Реферат: И. И. Ползунова Стуров Д. С. Защита от электрического тока техническими средствами Методические указания

Министерство образования Российской Федерации
Алтайский Государственный Технический Университет
им. И.И. Ползунова


Стуров Д.С.


Защита от электрического тока техническими средствами


Методические указания к выполнению лабораторной работы

по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности»

для студентов всех специальностей и форм обучения АлтГТУ.


Барнаул 2004


УДК 621. 316.

Стуров Д.С., к.т.н., доц. Защита от электрического тока техническими средствами. Методические указания к выполнению лабораторной работы для студентов всех форм обучения/ Алт. Гос. Техн. ун-т им. И.И. Ползунова. – Барнаул, изд-во АлтГТУ, 2004-15 с.


Методические указания содержат некоторые теоретические основы по электробезопасности особенно в части защиты от поражений электротоком техническими средствами. Рассмотрены наиболее эффективные технические меры защиты. Особенно устройства защитного отключения, реагирующие на утечку тока в аварийных ситуациях. Эти устройства являются перспективными, служат снижению электротравматизма и могут быть применимы для защиты объектов от пожаров. Описаны стенд для исследований, порядок его работы, оформление результатов, контрольные вопросы и литература.


Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры БЖД.


^ Цель работы:


Ознакомить студентов с техническими мерами и средствами защиты от электротока, особенно с устройствами защитного отключения (УЗО).


^ План проведения работы:


1) Ознакомиться с содержанием методических указаний и обсудить с преподавателем ход выполнения работы;

2) Получить вариант задания у преподавателя или выбрать самостоятельно, но обязательно согласовав его с преподавателем;

3) Произвести измерения по выбранному варианту;

4) Уяснить контрольные вопросы;

5) Оформить отчёт и защитить его у преподавателя;


^ 1 Общие сведения по электробезопасности


1.1 Основные причины электротравматизма


Основными причинами несчастных случаев от воздействия электрического тока являются:

а) Случайное прикосновение или приближение на опасное расстояние к открытым токоведущим частям, находящимся под напряжением.

ПРИМЕР – на заводе Трансмаш произошёл несчастный случай со смертельным исходом с электромонтёром К.

Не обесточив действующую электроталь (подъёмное устройство), потерпевший приступил к устранению неисправности объекта, расположенного вблизи запасной электротали и коснулся неизолированного участка питающего кабеля, находящегося под напряжением. Попав под фазное (380 В) напряжение был смертельно поражён электротоком;

б) Появление напряжения на металлических частях электроустановок (металлообрабатывающий станок, подъёмный кран, ручной электрофицированный инструмент и т.д.) в результате повреждения изоляции электропроводки и замыкании тока на корпус электроустановки.

ПРИМЕР – в совхозе им. Мамонтова Поспелихинского района Алтайского края произошёл несчастный случай со смертельным исходом с дояркой В.

В результате грубейшего нарушения установки электродвигателя водяного насоса произошло замыкание оголённых проводов на корпус насоса. Проходя мимо, пострадавшая В. коснулась рукой корпуса насоса и была смертельно поражена электротоком;

в) Появление напряжения на отключённых электроустановках, на которых работают люди, вследствие несогласованных действий обслуживающего персонала.

ПРИМЕР – на Алтайском Вагоностроительном Заводе произошёл несчастный случай со смертельным исходом с электриком Л.

Без индивидуальных средств защиты пострадавший производил ремонт крепления токосъёмников отключённого мостового крана. От воздействия внезапно появившегося электротока (ошибочное включение) пострадавший потерял устойчивость и , падая с высоты 6 метров, получил дополнительные тяжёлые телесные повреждения и скончался;

г) Возникновение шагового напряжения Uш на поверхности земли в результате замыкания электропроводов на землю при их обрыве (рисунок 1).


ПРИМЕР – после грозы и сильного ветра в г. Барнауле произошёл групповой несчастный случай со смертельным исходом. Трое парней, проходя мимо оборванных проводов ЛЭП-0,4 кВ, не соблюдая мер предосторожности, приблизились к проводам под напряжением ближе 8 метров, попали под действие шагового напряжения и погибли.





Рисунок 1 – Схема действия шагового напряжения:

А – оборванный электропровод, по которому стекает ток в землю I3; Б – электрическое поле радиусом R=20м переменной величины (от 0 до 3) вокруг места стекания тока (точка 1) в землю. При попадании человека в круг Б возникает разность потенциалов между левой и правой ногами, т.е. Uш= 2-2 - 3-3, именуемое шаговым напряжением.


^ 1.2 Технические меры защиты от электротока

1.2.1 Защита от случайного прикосновения к открытым токоведущим частям электроустановок; обеспечивается несколькими способами:

1 – изоляцией токоведущих частей;

2 – размещением электропроводов на недосягаемой высоте (не ниже 4-6 метров от земли);

3 – установкой ограждений опасных зон и предупредительных знаков.

1.2.2 Защита от прикосновения к оборудованию, находящемуся под напряжением, вследствие замыкания электропроводки на корпус оборудования; обеспечивается следующими мерами:

а) – применением двойной изоляции питающих кабелей, электропроводки или путём устройства дополнительной изоляции корпусов ручных электрофицированных инструментов;

б) – применением малых напряжений 12, 24, 36 и 42 В в местах повышенной опасности поражения электротоком. Например, при работе в металлических ёмкостях (цистерны, крупные баки, танкеры и т.п.) допускаются электрофицированные инструменты (наждак, дрель, зубило и т.д.) напряжением не более 12 В. Телескопические светильники местного освещения на станочном оборудовании допускаются напряжением не более 36-42 В;

в) – устройством защитного заземления (рисунок 2).





Рисунок 2 – Схема защитного заземления:

1 – электроустановка; 2 – болт заземляющий; 3 – соединительный провод; 4 – заземлитель.

Защитное заземление – это преднамеренное электрическое соединение металлических нетоковедущих частей электроустановок (станок, пресс, подъёмный кран, электродрель и т. д.) с землёй.

Область применения защитного заземления – трёхфазные трёхпроводные сети напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью и выше 1000 В с любым режимом нейтрали. Заземлению подлежат все виды оборудования, к которым возможно прикосновение людей и животных.

Основными конструктивными элементами защитного заземления (см. рисунок 2) являются:

1 – электроустановка, 2 – болт заземляющий, 3 – соединительный провод, связывающий электроустановку с заземлителем 4, расположенным в земле.

Принцип действия защитного заземления: при замыкании электропроводки на корпус оборудования (1) ток замыкания J3 растекается по корпусу и уходит в землю по проводнику 3 и заземлителю 4. В связи с тем, что сопротивление заземлителя по нормам электробезопасности очень мало (не более 4 Ом), ток с корпуса электроустановки обвально стекает в землю, в результате резко снижается напряжение на корпусе оборудования относительно земли до безопасной величины. По законам физики, ток замыкания попадает и на человека, но во много раз меньше чем в землю (в 250 раз), т. к. сопротивление тела человека RЧ равно 1000 Ом, а сопротивление заземлителя R3 равно 4 Ом.

Основное требование к защитному заземлителю – сохранение целостности конструктивных элементов (2,3,4, рисунок 2) и их сборки;

г) - Устройство зануления




Рисунок 3 – Схема зануления:

1 – электроустановка; 2 – автомат отключения (предохранители); 3 – электросвязь; 4 – нулевой защитный провод, 5 – заземление нейтральной точки О источника тока.

6 – повторное заземление нулевого провода.

Занулением называется преднамеренное электрическое соединение (3) с нулевым защитным проводником (4) металлических нетоковедущих частей оборудования (1), которые могут оказаться под напряжением.

Нулевым защитным проводником называется проводник (4) соединяющий зануляющие части оборудования с глухо-заземленной нейтральной точкой (о) обмотки источника тока. По нулевому защитному проводнику (4) рабочий ток не течёт, а только ток короткого замыкания Jк в аварийных ситуациях.

Основные конструктивные элементы зануления (рисунок 2):

1 – электроустановка, 2 – автомат отключения, 3 – зануляющий проводник, связывающий электроустановку с нулевым проводом, 4 – нулевой защитный провод, 5 – заземление нейтрали (т. е. нейтральной точки о источника тока), 6 – повторное заземление нулевого провода.

Принцип действия зануления – превращение замыкания на корпусе 1 в однофазное короткое замыкание тока J3, т.е. замыкание между фазным и нулевым проводами с целью создания большего тока J3, чем в сети, способного обеспечить срабатывание системы защиты и тем самым автоматически отключить повреждённую электроустановку от питающей сети.

С момента появления тока замыкания J3 до отключения аварийной установки проходит 1-2 с. В это время возникает опасность поражения электротоком людей, работающих на неисправной установке. Для уменьшения этой опасности и применено заземление нейтрали R0 и Rп создающими эффект наподобие защитного заземления (см. пункт В).

^ Основное требование к занулению:

1. Тщательная прокладка нулевого провода, чтобы исключить возможность его обрыва по любой причине;

2. Целостность всех элементов зануления.

Область применения зануления – трёхфазные четырёхпроводные сети напряжения до 1000 В с глухозаземлённой нейтралью. Обычно это сети напряжением 127/220; 220/380; 380/660 В в машиностроении и других отраслях.

Занулению подлежат корпуса электроустановок (оборудования) машин и аппаратов, станки, лабораторные стенды и т.п.;

д) – Устройство защитного отключения (см. пункт 2 настоящих методических указаний).



Защита от поражения электрическим током с помощью

отключающих устройств


^ 2.1 Назначение и область применения устройств защитного отключения (УЗО)


В последние годы в России и за её пределами всё большее распространение получают разнообразного вида устройства защитного отключения электроустановок, оказавшихся в аварийном состоянии.

Защитное отключение – это высокоэффективная мера, обеспечивающая безопасность людей и животных, зданий и сооружений. Путём быстродействующего отключения (в течение 0,1-0,2 с.) электроустановок в аварийных ситуациях, таких как:

1 – замыкание электропроводов на корпус оборудования или на землю;

2 – утечка тока выше допустимого значения через повреждённую или устаревшую изоляцию проводов;

3 – случайное прикосновение работающего человека к открытым неизолированным токоведущим частям;

4 – внезапное появление в сети более высокого напряжения по сравнению с обычным (номинальным).

Область применения УЗО практически не ограничена: они могут применяться в сетях любого напряжения и с любым режимом нейтрали (как с изолированной, так и с глухозаземленной нейтралью).

Особенно незаменимы УЗО для ручных электрофицированных инструментов (электродрель, электронаждак, электропила, электрорубанок и т.д.), когда в случае неисправности изоляции, опасность поражения электротоком особенно велика, потому что аварийный инструмент в этот момент находится в руках работающего. УЗО защищают от поражения электротоком не только людей, но и взрывоопасные объекты, предотвращая загорание и взрывы своевременным отключением неисправной электросети или электроустановки.


^ 2.2 Типы и составные части УЗО


Устройство защитного отключения (УЗО) должны обеспечивать отключение несправной электроустановки за очень короткое время (0.1-0.2 сек).

Основными частями УЗО являются (рисунок 4):

а) Электрическая часть прибора защитного отключения – это совокупность отдельных элементов, которые реагируют на изменение какого-либо параметра электрической сети (сила тока, напряжение и др.) и дают сигнал на отключение автоматического выключателя. Этими элементами являются:

- датчик – устройство, воспринимающее изменение параметра электросети и преобразующее его в соответствующий сигнал (как правило, датчиками служат реле тока (РТ), реле напряжения (РН) и т.п.);

- усилитель сигнала (УС), предназначенный для усиления сигнала датчика, если сигнал окажется недостаточно мощным;

- каналы передачи аварийного сигнала (КПАС) на исполнительный орган (АВ), отключающий аварийную установку;

- вспомогательные элементы – сигнальные лампы, измерительные приборы (вольтметр, амперметр и др.);

б) Автоматический выключатель – устройство, служащее для включения и отключения цепей, находящихся под нагрузкой (в нормальном режиме), и при коротких замыканиях (аварийный режим). Он должен надежно отключать электроцепь автоматически при поступлении сигнала от электрической части прибора защитного отключения.





Рисунок 4 – структурная схема УЗО:

Д – датчик, УС - усилитель сигнала, КПАС – канал передачи аварийного сигнала, АВ – автоматический выключатель питающей сети, АЭ – аварийная электроустановка.


Типы УЗО


Каждое устройство защитного отключения в аварийных ситуациях воспринимает изменение сигнала одного какого-либо электрического параметра, на который реагирует электрическая часть прибора защитного отключения, УЗО делятся на следующие типы, реагирующие на появление:

1 – напряжения корпуса электроустановки относительно земли;

2 – тока, стекающего в землю с корпуса электроустановки;

31 - напряжения нулевой последовательности;

41 - тока нулевой последовательности;

5 – напряжения фазы относительно земли.


По закону Кирхгофа геометрическая (векторная) сумма токов и напряжений в трехфазной сети равна нулю и нет никакого импульса на отключение электроустановки при ее нормальном режиме работы.

Если же в сети по каким-либо причинам электрическое равновесие нарушается, например, в результате замыкания одной из фаз на землю, или прикосновения человека к фазе, а также при утечке тока на землю через поврежденную изоляцию, то геометрическая сумма токов и напряжений будет уже не равна нулю (равновесие электросистемы нарушается), и тогда в сети по проводам течет разный по величине ток и напряжение. Это и есть, так называемый ток нулевой последовательности и напряжение нулевой последовательности. Результирующая этих токов (напряжений) и воспринимается датчиком отключающего устройства.

Если величина результирующего тока (напряжения) превысит допустимые Iдоп (Uдоп), датчик среагирует на это и подаст сигнал на автоматическое отключение аварийного участка сети или аврийной электроустановки, и они отключаются. Опасность поражения электротоком устраняется.

Рассмотрим схемы накоторых типов УЗО.

^ 2.3 УЗО, реагирующее на появление напряжения корпуса электроустановки

относительно земли (рисунок 5)




Рисунок 5 – Схема УЗО, реагирующая на появление напряжения на корпус относительно земли:

1 - электроустановка, 2 – автоматический выключатель, 3 – заземлитель корпуса,

4 – вспомогательный заземлитель; РН – реле напряжения, ОК – отключающая катушка автоматического выключателя, Rз и Rв – сопротивление защитного и вспомогательного заземления, Iз и Iр – ток замыкания и ток, проходящий через реле напряжения РН.


Датчиком в этой схеме служит реле напряжения РН, включенное между защищаемым корпусом 1 и вспомогательным заземлителем 4. При замыкании одной из фаз на корпус в начале проявляется защитное свойство заземления (З), снижающее электрический потенциал корпуса до некоторого уровня к. Если к превысит допустимую по электробезопасности величину доп , при котором напряжение прикосновения к корпусу Uпр будет выше допустимого Uдоп , сработает устройство защитного отключения и поврежденная электроустановка автоматически отключается от сети.

Входная величина электрического параметра, при которой датчик УЗО реагирует на отключение аварийной электроустановки, называется уставкой.

Входная величина тока и напряжения датчика УЗО, при которой наступает отключение не должна превышать предельно допустимых значений, указанных в таблице 1.


Таблица1 – Предельно допустимые значения


Род тока

Продолжительность воздействия, с

≤ 0,08

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

>1.0

Переменный 50Гц

650

650

500

500

250

250

165

165

125

125

100

100

85

85

70

70

65

65

55

55

50

50

36

6

Постоянный

650

650

500

500

400

400

350

350

300

300

250

250

240

240

230

230

220

220

210

210

200

200

40

15



Примечание: в числителе даны напряжения U,В; в знаменателе - токи I, мА.


^ 2.4 УЗО, реагирующие на появление тока нулевой последовательности (ток

разбаланса электросистемы в аварийных ситуациях)


В устройствах защитного отключения этого типа импульсом, вызывающим отключение электроустановки, является возникновение тока нулевой последовательности в разбалансированной сети при аварийных ситуациях (рисунок 6).






Рисунок 6 – Схема УЗО, реагирующая на появление тока нулевой последовательности:

1 – электроустановка, 2 – автоматический выключатель, 3 – трансформатор тока нулевой последовательности, 4 – реле тока, 5 – заземление корпуса.


В устройстве защитного отключения датчиком, воспринимающим и преобразующим импульс на отключение электроустановки 1, служит трансформатор тока нулевой последовательности 3 (ТТНП), который своим токопроводом охватывает все провода данного участка питающего электрокабеля (рисунок 7).




Рисунок 7 – Схема трансформатора тока нулевой последовательности:

1 – магнитопровод (сердечник) разъемный; 2 – электрокабель; 3 – провода (фазы) кабеля – первичные обмотки трансформатора; 4 – вторичные обмотки.


Фазы кабеля в этом случае играют роль его первичных одновитковых обмоток.

В результате магнитные потоки, создаваемые в магнитопроводе ТТНП токами первичных обмоток складываются, а суммарный магнитный поток обусловливает возникновение тока во вторичной обмотке ТТНП. Ток вторичной обмотки проходит через токовое реле РТ и является тем импульсом, при котором срабатывает УЗО, отключая аварийную электроустановку.

Благодаря разъемности конструкции ТТНП, он может быть установлен для работы в любом доступном месте временно или постоянно. Эти преимущества УЗО являются изобретением кафедры “Электроснабжение сельского хозяйства” АлтГТУ. В изготовлении опытных образцов разъемных магнитопроводов принимал участие и автор данной работы.


^ 3 Устройство и работа лабораторного стенда.


Лабораторный стенд предназначен для экспериментальной проверки УЗО, реагирующего на ток нулевой последовательности, электрическая схема которого представлена на рисун-

ке 8.

Источником питания схемы является электроток осветительной сети напряжением 220В. Роль электроустановки в схеме выполняет реостат Р1. Для регистрации тока нагрузки в цепь реостата включен амперметр А. В качестве поврежденной электрической линии, питающей эту электроустановку, применен отрезок двужильного кабеля 1 и электрически связанный с ним дополнительный проводник 2. Ток нулевой последовательности в схеме искусственно имитируется пропусканием тока через дополнительный проводник 2 .



Рисунок 8 – Электрическая схема стенда:

1 – двужильный кабель; 2 – дополнительный проводник тока утечки; Р1 – реостат, задающий нагрузку (электроустановка); Р2 – реохорд, регулирующий ток утечки; РТ – реле тока; ОК – отключающая катушка; ТТНП – трансформатор тока нулевой последовательности.


Этот ток есть не что иное, как ток утечки через якобы поврежденную изоляцию электрокабеля. Ток утечки регулируется реохордом Р2 и контролируется миллиамперметром мА. В качестве датчика тока утечки используется трансформатор тока нулевой последовательности (рисунок 7). Первичной обмоткой трансформатора является двужильный кабель. Вторичная обмотка расположена на кольцевом магнитопроводе (сердечнике). Выводы вторичной обмотки подключены к отключающей катушке автоматического выключателя.


Расположение приборов на панели стенда показано на рисунке 9.





Рисунок 9 – Расположение приборов и элементов управления на панели стенда:

1, 2 – амперметры нагрузки 1 и токов утечки 2; 3 – лампочка, сигнализирующая появление токов утечки в электросети; 4 – кнопка контроля наличия токов утечки в электросети, 5 – кнопка тест-контроля исправности УЗО 14; 6 – лампочка, сигнализирующая о включении и исправности УЗО; 7 – реостат, задающий ток нагрузки в сети, исследуемой электроустановки; 8 – преключатель порога срабатывания УЗО (переключатель уставок); 9 – автоматический выключатель (пускатель) УЗО; 10 – резистор (реохорд), изменяющий плавно ток утечки исследуемой электроустановки; 11 – выключатель миллиамперметра 2; 12 – вилка включения стенда в электросеть;13 – выключатель стенда; 14 – электронный ток УЗО.


Амперметр 1 фиксирует ток нагрузки, создаваемый реостатом 7. Милиаперметром 2 фиксируется ток утечки. В схеме предусмотрено несколько вариантов токов утечки (уставок), при которых срабатывает УЗО. Эти варианты (30,100,300) на стенде устанавливаются переключателем 8. (Уставка 300 не подключена и не используется в лабораторной работе)

При достижении заданной величины тока утечки (норматив уставки – входной величины тока от ТТНП до ТР) резистором 10, загорается сигнальная лампочка 3. В реальных условиях рабочий персонал, увидев это, должен выяснить причину утечек тока и устранить ее.

При дальнейшем повышении тока утечки резистором 10 схема сработает на отключение нагрузки (неисправной электроустановки) и стенд обесточится автоматически. По величине разницы токов отключения и сигнала можно косвенно судить о степени опасности поражения электротоком людей и объектов. Если эта разница незначительна – это означает, что опасность поражения велика, если она намного превшает ток сигнала , то опасность в этом случае меньше и поэтому УЗО “не торопится” отключить повреждение. Например, повреждение электросети в рабочем помещении (цехе) и повреждение электросети в степи. Реакция электроперсонала на неисправность будет адекватна степени опасности.


4 Порядок выполнения лабораторной работы


^ 4.1 Требования безопасности


- запрещается работать на стенде без разрешения преподавателя;

- при обнаружении неисправности стенда, работа должна быть прекращена и сообщено преподавателю.


^ 4.2 Выбрать вариант задания по таблице 2 самостоятельно или с помощью преподавателя и подготовить в своей рабочей тетради таблицу 2 для проведения исследований.


Таблица 2 – варианты лабораторных заданий

№ варианта

Положение

реостата

Положение переключателей 4, 5

Величина тока утечки мА в режиме

Показатель безопасности защиты ПБЗ

Сигнал Iс

Отключение Iо

1

2

3

4

5

6


1

А, I =

30

18







100

40







Б, I =

30

18







100

40







С, I =

30

18







100

40








2

А, I =

30

18







100

50







Б, I =

30

18







100

50







С, I =

30

18







100

50








3

А, I =

30

18







100

60







Б, I =

30

18







100

60







С, I =

30

18







100

60








4

А, I =

30

18







100

70







Б, I =

30

18







100

70







С, I =

30

18







100

70








5


Б, I =




100

40







50







60







70








^ 4.3 Проверить и привести в исходное положение приборы на панели стенда:


а – реостат 7 устанавливаем в положение А – соответствующему варианту задания;

б – переключатель 8 - в позицию 30;

в – выключатель 11 – ставим в нижнее положение;

г – резистор 10 – переводим в крайнее левое положение;

д – автоматический выключатель 9 следует установить сначала в положение «откл», а затем в положение «вкл» (т.е. рычаг сначала переводится вправо до упора и тут же его нужно перевести назад влево до упора).


4.4 Включить стенд в розетку, строго соблюдая соответствие фаз на вилке 12 и розетке (на розетке и вилке с торца указаны красным цветом метки «Ф» и «О»). Выполнить свой вариант задания в следующей последовательности на примере варианта 1:


а – реостат 7 установить в положение А;

б – переключатель 8 – в позиции 30;

в – выключатель 11 – установить в верхнее положение;

г – нажать на клавишу 13 со стороны метки «В» на корпусе розетки. В результате этих действий включаются в работу амперметры 1,2 и загорается зелёным цветом контрольная лампочка 6. Стенд готов к работе;

д – записать в рабочую тетрадь величину тока нагрузки по амперметру 1 в колонку 2 таблицы результатов исследования;

е – поворотом вправо резистора 10 увеличиваем плавно и осторожно ток утечки до загорания лампочки 3. Это ток сигнала неисправности электроустановки. Величину этого тока следует довести до величины (18), указанной в задании, и записать в свою тетрадь (колонка 4 таблицы 2);

ж – поворотом вправо резистора 10 очень плавно увеличиваем ток утечки до срабатывания УЗО на отключение. Момент отключения электроустановки (стенда) наступает неожиданно, сопровождаясь громким звуком. Поэтому в этот момент нужно быть внимательным и следить за показаниями миллиамперметра 2. Величина показаний миллиамперметра в момент отключения и является током отключения (уставкой) электроустановки. Результат заносится в тетрадь (колонка 5 таблицы 2) против позиции “30” колонки 3.

Если же отключение произошло так неожиданно, что вы не успели зафиксировать величину тока отключения Iо, эксперимент следует повторить заново, приведя в исходное положение приборы стенда;

з – после измерения тока сигнала Iс и то