Politechnika Lubelska Wydział Elektryczny Laboratorium Elektrotechniki	Ćw. nr 7 Ochrona przeciwporażeniowa.	Gr. MD 205.1a Data:11.10.1999r
Prowadzący: Dr J.Wawszczak	Odrabiający ćwiczenia: Andrzej Karpiński Waldemar Mazurek Jerzy Rutkowski Stefan Kruk	Oceny:

SPRAWOZDANIE

1.Wiadomości ogólne.

Prąd elektryczny może wywierać ujemne działanie na organizm ludzki. Oddziaływanie to może mieć charakter bezpośredni ( przy przepływie prądu przez ciało ) lub pośredni ( uszkodzenia wywołane bez przepływu prądu przez organizm ).

Z porażeniem prądem można mieć do czynienia w dwóch przypadkach

-jeżeli użytkownik dotknie do metalowej części obwodu elektrycznego w trakcie normalnej pracy

-jeżeli zetknie się z metalową obudową, na której pojawiło się napięcie spowodowane awarią urządzenia ( najczęściej uszkodzenia izolacji ).

Środki, które chronią przed porażeniem w trakcie normalnej pracy urządzeń noszą nazwę środków ochrony podstawowej, a środki chroniące użytkowników w przypadkach uszkodzeń urządzeń, to środki ochrony dodatkowej.

Środki ochrony podstawowej

Do środków ochrony podstawowej zalicza się:

-izolację części czynnych obwodów elektrycznych,

-ogrodzenia ( przegrody ) i obudowy ( osłony ),

-bariery ( przeszkody ),

-umieszczenie części czynnych obwodów elektrycznych poza zasięgiem ręki.

Środki ochrony dodatkowej

Wśród środków ochrony dodatkowej można wyróżnić:

-zerowanie ochronne,

-uziemienie ochronne,

-przeciwporażeniowe wyłączniki ochronne,

-obniżenie napięcia roboczego,

-zastosowanie urządzenia II klasy ochronności lub izolacji równoważnej,

-izolowanie stanowiska pracy,

-połączenia wyrównawcze,

-separacja obwodu odbiornika od sieci zasilającej.

Zerowanie ochronne

Zerowanie ochronne polega na połączeniu metalowych części urządzeń elektrycznych,

które w warunkach normalnej pracy nie znajdują się pod napięciem ( np. obudów ), z przewodem neutralnym N ( zerowym ).

W przypadku uszkodzenia izolacji obwodu elektrycznego urządzenia, na jego obudowie pojawia się napięcie względem ziemi, powstaje obwód zamknięty ( tzw. pętla zwarcia ),

W którym zaczyna płynąć prąd zwarcia I­_z o wartości wynikającej z zależności:

I_z=U_f/Z_p, Z_p=√(R²_p+X²_p)

gdzie: I_z -prąd zwarcia,

U_f -napięcie fazowe sieci zasilającej,

Z_p -impedancja pętli zwarciowej ( suma impedancji przewodów: fazowego, zerowego, zerującego, uzwojenia wtórnego transformatora ),

R_p , X_p -składowe impedancji pętli zwarcia, rezystancyjna R i impedancyjna X.

Warunek skuteczności zerowania ochronnego:

I_z≥I_w=k • I_bn ,

gdzie: I_w -prąd wyłączający zabezpieczenia,

I_bn -prąd znamionowy bezpiecznika,

k -współczynnik zależny od rodzaju stosowanego zabezpieczenia, w przypadku bezpieczników topikowych zależy od rodzaju topika ( szybki, zwłoczny ) oraz wartości prądu znamionowego, natomiast dla bezpieczników automatycznych od charakterystyki prądowo czasowej ( typu H -działanie szybkie, typu L -działanie zwłoczne ).

Warunki stosowania zerowania ochronnego:

-przewód neutralny ( zerowy ) powinien być uziemiony w punkcie zasilania ( przy transformatorze ) za pomocą uziomu o rezystancji R_o≤5Ω

-przewód zerowy jest wzdłuż trasy linii, na jej końcach i w punktach odgałęzień dodatkowo uziemiany uziomami o rezystancji R_d≤30Ω,

-w przewodzie zerowym nie ma żadnych zabezpieczeń i aparatów łączeniowych ( wyjątek gniazda z bolcem ),

-przekrój przewodu zerującego powinien być dostosowany do przekroju przewodów fazowych.

Przeciwporażeniowe wyłączniki ochronne

Wyłączniki przeciwporażeniowe wykonywane są jako napięciowe i różnicowo-prądowe. W wyłączniku różnicowo-prądowym, w przypadku kiedy suma geometryczna prądów płynących przez przewodnik nie jest równa zeru ( co odpowiada stanowi przebicia izolacji i upływu prądu doziemnego, a w przypadku porażenia - przepływu prądu przez ciało człowieka ), występuje zaindukowanie napięcia w uzwojeniu przekładnika i przepływu prądu przez cewkę urządzenia wyłączającego zasilanie odbiornika.

Wyłączniki tego typu budowane są jako jednofazowe i trójfazowe z czułościami prądowymi 30mA i 300mA.

Uziemienie ochronne

Uziemienie ochronne polega na połączeniu z uziomem metalowych części urządzeń elektrycznych, które w warunkach normalnej pracy nie znajdują się pod napięciem.

Uziomy budowane są ze specjalnej ocynkowanej taśmy metalowej, zakopywanej w ziemię na głębokość około 0,8m.

Po uszkodzeniu izolacji urządzenia powstaje obwód, w którym zaczyna płynąć prąd zwarcia I_z. Prąd zwarcia I­_z wywołuje na rezystancji uziemienia ochronnego R_z spadek napięcia U_z:

I_z•R_z=U_z,

który jest równy napięciu dotykowemu.

Warunek skuteczności uziemienia ochronnego

Uziemienie ochronne jest skuteczne, gdy największa wartość napięcia, która może pojawić się na metalowej obudowie urządzenia spełnia warunek:

U_{z max}=I_w•R_z≤U_l,

gdzie: U_{z max} -największa wartość napięcia dotykowego,

I_w -prąd wyłączający zabezpieczenia,

R_z -rezystancja uziemienia ochronnego,

U_l -napięcie bezpieczne.

Wartość napięcia bezpiecznego U_l zależy od rodzaju prądu ( stały, przemienny ) oraz od warunków środowiskowych.

Dla prądu przemiennego:

U_l=50V -gdy rezystancja ciała ludzkiego w warunkach otoczenia wynosi co najmniej 1000Ω, U_l=25V - gdy rezystancja ciała ludzkiego w warunkach otoczenia może być mniejsza

niż 1000Ω.

Z powyższego wynika, że dla pełnej oceny skuteczności uziemienia ochronnego należy znać dane bezpiecznika oraz ocenić warunki środowiskowe, by określić wartość napięcia bezpiecznego U_l.

Jeżeli w obwodzie zwarciowym pojawiłby się prąd zwarcia I_z większy od prądu wyłączalnego I_w zastosowanego zabezpieczenia, to w skutek zadziałania zabezpieczenia wyłączającego nastąpiłoby samoczynne wyłączenie zasilania.

2. Wyniki pomiarów.

2.1 Badanie izolacji.

Ćwiczenie obejmowało badanie izolacji:

-silnika trójfazowego,

-transformatora bezpieczeństwa,

-instalacji trójfazowej czteroprzewodowej.

Otrzymane wyniki zostały zamieszczone w poniższej tabeli.

Badane urządzenie	Znamionowe napięcie pracy Un	Wyniki pomiaru rezystancji izolacji Ri			Wymagana Rezystancja Izolacji Ri
	V	Punkty pomiarowe		MΩ	MΩ
Trójfazowy silnik asynchroniczny U=220/380V	380	zacisk fazowy -zacisk fazowy zacisk fazowy -obudowa	RUV	90	0,38
		380			RUW	90	0,38
		380			RVW	0,32	0,38
		220			RU-obud.	90	0,22
		220			RV-obud.	90	0,22
		220			RW-obud.	90	0,22
	Transformator jednofazowyU=220/24V	220	ZaciskDN-zaciskGN zaciskDN-obudowa zaciskGN-obudowa		RGN-DN	98	0,22
		24			RGN-obud.	98	0,024
		220			Rdn-obud.	98	0,22
	Instalacja elektryczna U=220/380V	220	zacisk fazowy -zacisk zerowy zacisk fazowy -zacisk fazowy		RL1-N	1,0	0,22
		220			RL2-N	2,2	0,22
		220			RL3-N	1,2	0,22
		380			RL1-L2	1,2	0,38
		380			RL1-L3	0,19	0,38
		380			RL2-L3	1,0	0,38

Obliczenia do punktu 2.1

Rezystancja izolacji R_i urządzeń elektrycznych o napięciach 220, 380, 500V nie powinna być mniejsza niż 1000Ω na 1V znamionowego napięcia zasilającego U_n.

Wymaganą wartość rezystancji dla tych urządzeń ustala się na podstawie zależności R_i­≥1000Ω/V•U_n, ( Ω), gdzie: U_n -znamionowe napięcie pracy urządzenia, w V

R_i -rezystancja izolacji, w Ω.

Mamy 3 przypadki: R_i­=1000•24=24000Ω=0,024MΩ,

R_i­=1000•220=220000Ω=0,22MΩ,

R_i­=1000•380=380000Ω=0,38MΩ,

Wnioski:

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów stwierdzamy, że rezystancja R_VW nie jest

wystarczająca wiec użytkowanie silnika może stwarzać niebezpieczeństwo dla człowieka.

Powoduje to dyskwalifikację użytkowania tego urządzenia, gdyż istnieje możliwość porażenia prądem obsługującego urządzenie.

2.2Badanie zerowania ochronnego.

Pomiary impedancji pętli zwarcia wykonane zostały pod nadzorem prowadzącego.

Badanie wykonane zostało dwoma rodzajami ( typami ) mierników:

-SL3000,

-miernikiem MOZ.

Pomiary obejmowały zarówno pomiar impedancji pętli zwarcia stanowiska laboratoryjnego

jak i pomiar w gniazdku zasilającym znajdującym poza laboratorium.

Otrzymane wyniki zostały zamieszczone w poniższej tabeli.

Tablica zasilająca	Pomiary i dane					Obliczenia
	Uf	Zp	Ibn	k	Iwx	Iz	Iw
	V	Ω	A	-	A	A	A
	typ miernika→		MOZ
stanowisko	220	0,35	20	2,5		50	50
laboratorium	220	0,6	10	2,5		25	25
	Typ miernika→		SL3000
stanowisko	220	0,3	20	2,5	803	50	50
Laboratorium	-----	-----	-----	-----	-----	-----	-----

Obliczenia do punktu 2.2.

Sprawdzamy, czy jest spełniony warunek skuteczności zabezpieczenia ochronnego:

I_z≥I_w=k • I_bn ,

Badanie przeprowadzaliśmy dla bezpiecznika topikowego o działaniu szybkim do 100A,

którego wartość prądu wyłączającego wynosi I_w=2,5I_bn, gdzie k=2,5.

dla stanowiska i i obu typów mierników: I_w=2,5•20=50

dla laboratorium i miernika SL3000: I_w=2,5•10=25

W naszym przypadku otrzymane wyniki pokrywają się z danymi parametrycznymi bezpiecznika topikowego.

2.3. Badanie rezystancji uziemienia ochronnego.

Celem tego badania jest określenie wartości napięcia bezpiecznego U_l. Badanie to wykonujemy znając rezystancję R_z, dane bezpiecznika oraz znając ocenę warunków środowiskowych. Samo badanie wykonujemy induktorowym miernikiem uziemień IMU.

Pomiary i dane				Obliczenia
Rz	Ibn	K	Ul	IW	Rz•IW	Rzwymagane
Ω	A	-----	V	A	V	Ω
1,83	10	3	50	30	54,9

Obliczenia.

Korzystamy z zamieszczonych w tabeli zależności.

I_w=k•I_bn=3,0•10=30A R_z•I_w=1.83•30=54,9 V

Otrzymana wartość napięcia bezpiecznego wynosi 54,9 i jest to wartość rzeczywistego wyłączenia obwodu.

Aby ochrona była dostateczna musi być spełniony warunek:

I_W•R_Z≤U_L

Dla U_l=50V rezystancja powinna wynosić:

R_Z≤U_L/I_W czyli R_Z≤50V/30A R_Z≤1.6666Ω

Wnioski do punktu 2.3

Po przeprowadzonym doświadczeniu i dokonaniu obliczeń wykazaliśmy, że zakładane dla naszego układu napięcie bezpieczne nie jest poprawnie. Uziemienie ochronne zadziała poprawnie i uziemi nasz układ jeżeli wartość rezystancji będzie mniejsza od 1.666Ω. Uziemienie w naszym przypadku nie działa poprawnie. W celu jego polepszenia powinniśmy przy takim samym prądzie zmniejszyć rezystancję RZ do wyliczonej wartości.

2.4. Badanie przeciwporażeniowego różnicowego wyłącznika jednofazowego.

W tym ćwiczeniu badaliśmy wyłącznik ochronny jednofazowy. Badań dokonywaliśmy przy różnych stanach. Przy napięciu 220V jak i przy napięciu 180V. Dodatkowo dla każdego stanu były badane dwa „układy” z obciążeniem w postaci żarówki i bez obciążenia. Dla każdego przypadku wyłącznik reagował podobnie, ale nie jednakowo. Otrzymane wartości podane są w tabeli poniżej.

Dane wyłącznika	Un [V]	220	Pomiary
	Inw [A]	10	U	IW	Ia
Lp.	Ina [mA]	0,03	V	A	mA
1	U=Un	Iw=0	220	0	22
2		Iw≠0	220	0,29	21,8
3	U<Un	Iw=0	180	0	21,5
4		Iw≠0	180	0,25	22

Wnioski do punktu 2.4

Jako niebezpieczny dla człowieka uważany jest prąd wielkości 25mA. Celem naszego badania było sprawdzenie przy jakiej rzeczywistości wartości prądu zostanie automatycznie

odcięty dopływ prądu. Zwykłe pojedyncze badanie nie dałoby miarodajnych wyników gdyż badane urządzenia pracują z różnymi obciążeniami i przy różnych napięciach zasilających. Dokonaliśmy więc kilku pomiarów przy czterech stanach obciążenia.

Całe badanie wypadło pomyślnie. W miarę pogarszania rezystancji, prąd w układzie wzrastał. Zabezpieczenie zadziałałoby dopiero wtedy, gdyby prąd przekroczył wartość 25mA. Takiego zjawiska nie zaobserwowaliśmy, więc dla danego układu zabezpieczenie było poprawne.

1

7

---