СТЕНД ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике и безопасности жизнедеятельности, и предназначена для использования в учебном процессе при обучении работников безопасным методам труда на электроустановках, в частности, при изучении защитного заземления в трехфазных сетях как с заземленной так и с изолированной нейтралью в нормальном и аварийном режимах работы:
Из уровня техники известен стенд исследования защитного заземления путем моделирования трехфазной четырехпроводной сети, содержащий автомат включения сети, задающий блок, управляющие блоки и элементы контроля испытательного напряжения, который при проведении лабораторных работ по электробезопасности позволяет проводить исследования по влиянию факторов и параметров сети на человека при его поражении электрическим током, а также проверять эффективность защитного заземления (№92004841, вид А, G09B 23/18, 1995, прототип).
Однако, известный стенд не позволяет глубоко и подробно изучать защитное заземление в трехфазных сетях для кабельных и воздушных линий в нормальном и аварийном режимах работы, а также отсутствует возможность наглядной демонстрации (визуализации) на стенде и моделирование условий работы, приближенных к реальным, что затрудняет процесс обучения.
Целью полезной модели является улучшение сформированности средств стенда для глубокого и подробного изучения защитного заземления в трехфазных сетях для кабельных и воздушных линий в нормальном и аварийном режимах работы с возможностью наглядной демонстрации (визуализации) и моделирования условий работы, приближенных к реальным, и исследование при этих условиях обучаемости.
Технический результат достигается за счет того, что в стенде исследования защитного заземления путем моделирования трехфазной четырехпроводной сети, содержащем автомат включения сети, задающий блок, управляющие блоки и элементы контроля испытательного напряжения, при этом, задающий блок выполнен в виде потенциометров, формирующих фазное сопротивление и фазную емкость, а управляющие блоки формируют режимы исследования в трехфазных сетях как с заземленной, так и с изолированной нейтралью в нормальном и аварийном режимах работы, кроме того, элементы контроля испытательного напряжения выполнены в виде измерительных гнезд для подключения измерительных приборов, что обеспечивает проверку эффективности защитного заземления, а также обучение работников безопасным методам труда на электроустановках.
Сущность полезной модели поясняется чертежом на фиг.1 - стенд исследования защитного заземления, электрическая схема; фиг.2 - то же, внешний вид лицевой панели.
н
Стенд предназначен для исследования защитного заземления в трехфазных сетях как с заземленной, так и с изолированной нейтралью в нормальном и аварийном режимах работы. Стенд на фиг.1 и фиг.2 включает в себя следующие узлы: автомат включения трехфазной четырехпроводной сети 1 (Qs), задающий блок 2 (ЗБ), в виде потенциометров, формирующих фазное сопротивление (r) и фазную емкость (с), управляющие блоки (УБ) 3 и 4, формирующие режимы исследования, в частности, имитируется прикосновение человека к фазе (блок УБ 3) или имитируется короткое замыкание на фазе (блок УБ 4), а также элементы контроля испытательного напряжения, выполненные в виде измерительных гнезд (Г 1-18) для подключения измерительных приборов 5.
Рассмотрим трехфазную четырехпроводную сеть с глухозаземленной нейтралью при нормальном режиме работы сети.
0
n
Напряжение прикосновения в этом случае  В а ток через человека  А, где r - сопротивление заземлителя; R - сопротивление тела человека.
0
h
0
ф
ф
h
Согласно требованиям ПУЭ сопротивление заземлителя r не должно превышать 4 Ом, сопротивление же тела человека R не опускается ниже нескольких сотен Ом. Следовательно, можно пренебречь значением r и считать, что при прикосновении к одной из фаз трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью человек оказывается практически под фазным напряжением U, а ток, проходящий через него, равен частному от деления U на R.
Проведем исследование этого режима работы на стенде на примере 1.
n
Пример 1. Человек прикоснулся к фазному проводу трехфазной четырехпроводной сети 380/220 В (в стенде вследствие использования трансформатора вторичных напряжений 150 В) с заземленной нейтралью. Определить ток I, проходящий через человека.
0
n
n
1
2
3
n
1
2
3
н
Дано: r=4 Ом; R=1000 Ом (R стенда составляет 1000 Ом или 1 кОм); r=r=r=r=10 кОм; с=с=с=с=0,1 мкФ
Н
Н
Н
Подключают стенд к трехфазной сети. Включают автомат включения сети 1 (Qs). О включенном состоянии стенда сигнализируют неоновые лампы А, В, С, расположенные под переключателем. Отсутствие свечения одной или нескольких ламп говорит об отсутствии питающего напряжения или неисправности стенда. На задающем блоке 2, в виде потенциометров, формирующих фазное сопротивление (r) и фазную емкость (с), включают тумблеры В2 и В3. На управляющем блоке 3, формирующем режим исследования, устанавливают ручку переключателя В4 в положение, например, А, имитируется прикосновение человека к фазе А. Затем, устанавливают ручки потенциометров А, В, С и N в блоке (ЗБ) 2 в соответствии с заданием примера, и включают тумблер В5. К клеммам (гнездам) Г7 и Г8 при помощи специальных проводов подключают амперметр Э525 на 0,5-1 А. Нажимают кнопку К1 - имитируется прикосновение человека к фазе. Фиксируют ток, протекающий по цепи. Величина этого тока практически равна
Очевидно, что и при других значениях r и с ток через человека будет иметь тоже значение. В чем можно убедиться вращая ручки потенциометров А, В, С, N.
При аварийном режиме рассмотрим два характерных случая.
зм
Напряжение прикосновения равно , В, ток через человека будет , А, где r - сопротивление (относительно малое) через которое фаза замкнута на землю.
зм
0
зм
0
Если принять, что сопротивление замыкания провода на землю r=0, то в данном случае человек окажется под воздействием линейного напряжения сети. Если принять равным нулю сопротивление заземления нейтрали r, то , т.е. напряжение, под которым окажется человек, будет равно линейному напряжению. Однако, в практических условиях сопротивления r и r всегда больше нуля, поэтому . Таким образом, прикосновение человека к фазному проводу сети более опасно в аварийном режиме.
Проведем исследование этого режима на стенде на примере 2.
зм
зм
зм
h
n
Пример 2. В сети, данные которой приведены в примере 1, человек прикоснулся к фазному проводу в период, когда другой провод был замкнут на землю через сопротивление r=Х Ом. Определяют r в крайне левом, в крайне правом и среднем положении движка резистора r, замерив ток I при условии что R стенда 1000 Ом.
Н
Н
Н
Н
h
зм
зм
0
Подключают стенд к трехфазной сети. Включают автомат включения сети 1 (Qs). На задающем блоке 2 включают тумблеры В2 и ВЗ. На управляющем блоке 3 устанавливают ручку переключателя В4 в положение, например А, имитируется прикосновение человека к фазе А. Затем, устанавливают ручки потенциометров А, В, С и N в блоке 2 в соответствии с заданием примера. К клеммам (гнездам) Г7 и Г8 при помощи специальных проводов подключают амперметр Э525 на 0,5-1 А. На управляющем блоке 4 включают тумблер В7. Устанавливают ручку переключателя В6 в положение «В» - имитируется короткое замыкание на фазе «В». Нажимают К1, а затем не отпуская ее нажимают кнопку К2. Фиксируют ток I при крайне левом, крайне правом и среднем положении резистора r и полученный результат заносят в таблицу. Рассчитывают значения r при R=4 Ом.
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
Рассмотрим трехфазную трехпроводную сеть с изолированной нейтралью. При равенстве сопротивлений изоляции и отсутствии емкостей, т.е. при r=r=r=r и с=с=с=0,  что может иметь место в коротких воздушных сетях. При равенстве емкостей и весьма больших сопротивлениях изоляции и с=с=с=c и r=r=r→∞, , что имеет место в кабельных сетях.
Приведем исследование этого режима на стенде на примере 3.
п
Пример 3. Человек прикоснулся к фазе трехфазной сети с изолированной нейтралью, R=1000 Ом.
n
Определить I для двух случаев
A
B
C
A
B
C
1) с=с=с=c и r=r=r=r, сопротивление r имеет следующие значения 10, 20, 30, 40, 110 кOм; емкость с=0,01 мкФ.
2)сопротивление r=110 кOм имеет максимальное значение, а емкость с=0,01; 0,03; 0,05; 0,07; 0,1 мкФ.
Н
Н
Н
h
h
ф
Подключают стенд к трехфазной сети. Включают автомат включения сети 1 (Qs). На задающем блоке 2 отключают тумблеры В2 и В3. На управляющем блоке 3 устанавливают ручку переключателя В4 в положение, например А, имитируют прикосновение человека к фазе А. Затем, устанавливают ручки потенциометров А, В, С и N в блоке 2 в соответствии с заданием примера, и включают тумблер В5. К клеммам (гнездам) Г7 л Г8 подключают миллиамперметр Э536 с током полного отключения стрелки 200 мА. Нажимают кнопку К1, имитируется прикосновение человека к фазе. Фиксируют ток I и полученные результаты заносят в таблицу. Производят расчет тока I считая емкость C=0,001 (с большим допущением) равной нулю и считая сопротивление r=110 кОм, стремящимся к ∞ (также с большим допущением). U принимают равным 150 В - фазное напряжение стенда. Полученные результаты заносят в таблицу и сравнивают их с фиксированными результатами. Этот пример показывает, что в сетях с изолированной нейтралью опасность для человека, прикоснувшегося к одному из фазных проводов в период нормальной работы сети, зависит от сопротивления проводов относительно земли, с увеличением сопротивления опасность уменьшается.
зм
зм
n
зм
При аварийном режиме работы сети, когда возникло замыкание фазы (например, фазы А) на землю через малое активное сопротивление r, проводимости двух других фаз можно принять равными нулю. Напряжение прикосновения будет , если принять, что r<<R, получим . В действительных условиях r всегда больше 0, поэтому напряжение, под которым окажется человек, прикоснувшийся в аварийный период к исправной фазе трехфазной сети с изолированной нейтралью, будет значительно больше фазного и несколько меньше линейного напряжения сети, т.е. этот случай прикосновения во много раз опаснее прикосновения к той же фазе сети при нормальном режиме работы.
Вместе с тем этот случай является так же, как правило, более опасным, чем прикосновение к "здоровой" фазе трехфазной сети с заземленной нейтралью. В подтверждение полученных выводов приведем исследование на стенде на примере 4 с данными аналогичными примеру 2.
зм
Пример 4. Человек прикоснулся к проводу трехфазной трехпроводной сети 380 В с изолированной нейтралью в период, когда другой провод был замкнут на землю через сопротивление r (в левом положении - минимальное, среднем и правом - максимальное значение).
1
2
3
1
2
3
с
п
h
Дано: r=r=r=r=10 кОм; c=c=c=с=0,1 мкФ. (Х=32 кОм); R=1000 Ом. Определить ток I, проходящий через человека.
Н
Н
Н
Н
h
зм
h
зм
Подключают стенд к трехфазной сети. Включают автомат включения сети 1 (Qs). На задающем блоке 2 отключают тумблеры В2 и В3. На управляющем блоке 3 устанавливают ручку переключателя В4 в положение, например А, имитируется прикосновение человека к фазе А. Затем, устанавливают ручки потенциометров А, В, С и N в блоке 2 в соответствии с заданием примера и включают тумблер В5. К клеммам (гнездам) Г7 и Г8 подключают амперметр Э525 на 0,5-1А. Включают тумблер В7 и устанавливают - ручку переключения В6 в положение «В» - имитируют короткое замыкание на фазе В. Нажимают кнопку К1, а затем не отпуская ее нажимаем К2. Фиксируют ток I при заданных положениях резистора r и заносят в таблицу. Рассчитывают I по формуле. Значения r берут из примера 2. Сравнивают результаты примера 4 с результатами примера 2 и делают выводы.
Преимущество стенда состоит в том, что он позволяет глубоко и подробно изучать защитное заземление в трехфазных сетях для кабельных и воздушных линий в нормальном и аварийном режимах работы, а также благодаря ему появляется возможность наглядной демонстрации (визуализации) и моделирование условий работы, приближенных к реальным, позволяет обеспечивать учебно-демонстрационную модель для эффективного проведения лабораторных работ по электробезопасности