ЭУ U до 1000 В значение r₃ должно быть не более 4 Ом; при мощ­ности источника тока 100 кВ А и менее значение может быть не более 10 Ом.
Практика эксплуатации ЭУ показывает, что только 0,6 % всех электротравм происходит при наличии заземления, обладающего большим сопротивлением (более ), и до 22 % - при отсутствии заземления. Поэтому необходимо проверять сопротивление ЗУ r_З не реже одного раза в год. Для этого применяют приборы типа МС-08 или М 416 (из­меритель сопротивления заземления).
В электросетях с глухозаземленной нейтралью U до 1000 В с целью защиты обслуживающего персонала от поражения электротоком при­меняют зануление (ГОСТ 12.1.030-81). В этих сетях защитное заземле­ние не обеспечивает уменьшение U_ПР до 42 В. Поэтому выбран путь -- уменьшение длительности режима замыкания фазы на корпус ЭУ.



Рис. 3. Схема защитного заземления для случая прикосновения человека к корпусу электрооборудования при замыкании фазы на корпус.


Занулением (по ГОСТ 12.1.009-76) называется преднамеренное эле­ктрическое соединение с нулевым защитным проводником (НЗП), который соединен с глухозаземленной нейтралью трансформатора, металлических нетоковедущих частей ЭУ, которые могут оказаться под U (рис.4).
Зануление служит для превращения замыкания на корпус ЭУ в одно­фазное короткое замыкание (КЗ) между фазным и нулевым защитным про­водниками с целью вызвать большой ток. Последний обеспечит срабаты­вание защиты (плавкие предохранители, максимальные автоматы, реле, расцепители) и тем самым автоматически отключит поврежденную ЭУ от питающей элект
росети. Кроме того, заземление корпусов ЭУ через НЗП снижает в аварийный период их U относительно земли. Следователь­но, зануление в ЭУ осуществляет два защитных действия.
З
Рис. 4. Схема зануления электрооборудования.
анулению подлежат те же металлические нетоковедущие части ЭУ, что и защитному заземлению, но только в электросетях с глухозаземленной нейтралью.
Для обеспечения минимального времени срабатывания защиты необ­ходимо так подобрать сечение НЗП, чтобы
(7)
где - требуемый ток однофазного КЗ в системе зануления, А; К - коэффициент кратности тока ( принимается для плавких предохрани­телей, находящихся в невзрывоопасных помещениях, К = 3, а взрывоопасных – К=4, для автоматического выключателя без выдержки времени К= 1,25...1,4); - номинальный ток плавкой вставки ближайшего плавкого предохранителя или автоматического выключателя, А. Чтобы достиг такой величины, ПУЭ (гл.1.7) устанавливает пол­ную проводимость НЗП во всех случаях равной не менее 50% проводи­мости фазного провода.
Фактический ток однофазного КЗ берется по показанию амперметра, включенного в НЗП (как в данной лабораторной работе) или рассчиты­вается по формуле: (8)
где - полное сопротивление обмотки трансформа­тора ( ) и фазного провода ( ), Ом; - полное сопро­тивление НЗП, Ом.
Напряжение прикосновения, воздействующее на человека с момента замыкания на корпус ЭУ до срабатывания защиты,
(9)
где r_П - сопротивление повторного ЗУ НЗП, Ом; r₀ - сопротив­ление рабочего ЗУ нейтрали, Ом.
Формула (9) показывает, что U_ПР во многом зависит от r₀ и r_П, особенно при обрыве НЗП. Поэтому согласно ГОСТ 12.1.030-81 и ПУЭ (гл. 1.7) значение r₀ в любое время года должно быть не бо­лее 2, 4 и 8 Ом соответственно при U 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока. Это сопротивление должно быть обеспечено с учетом использования естественных заземлителей и повторного заземления НЗП воздушных ЛЭП, а также искусственного заземлителя, расположенного вблизи ней­трали трансформатора. Последний должен иметь сопротивление не бо­лее 15, 30 и 60 Ом соответственно при тех же напряжениях.
При удельном сопротивлении земли  более 100 Ом допускает­ся увеличивать указанные выше нормы для r₀ в 0,01 раз, но не более чем десятикратно.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Материально-техническое обеспечение лабораторной работы
Электробезопасность в электросетях с изолированной и глухозаземленной нейтралью исследуют на моделирующем стенде СЭБ-2М с мнемопанелью, созданной ВНИИОТ BЦСПC (г. Тбилиси). К стенду приданы силовые кабели и мегаомметр типа М1101М, моделирующая установка ЗУ и измеритель сопротивления заземления типа М 416.
2.2. Детальная методика проведения эксперимента
2.2.1. Ознакомиться со стендом СЭБ-2М и подготовить его к рабо­те, поставив все тумблеры в положение "выключено", а переключатели в нулевое положение (положение флажка тумблера вниз означает "вык­лючено", а вверх - "включено"). Изучить учебное задание на проведе­ние исследования (см. на рабочем месте), вариант которого выдает преподаватель.
Примечания:

1. 
   Студенты специальностей ОГР, ГМО выполняют данную лабораторную работу в течении четырех часов (на первом занятии подпункты: 2.2.2 и 2.2.3, а на втором 2.2.4 и 2.2.5) и готовят один общий протокол отчета.
   
2. 
   Студенты специальности ЭС выполняют данную лабораторную работу в течении двух часов и готовят единый протокол отчета.
   

2.2.2. Исследовать опасность прикосновения человека к незазем­ленному корпусу ЭУ (при пробое изоляции фазы А на этот корпус) и эффективность защитного заземления в электросети с изолированной нейтралью на стенде СЭБ-2М;
2.2.2.1. Включить тумблер «устр», при этом высветится исследу­емая схема на мнемопанели, сравнить ее с нарисованной в про­токоле отчета (см. ниже раздел 3);
2.2.2.2. Поставить переключатель R_ЧЕЛ в положение согласно вари­анта учебного задания на исследование;
2.2.2.3. Нажать кнопку «замыкание» и, одновременно изменяя ак­тивное сопротивление изоляции фазы, указанной в задании, с помощью переключателей r_В или r_С от 1 до 400 кОм, снять показания с при­боров mА и V по каждой позиции этих переключателей. Все показа­ния внести в табл.1 протокола отчета;
2.2.2.4. Отпустить кнопку «замыкание» и поставить в нулевое по­ложение переключатели r_В или r_C ;
2.2.2.5. Включить тумблер r_Р (сопротивление защитного заземле­ния превышает требование ПУЭ) и дорисовать (красным или другим цветом) на схеме в протоколе отчета защитное заземление корпуса ЭУ, которое высветилось на мнемопанели стенда;
2.2.2.6. Выполнить вновь исследования, изложенные в п.2.2.2.3, и отпустить кнопку «замыкание». Затем выключить тумблер r_Р, а переключатель r_В или r_C поставить в нулевое положение;
2.2.2.7. Включить тумблер r_З (сопротивление защитного заземле­ния соответствует требованиям ПУЭ) и повторить вновь исследования, изложенные в п.2.2.2.3. Мнемопанель покажет при этом стекание тока с корпуса ЭУ через заземлитель. Отпустить кнопку «замыкание»;
2.2.2.8. Выключить тумблеры r_З и «устр», а переключатель r_B или r_С поставить в нулевое положение.
2.2.3. Измерить сопротивление изоляции фаз кабелей, номера ко­торых указаны в учебном задании на исследование, с помощью мегаомметра типа M -1101M:
2.2.3.1. Присоединить к клеммам «Земля» и «Линия» мегаомметра лабораторные проводники, а переключатель прибора M -1101M установить в положение «МОм»;
2.2.3.2. Присоединить вторые концы лабораторных проводников к испытываемому кабелю (вначале к одному, а затем к другому) и изме­рить сопротивление изоляции фаз (вращать ручку мегаомметра со скоростью не ме­нее 120 об. в мин.). При величине r_ИЗ<0,5 МОм переключатель прибора M -1101M необходимо установить в положение кОм и повторить измере­ние. Полученные результаты замеров внести в табл.2 протокола отче­та;
2.2.3.3. Отсоединить проводники от испытываемого кабеля и убрать рабочее место.
2.2.4. Измерить сопротивление ЗУ, находящегося в моделирующей установке, с помощью прибора М-416 (измеритель сопротивления зазем­ления от 0,1 до 1000 Ом):
2.2.4.1. Ознакомиться с моделирующим устройством ЗУ и подгото­вить его к исследованию, включив его тумблеры в соответствии с за­данием;
2.2.4.2. Ознакомиться с прибором M-416 и подготовить его к рабо­те - ручку переключателя пределов установить в положение «контроль 5 Ом», нажать кнопку и вращением ручки "реохорд" добиться устано­вить стрелку индикатора на нулевую отметку (на шкале реохорда дол­жно быть показание 5  0,3 Ом, в противном случае пригласить пре­подавателя);
2.2.4.3. Подключить клеммы 1...4 прибора M-416 по схеме^*, указа­нной в учебном задании на исследование, проводниками к зажимам r_X, R_ЗОНД и R_ВСП на моделирующей установке;
2.2.4.4. Установить ручку переключателя пределов на приборе M-416 в положение "X1";
2.2.4.5. Нажать кнопку и, вращая ручку "реохорд", добиться мак­симального приближения стрелки индикатора к нулю.
2.2.4.6. Вычислить результат измерения, который равен произве­дению показания шкалы реохорда на множитель переключателя пределов (согласно п.2.2.4.4. он равен 1), и записать в табл.3 протокола отчета. При r_З > 10 Ом ручку переключателя пределов установить в поло­жение "Х5", "Х20" или "X100" и повторить п.2.2.4.5 (множители бу­дут 5, 20 иди 100);
2.2.4.7. Отсоединить проводники от зажимов моделирующей устано­вки и убрать рабочее место.
2.2.5. Исследовать опасность прикосновения человека к незануленному корпусу ЭУ (при пробое изоляции фазы А на этот корпус) и эф­фективность зануления в электросети о глухозаземленной нейтралью на стенде СЭБ-2М;
2.2.5.1. Включить тумблеры r₀ (нейтраль трансформатора) и «устр», при этом высветится исследуемая схема на мнемопанели, ко­торую сравнить с нарисованной в протоколе отчета;
2.2.5.2. Нажать кнопку «замыкание» и, изменяя на стенде сопро­тивление R­_ЧЕЛ от 1 до 10 кОм, зафиксировать в табл.4 протокола от­чета показания прибора mА. По окончании исследований отпустить кнопку «замыкание»;
2.2.5.3. Включить тумблеры «зануление» (без плавких предохрани­телей или автоматов), поставить переключатель R_ЧЕЛ в положение 1 кОм и дорисовать (красным или другим цветом) на схеме в протоколе отчета зануление корпуса ЭУ, которое высветилось на мнемопанели стенда;
2.2.5.4. Установить переключатель R_ЧЕЛ в положение согласно ва­рианту учебного задания, нажать кнопку «замыкание» и зафиксировать показания приборов А, V и mА в протоколе ниже табл.4. За­тем отпустить кнопку «замыкание»;
2.2.5.5. Нажать кнопку «включение плавких предохранителей» и кратковременно кнопку «замыкание» и зафиксировать сгорание плавких предохранителей в сети зануления ЭУ (на стенде СЭБ-2М включается соответствующее табло), показав, что сопротивление «фаза-нуль» име­ет нормальную величину. Кнопка «включение плавких предохранителей» через некоторое время сработает, и снова включит напряжение в сети ЭУ без плавких предохранителей;
2.2.5.6. Выключить тумблеры r₀ , «зануление» и «устр», а пе­реключатель R_ЧЕЛ поставить в нулевое положение. Убрать рабочее место.
2.2.6. Выполнить обработку и анализ полученных эксперименталь­ных данных по методике раздела 4 данной работы.

3. 
   Протокол отчета по лабораторной работе № 6
   

^{____________________________________________________________________________
(название лабораторной работы)}
Цель работы________________________________________________________
___________________________________________________________________Вариант №__________

1. 
   Исследование опасности прикосновения человека к незаземлен­ному корпусу ЭУ (при пробое изоляции фазы А на этот корпус) и эф­фективности защитного заземления в электросети с изолированной нейтралью (нарисовать исследуемую схему с рис.3 а).
   

R_ЧЕЛ= кОм Таблица №1

rИЗ ФАЗ, кОм	Без заземления		С заземлением rР > 4 Ом		С заземлением rЗ  4 Ом
	IЧЕЛ, mA	UПР, В	IЧЕЛ, mA	UПР, В	IЧЕЛ, mA	UПР, В
1
2
5
10
400

I_ЧЕЛ, mA 1 - без заземления

2 - c заземлением r_P
3 - c заземлением r₃


Рис.1 (дать название) r_ИЗ, кОм
Выводы____________________________________________________________
___________________________________________________________________
Измерение сопротивления изоляции фаз кабелей заземляющего устройства и оценка их соответствия требованиям ПУЭ.