UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNO-PRZYRODNICZY

W BYDGOSZCZY

WYDZIAŁ MECHANICZNY

LABORATORIUM Z ELEKTROTECHNIKI

ĆWICZENIE NR 10

Ochrona od porażeń w urządzeniach elektrycznych

1. Podział urządzeń elektrycznych pod względem wysokości napięcia.

Ze względu na wysokość napięcia urządzenia elektryczne dzielimy na:

1. niskiego napięcia,

2. wysokiego napięcia.

Urządzenia elektryczne niskiego napięcia są to urządzenia zasilane z sieci:

1. dwu- lub wieloprzewodowych, w których napięcie skuteczne między przewodami nie przekracza
   ,

2. wieloprzewodowych, w których napięcie międzyprzewodowe jest większe od
   , lecz między przewodami a ziemią jest mniejsze niż
   .

Do tych. urządzeń należą najczęściej stosowane w przemyśle urządzenia trójfazowe
z uziemionym przewodem zerowym. Są one zwykle zasilane ze stacji transformatorowej (rys. 1). Napięcie niższe od
uważane jest za napięcie bezpieczne nie powodujące niebezpieczeństwa porażenia.

Urządzeniami wysokiego napięcia są wszystkie urządzenia na napięcie wyższe niż wymienione w p. a) i b).

Urządzenia wysokiego napięcia są umieszczone w specjalnych pomieszczeniach zamkniętych, zaopatrzonych w tablice ostrzegawcze i mogą by obsługiwane tylko przez personel specjalnie wykwalifikowany.

Rys. 1. Schemat sieci

Urządzenia niskiego napięcia są ogólnie dostępne i dlatego ochrona od porażeń jest tu szczególnie ważna.

Ochrona od porażeń musi spowodować natychmiastowe odłączenie od sieci, jeżeli wskutek uszkodzenia izolacji pojawi się napięcie na metalowych częściach (obudowach silników, wyłączników, rozdzielni itp.) znajdujących się w zasięgu dotyku.

2. Porażenia prądem elektrycznym i ich skutki.

Określenie „porażenie” obejmuje wiele skutków szkodliwych oraz niebezpiecznych dla życia i zdrowia człowieka, spowodowanych przepływem prądu elektrycznego poprzez organizm ludzki. Prąd przepływający przez organizm powoduje skomplikowane działanie elektrolityczne i cieplne:

1. skurcze mięśni przy przepływie 0,009 A do około 0,020 A - średnio 0,013 A przez ciało ludzkie porażony nie może oderwać się spod napięcia,

2. porażenie ośrodków oddychania - już przy przepłynie 0,025 A może nastąpić utrata przytomności trwająca od kilku minut do kilku godzin - przy czym może być tak głębokie, że trudno je odróżnić od śmierci. Poprzez natychmiastowe zastosowanie sztucznego oddychania można jednak w tych przypadkach przywrócić przytomność porażonemu i uratować mu życie,

3. porażenia prądem od około 0,08 A do ok. 0,5 A wywołują migotanie komór sercowych i prowadzą nieuchronnie do zgonu,

4. oddziaływania cieplne występują w miejscu przepływu większych prądów od ok. 1A.

Porażony może zachować przytomność i czuć się dobrze, jednak uszkodzone skutkiem przepływu większych prądów mięśnie wydzielają mioglobinę, która powoduje zatrucie organizmu. W tym przypadku, jeśli porażony nie jest pod opieką lekarską, zgon może nastąpić w ciągu kilku dni.

3. Środki ochrony przed porażeniem.

Najczęstsze wypadki porażeń mają miejsce wówczas, gdy człowiek stojąc na podłodze przewodzącej (mokrej podłodze betonowej, konstrukcji metalowej itp.) lub dotykając ciałem metalowej części uziemionej (kranu wodociągowego, grzejnika C.O. itp.) jednocześnie dotknie odsłoniętej części metalowej znajdującej się pod napięciem względem ziemi( gołego przewodu fazowego, oprawki żarówki itp.) lub elementu metalowego, na którym pojawi się napięcie wskutek uszkodzenia izolacji (obudowa silnika, wyłącznika itp.).

Zatem podstawowymi warunkami bezpieczeństwa są:

- elementy przewodzące prąd muszą być prawidłowo osłonięte przed przypadkowym dotknięciem,

- izolacja urządzeń musi być jak w najlepszym stanie.

Przepisy dotyczące urządzeń elektrycznych wymagają, aby opór izolacji był nie mniejszy niż 1000 Ω na 1 V napięcia znamionowego danego urządzenia. Wartość ta musi być okresowo sprawdzana. Materiały izolacyjne po dłuższym przedziale czasu ulegają starzeniu, tzn. tracą początkowe własności izolacyjne. W niektórych ciężkich warunkach, jak np. w pomieszczeniach gorących wilgotnych z parami itp. Urządzenia elektryczne niszczeją stosunkowo szybko i dlatego trzeba stosować dodatkowe środki ochrony przed porażeniem. Dodatkowe środki ochrony przed porażeniem trzeba stosować tam, gdzie niebezpieczeństwo porażenia wskutek uszkodzenia izolacji jest szczególnie duże, a pomieszczeniach wilgotnych (łazienki, pralnie, pompownie, chłodnie) lub zawierających dużo uziemionych konstrukcji metalowych (urządzenia dźwigowe, suwnice, dźwignice, kotłownie, obrabiarki).

Nie ma potrzeby stosowania dodatkowych środków ochrony w suchych pomieszczeniach mieszkalnych i biurowych o izolowanej podłodze z dala od urządzeń wodociągowych.

Dodatkowymi środkami ochrony od porażeń są:

1. Izolowanie miejsca pracy. Podłogę wokół urządzenia elektrycznego wykłada się odcinkami izolacyjnymi, a wszystkie części metalowe uziemione zaopatruje w odpowiednie osłony. Nie zawsze jest to możliwe do przeprowadzenia;

2. Stosowanie napięcia bezpiecznego (<12 V). Napięcie sieci obniża się przy pomocy tzw. transformatorów bezpieczeństwa do wartości 12 V lub 24 V, stosowane do zasilania lamp przenośnych przeznaczonych do oświetlania miejsc trudno dostępnych;

3. Uziemienie ochronne korpusów maszyn i urządzeń elektrycznych;

4. Zerowanie korpusów maszyn i urządzeń elektrycznych;

5. Stosowanie wyłączników ochronnych.

W niektórych urządzeniach stosowane są specjalne środki ochronny, np. w urządzeniach okrętowych prądu stałego obydwa przewody („+” i „-”) są odizolowane od korpusu okrętu i istnieje ciągła kontrola stanu izolacji. Gdy jeden z przewodów wskutek uszkodzenia izolacji zostanie połączony z korpusem, obsługa zostaje natychmiast zaalarmowana. Należy wówczas wyłączyć urządzenie spod napięcia, odszukać miejsce uszkodzenia izolacji i usunąć je. Pozostawienie jednego przewodu połączonego z korpusem groziłoby przy dotknięciu drugiego przewodu - porażeniem, co w metalowym pudle okrętu jest szczególnie groźne.

Poniżej opisano najważniejsze dodatkowe środki ochronne stosowane w lądowych urządzeniach przemysłowych, a mianowicie uziemienia ochronne, zerowanie i wyłączniki ochronne.

1. Uziemienia ochronne. Uziemienia ochronne polegają na tym, że korpusy maszyn i aparatów łączy się gołym przewodem (taśmą lub linką stalową ocynkowaną) z uziemiaczem, którym jest płyta lub rura zakopana głęboko w ziemi (poniżej poziomu wody gruntowej) względnie się wodociągowa. W przypadku wykorzystania sieci wodociągowej należy przewodem o odpowiednim przekroju zbocznikować wodomierz.

Sytuację, jaka powstaje w przypadku uszkodzenia izolacji w jednej z faz zasilających silnik elektryczny, którego korpus został uziemiony, przedstawiono na rysunku 2.

Rys. 2. Schemat uziemienia ochronnego

- opór uziemienia roboczego punktu zerowego transformatora,

- opór uziemienia ochronnego korpusu silnika,

- opór przewodów pętli zwarciowej.

Pętla zwarciowa to zamknięty obwód, przez który przepływa prąd zwarcia
. Wielkość prądu zwarcia można określić za pomocą zależności:

Prąd zwarcia jest tym większy im mniejszy jest opór pętli zwarciowej. Odłączenie zwarcia następuje przez przepalenie bezpiecznika. Aby to nastąpiło niezawodnie i w odpowiednio krótkim czasie, musi być spełniony warunek:

gdzie:

- prąd znamionowy bocznika.

Zanim bezpiecznik się przepali, napięcie dotyku, jakie wystąpi na obudowie metalowej nie powinno przekraczać 65V. A zatem:

A więc opór uziemienia korpusu silnika musi być odpowiednio mały w stosunku do oporu pętli zwarciowej.

2. Zerowanie. Zerowanie polega na tym, ze korpusy maszyn i aparatów łączy się z uziemiony przewodem zerowym przy pomocy izolowanego przewodu zerującego, prowadzonego łącznie z przewodami fazowymi (rys. 3). Ponieważ przewód zerowy jest uziemiony, zerowane korpusy mają potencjał ziemi, Wielkość prądu zwarciowego zależy nie tylko od oporu przewodów
   . Aby zerowanie było skuteczne musi być spełniony warunek:

Rys. 3. Schemat zerowania

Przy stosowaniu zerowania opory pętli zwarciowej są mniejsze, a prądy zwarciowe większe niż przy uziemieniach ochronnych, gdyż do oporu pętli zwarciowej nie wchodzą opory uziemień. Zerowanie stosuje się wówczas, gdy trudno jest uzyskać odpowiedni małe opory uziemień.

W urządzeniach zasilanych z tego samego transformatora nie wolno jednocześnie stosować uziemienia jednych urządzeń i zerowania innych. W całej sieci musi być stosowany jeden system ochronny.

Urządzenia przenośne, przyłączone przy pomocy przewodów giętkich tzw. Sznurów i gniazd wtykowych (wiertarki ręczne, spawarki itp.), powinny oprócz przewodów fazowych być połączone przewodem zerującym.

3. Wyłączniki ochronne.

Wyłączniki ochronne stosuje się tam, gdzie nie można zapewnić skutecznej ochrony ani przez uziemienie np. tereny wiejskie, stosowanie rur winidurowych w sieciach wodociągowych. Rozróżnia się wyłączniki ochronne z wyzwalaczami napięcia (rys. 4a) i z wyzwalaczami prądowo-różnicowymi (rys. 4b).

a)	b)

Rys. 4. Wyłączniki ochronne:

1. z wyzwalaczem napięciowym,

2. z wyzwalaczem prądowo-różnicowym

Tym ostatnim rokuje się w przyszłości powszechne zastosowanie. Działanie ich opiera się na tym, ze suma geometryczna prądów zasilających silnik jest równa zeru tylko wtedy, gdy nie ma połączenia z ziemią. Włączając w przewody trójfazowy przekładnik prądowy uzyskuje się w rdzeniu w przypadku doziemienia strumień zerowy, który indukuje w dodatkowym uzwojeniu siłę elektromotoryczną. Urządzenie to zasila przez prostownik cewkę wyzwalacza działającego na zapadkę wyłącznika. Można uzyskać dużą czułość wyzwalania już przy wartości 0,2÷2 A prądu doziemnego.

4. Sprawdzanie skuteczności ochrony przed porażeniem.

Stan środków ochraniających przed porażeniem musi być okresowo skrupulatnie kontrolowany, ponieważ chodzi tu o życie ludzkie. Sprawy te regulują odpowiednie przepisy BHP. W zakładach przemysłowych prowadzone są książki kontrolne, do których wpisuje się wyniki okresowych kontroli, uwagi w sprawie zauważonych usterek i notatki o ich usunięciu.

Sprawozdanie skuteczności ochrony przed porażeniem polega na:

a) pomiarach oporu izolacji,

b) pomiarach oporu uziemień,

c) sprawdzaniu ciągłości obwodów zerowania.

Ad a) Pomiary oporu izolacji.

Opór izolacji mierzy się induktorowym miernikiem izolacji (megaomierzem). Źródłem napięcia w mierniku jest induktor korbkowy, wytwarzający napięcie prądu stałego o wartości:

500 V - dla urządzeń niskiego napięcia,

1000 V - dla urządzeń wysokiego napięcia.

Wskazówka przyrządu pokazuje na skali wartości oporu izolacji w megaomach (MΩ). Opór izolacji powinien wynosić co najmniej 1000 Ω na 1 V napięcia znamionowego badanego urządzenia. Zwykle jest on znacznie większy. Znaczne obniżenie oporu izolacji świadczy o zawilgoceniu, zwęgleniu lub innych uszkodzeniach, które powinny być niezwłocznie usunięte.

Ad b) Pomiary oporu uziemień.

Pomiary oporu uziemień obejmują nie tylko uziemienia ochronne. Na ogół uziemienia spotykane w urządzeniach energoelektrycznych dzielimy na trzy rodzaje:

- uziemienia ochronne, tzn. uziemienia korpusów maszyn i urządzeń elektrycznych, omówione szczegółowo powyżej,

- uziemienia robocze, którymi są uziemienia wybranych punktów obwodu elektrycznego np. punktu zerowego transformatora,

- uziemienia odgromowe, tzn. uziemienia odprowadzające do ziemi prądy powstające w wyniku przepięć atmosferycznych.

Rozpływ prądu pomiędzy dwoma uziomami
i
pokazano na rysunku 5. W pobliżu uziomu gęstość prądu jest duża, więc występuje tu duży spadek napięcia.

Rys. 5. Rozpływ prądu pomiędzy dwoma uziomami

W miarę oddalania się od uziomu prąd rozszerza się na coraz większy przekrój, napotyka więc na coraz mniejszy opór i spadek napięcia maleje. Rozkład spadku napięcia między uziomami przedstawiono na rysunku 6. Rozkład spadku napięcia można pomierzyć wbijając sondę w odległości
od uziomu i mierząc napięcie między sondą a uziomem
.

Rys. 6. Rozkład spadku napięcia między dwoma uziomami

Okazuje się, że po przekroczeniu odległości około 20 m napięcie
przestaje narastać. Potencjał dalszych punktów jest stały i równy potencjałowi zerowemu. Napięcie między uziomem
a miejscami o potencjale zerowym wynosi
. Opór uziomu
wyznacza się na podstawie zależności:

Analogicznie dla drugiego uziomu
:

Pomiary oporu uziemień wykonuje się prądem przemiennym aby uniknąć zjawiska polaryzacji (powstawania ogniw galwanicznych w miejscach tyku uziomów tworzących elektrody z wilgotnym gruntem).

Dokładność pomiarów obniżają tzw. Prądy błądzące, płynące z ziemi do innych uziomów np. szyn tramwajowych, upływności kabli zakopanych w ziemi itp.

Przy pomiarach oporu uziemień stosuje się dwie metody:

1. metoda techniczna,

Metoda ta polega na pomiarze natężenia prądu przepływającego przez obwód złożony z uziomu badanego
i uziomu pomocniczego
oraz spadku napięcia na uziomie badanym
. Woltomierz do pomiaru spadku napięcia jest przyłączony jednym zaciskiem do uziomu badanego, drugim do sondy
wbitej w ziemię w strefie potencjału zerowego (20 m od uziomu) (rys.7).

Rys. 7. Pomiar oporu uziemienia metodą techniczną

Opór sondy
oraz woltomierza
tworzą z oporem uziomu
dwa obwody równoległe, dla których z równania spadków napięć między punktami węzłowymi wynika:

ponieważ:

więc:

Gdy
wówczas opór
można wyznaczyć za pomocą poniższej zależności:

Opór sondy na ogół nie jest znany, ale jego wartość jest zwykle rzędu
. Opór woltomierza
musi być więc rzędu kilkudziesięciu tysięcy omów. Woltomierze elektryczne nie maja tak dużej oporności. Do tych pomiarów należy więc stosować woltomierze magneto elektryczne z prostownikiem lub woltomierze elektronowe.

2. metoda kompensacyjna (mostek Behrendta).

W metodzie tej spadek napięcia na oporze uziemienia
kompensuje się przez spadek napięcia od prądu
na oporze
. Zasadę działania mostka Behrendta przedstawiono na rysunku 8. Źródłem prądu zmiennego w mostku jest induktor korbkowy. Prąd
płynący w obwodzie złożonym z uziomu badanego
i uziomu pomocniczego
transformuje się do obwodu pomiarowego przez transformator prądowy
o przekładni:

Rys. 8. Zasada działania mostka Behrendta

Przesuwając suwak po potencjometrze r osiąga się stan równowagi, w którym galwanometr nie wychyla się tzn. prąd przez galwanometr i sondę nie płynie. Do stanu równowagi spełniony musi być warunek:

stąd:

Jako galwanometru używa się przyrządu magnetoelektrycznego z prostownikiem.

Ad c) Sprawdzaniu ciągłości obwodów zerowania.

Sprawdzaniu ciągłości obwodów zerowania przeprowadza się przez pomiar oporu pętli zwarciowej. Zwykle opór ten wynosi ułamek Ohma. Gdy jego wartość jest duża świadczy to o złych stykach, które najczęściej są przyczyną zawodności ochrony od porażeń.

Pomiary laboratoryjne

1. Pomiar oporu izolacji uzwojeń stojana trójfazowej maszyny elektrycznej przy pomocy induktorowego miernika izolacji.

1. Zapoznać się z instrukcją eksploatacji induktorowego miernika oporności izolacji typu IMI,

2. Sprawdzić sprawność miernika,

3. Rozłączyć połączenia miedzy poszczególnymi fazami uzwojeń silnika,

4. Pomierzyć opór izolacji poszczególnych faz względem korpusu i względem siebie,

5. Połączyć fazy i zmierzyć wypadkowy opór izolacji wszystkich faz względem korpusu.

2. Pomiar oporu uziemienia metoda kompensacyjną.

1. Zapoznać się z instrukcją obsługi induktorowego miernika rezystancji uziemień typu IMU,

2. Przy pomocy miernika typu IMU pomierzyć opór
   w zależności od odległości x sondy od uziomu, wzdłuż linii prostej łączącej uziom badany
   z uziomem pomocniczym
   ,

3. Pomierzyć metodą kompensacyjna opór uziemienia badanego
   i pomocniczego
   ,

4. Wyniki pomiarów zapisać w tablicy 1,

Tablica 1.

x	m
Rx	Ω

5. Wykonać wykres
   . Na wykresie zaznaczyć opór uziemienia badanego i pomocniczego.

3. Pomiar impedancji pętli zwarciowej za pomocą miernika skuteczności zerowania MZK-2.

1. Zapoznać się z instrukcją obsługi kompensacyjnego miernika skuteczności zerowania MZK-2,

2. Połączyć układ wg rys. 9,

Rys. 9. Schemat połączenia układu pomiarowego

3. Wykonać pomiar impedancji pętli zwarciowej.

4. Przedyskutować wyniki pomiarów. Sformułowanie wniosków.

5. Podać numery i dane przyrządów użytych do pomiarów.

Zagadnienia do opracowania

1. Podział urządzeń elektrycznych pod względem wysokości napięcia.

2. Podstawowe środki ochrony przed porażeniem.

3. Dodatkowe środki ochrony przed porażeniem, a w szczególności (uziemienia ochronne, zerowanie).

4. Pomiary oporu izolacji i uziemienia.

Literatura

1. Chęciński B., Ksycki P., Mierzbiczak J.: „Laboratorium elektrotechniki i elektroniki”, Wydawnictwo Uczelniane ATR, Bydgoszcz, 1978.

2. Kolber P., Kozłowska A., Perczyński D.: „Podstawy badań eksploatacyjnych maszyn elektrycznych”, Wydawnictwo Uczelniane ATR, Bydgoszcz, 2002.

3. Majka K., Tymiński J.: „Elektryfikacja rolnictwa”, Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, Warszawa , 1979.

4. Opydo W.: „Elektrotechnika i elektronika dla studentów wydziałów nieelektrycznych”, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2005.

5. Opydo W., Kulesza K., Twardosz G.: „Urządzenia elektryczne i elektroniczne przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych”, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2002.

1. Przeździecki F.: „Elektrotechnika i elektronika”, PWN, Warszawa, 1977.

6. Przeździecki F., Opolski A.: „Elektrotechnika i elektronika”, PWN, Warszawa, 1986.

7. Wołkowiński K.: „Instalacje elektroenergetyczne”, WNT, Warszawa, 1973.

8. Straszewski A.: „Projektowanie instalacji energoelektrycznych”. WNT, Warszawa, 1969.

2

---