Wydział Elektryczny Katedra Elektroenergetyki, Fotoniki i Techniki Świetlnej Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu: Budowa oraz eksploatacja instalacji i urządzeń elektrycznych KOD: ES1C 710 213 Temat ćwiczenia: BADANIE ZAGROŻENIA PORAŻENIOWEGO W INSTALACJACH I SIECIACH ELEKTROENERGETYCZNYCH Numer ćwiczenia: 2 Opracował: dr inż. Marcin Sulkowski 2016
1) Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia, jest zapoznanie studentów z kryteriami oceny zagrożenia porażeniowego oraz z metodami pomiaru napięcia dotykowego, rażeniowego dotykowego i rezystancji stanowiska. 2) Wiadomości podstawowe Praca przy urządzeniach elektrycznych może wywołać niebezpieczne dla ludzi skutki w wyniku działania pola elektromagnetycznego, pośredniego działania prądów zakłóceniowych oraz bezpośredniego przepływu prądu przez organizm ludzki. Działania bezpośrednie prądu, powstające przy zetknięciu się człowieka z co najmniej dwoma punktami mającymi różne potencjały, są często groźne dla zdrowia, a nawet życia ludzkiego. Dlatego też przy ocenie zagrożenia porażeniowego rozważane są głównie skutki bezpośredniego działania prądu na ludzi. Skutki porażenia prądem elektrycznym zależą głównie od: natężenia prądu przepływającego przez organizm ludzki, czasu przepływu prądu, drogi przepływu prądu w organizmie. Natężenie prądu płynącego przez organizm przy dotknięciu części będących pod napięciem zależy od: napięcia zasilającego obwód prądowy, w którym znajduje się ciało człowieka, o rezystancji ciała człowieka, rezystancji pozostałych części obwodu, pojemności (przy prądzie przemiennym) i upływności w sieciach o izolowanym punkcie neutralnym. Napięcie dotykowe, napięcie krokowe. Istotny wpływ na warunki rażenia ma sposób, w jaki ciało człowieka zostaje włączone w obwód elektryczny. Z tego punktu widzenia konieczne jest rozróżnienie dwóch rodzajów rażeń (rys. 1 i 2): a) rażenia w następstwie bezpośredniego zetknięcia się człowieka z częściami urządzeń elektrycznych znajdujących się normalnie pod napięciem (dotyk bezpośredni do części czynnych), b) rażenia w następstwie zetknięcia się człowieka z częściami przewodzącymi dostępnymi lub częściami przewodzącymi obcymi, na których pojawiło się napięcie w wyniku uszkodzenia ochrony podstawowej (izolacji).
Rys. 1. Rażenie w następstwie dotyku do części czynnych (uszkodzona ochrona podstawowa - izolacja przewodu) gdzie: I b - prąd rażeniowy, R d - rezystancja przejścia (rezystancja obuwia i rezystancja stanowiska) W analizowanym przypadku (rys. 1) człowiek jest włączony do obwodu elektrycznego bezpośrednio na napięcie robocze fazowe. Przy rażeniu napięciem fazowym na drodze ręka-nogi prąd rażeniowy zależy nie tylko od rezystancji ciała człowieka, lecz także od rezystancji stanowiska, która w bardzo korzystnych warunkach może być na tyle duża, że może skutecznie ograniczyć prąd rażeniowy do wartości nie zagrażającej zdrowiu lub życiu człowieka. W przypadku rażeniu napięciem międzyprzewodowym o określonej wartości na drodze ręka-ręka wartość prądu rażeniowego zależy jedynie od rezystancji ciała człowieka. W takim obwodzie rażeniowym nie występują dodatkowe rezystancje mogące ograniczyć wartość prądy rażeniowego do wartości, przy których nie występują groźne dla życia i zdrowia osoby rażonej skutki patofizjologiczne. W drugim przypadku (rys. 2) człowiek pośrednio styka się z elementami obwodu elektrycznego znajdującymi się pod napięciem roboczym. Jego ciało bocznikuje niektóre elementy tego obwodu i w związku z tym, człowiek jest zwykle narażony na działanie napięcia mniejszego niż fazowe napięcie robocze sieci.
Rys.2. Rażenie napięciem dotykowym i krokowym w wyniku uszkodzenia ochrony podstawowej: a) obwód rażeniowy, b) rozkład potencjału wokół uziomu, c) schemat elektryczny obwodu rażeniowego,: U E - napięcie uziomowe, U st - napięcie dotykowe rażeniowe, Us - napięcie krokowe, U T napięcie rażeniowe, R E rezystancja uziemienia W przypadku uszkodzenia izolacji roboczej (rys. 2a) - przez uziemioną cześć przewodzącą dostępną przepływa prąd uziomowy IE, w związku z tym na powierzchni gruntu wokół urządzenia powstaje rozkład potencjałów (rys.2b). Na części przewodzącej dostępnej występuje napięcie uziomowe UE względem ziemi odniesienia, nazywane niekiedy napięciem uszkodzenia o wartości: zależnej od rezystancji RE uziemienia ochronnego. UE = IE. RE (1) Człowiek stykający się z urządzeniem, rażony prądem IB << IE na drodze ręka-nogi, jest poddany działaniu napięcia UST, mniejszego niż napięcie UE nazywanego napięciem dotykowym spodziewanym. Gdy człowiek styka się jednocześnie z uszkodzonym urządzeniem i z obcym uziemionym przedmiotem przewodzącym, ulega rażeniu na drodze ręka-ręka, przy czym przy zetknięciu z dobrze uziemionym przedmiotem napięcie dotykowe może być równe napięciu uziomowemu względem ziemi odniesienia. Ogólnie napięciem dotykowym spodziewanym
nazywa się napięcie, które może pojawić się w warunkach zakłóceniowych pomiędzy dwiema częściami jednocześnie dostępnymi, nie należącymi do obwodu elektrycznego. Różnicę potencjałów między dwoma punktami (miejscami) na powierzchni gruntu - oddalonymi od siebie na odległość kroku - nazywa się napięciem krokowym (USS na rys. 2b). Zwykle przyjmuje się przy tym, że długość kroku człowieka wynosi 1 metr. Z możliwością niebezpiecznego napięcia rażenia na drodze noga-noga należy się liczyć w urządzeniach elektrycznych wysokiego napięcia, w których napięcie krokowe może osiągać wartości niebezpieczne dla zdrowia i życia ludzi. W urządzeniach niskiego napięcia porażenia w następstwie działania napięcia krokowego są mało prawdopodobne. Przyjmując oznaczenia: RBT - rezystancja ciała ludzkiego, Ra- rezystancja przejścia prądu z jednej stopy do ziemi, Rr - rezystancja przejścia prądu z części przewodzącej dostępnej do ręki (ciała człowieka), IB - rażeniowy spowodowany napięciem dotykowym lub krokowym możemy napisać: UST=(0,5Ra + RBT + Rr)IB (2) USS =(2 Ra + RBT)IB (3) Ze wzorów (2) i (.3) wynika, że napięcie UST i USS jest sumą spadków napięcia na rezystancji przejścia i rezystancji ciała człowieka, przy czym w obliczeniach praktycznych nie uwzględnia się rezystancja przejścia prądu z części przewodzącej dostępnej do ręki (ciała człowieka) Rr ze względu na znaczenie niższą jej wartość niż np. rezystancji przejścia prądu z jednej stopy do ziemi. Spadek napięcia na rezystancji RBT ciała człowieka podczas przepływu przez niego prądu rażeniowego jest nazywany napięciem rażeniowym. Przy niezmiennych wartościach UST i USS prąd rażeniowy zależy od rezystancji ciała człowieka i rezystancji przejścia prądu od stóp do ziemi. Rezystancja ciała człowieka nie jest łatwa do wyznaczenia ze względu na specyficzne własności poszczególnych tkanek i części organizmu. Rezystancja człowieka po usunięciu naskórka wynosi około 1000, ale w niesprzyjających warunkach rażeniowych (dla odpowiedniej drogi przepływu prądu przez ciało człowieka) nawet 500 i nieznacznie tylko zależy od temperatury i przyłożonego napięcia. Rezystancja naskórka zmienia się w szerokich granicach i zmniejsza się przy wzroście napięcia rażeniowego, przedłużaniu się czasu rażenia (działanie prądu), zwiększeniu siły docisku elektrod do skóry, zwiększeniu wilgotności naskórka. Największy wpływ na rezystancję naskórka ma wilgoć i to niezależnie od tego, czy jest ona pochodzenia zewnętrznego, czy też wywołana poceniem się
człowieka. Dopuszczalna wartość napięcia dotykowego bezpiecznego (mogącego się utrzymywać długotrwale ) w korzystnych określonych warunkach środowiskowych wynosi 50 V. Wartość tego napięcia w warunkach szczególnego zagrożenia, scharakteryzowanego np. w arkuszach grupy 700 normy PN-HD 60364, wynosi 25 V. Napięcie dotykowe UST i krokowe USS jest w przeważającej liczbie wypadków wyższe niż napięcie rażeniowe UT. Jest to spowodowane wystąpieniem rezystancji przejścia (Ra). Wartość jej składa się z rezystancji obuwia oraz rezystancji dla przepływu prądu w samym podłożu, zwanej rezystancją stanowiska. Rezystancja obuwia zależy od jego budowy i stanu, może być niewielka, ale może również osiągać wartości setek tysięcy omów. Rezystancja stanowiska zależy przede wszystkim od rezystywności materiału podłoża. Rezystancja ta może mieć wartość rzędu kilkunastu omów a nawet osiągać wartości wielu tysięcy kiloomów. Zgodnie z obowiązującymi przepisami w miejscach zainstalowania urządzeń elektroenergetycznych o napięciu znamionowym nie wyższym niż 1 kv rezystancja izolacji podłóg i ścian w każdym punkcie pomiarowym (warunki podane są w normie) nie powinna być mniejsza niż: 50 k, jeżeli napięcie znamionowe instalacji nie przekracza 500 V, 100 k, jeżeli napięcie znamionowe instalacji przekracza 500 V. Podane wartości są wymagane, gdy jako środek ochrony przeciwporażeniowej przy uszkodzeniu (ochrony dodatkowej) stosowana jest izolacja stanowiska, przy czym należy pamiętać że przedmiotowy środek ochrony może być stosowany w lokalizacjach w których znajdują się osoby poinstruowane lub przeszkolone. 3. Stanowisko laboratoryjne Stanowisko laboratoryjne składa się z konsoli pomiarowej, do której należy przed przystąpieniem do pomiarów przyłączyć następujące elementy: - elektrodę pomiarową (zacisk ozn. E), - autotransformator (zaciski L i N), - woltomierz pomiarowy (zaciski 1 i 2), - rezystory: rezystor wodny (zaciski 3 i 4) oraz rezystor dodatkowy R= 6,6 (zaciski 5 i 6), zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 3 i widokiem przedstawionym na rys 4...
L Autotransformator N P V Elektroda pomiarowa 0 1 E 2 R C W1 2 V Woltomierz zewnętrzny A 3 4 L1 R W Tablica zasilająca 5 6 N R dod W2 Legenda: P - przełącznik trybu pracy: 1- pomiar rezystancji stanowiska 2- pomiar napięć dotykowych i rażeniowych Rc - rezystor, R= 1000 Ω R w - opornik wodny R - rezystor dodatkowy, R= 6,6 dod Ω - elementy dołączane do stanowiska Rys. 3. Schemat połączeń układu pomiarowego
Rys. 4. Widok konsoli pomiarowej Uwagi: 1. Przy podłączaniu autotransformatora należy zachować biegunowość zgodnie z oznaczeniem na konsoli. 2. Rezystor dodatkowy R= 6,6 podłączyć z możliwością zmiany wartości rezystancji. Na konsoli umieszczony jest przełącznik trybu pomiarowego oznaczony literą P, gdzie: - pozycja 1 oznacza możliwość przeprowadzenia pomiarów rezystancji stanowiska, - pozycja 2 oznacza możliwość przeprowadzenia pomiarów napięć dotykowych UST i rażeniowych UT. Do pomiaru rezystancji stanowiska oraz napięć dotykowych i rażeniowych stosować elektrodę pomiarową (rys.5) składającej się z metalowej płytki kwadratowej o bokach 250 mm i pokrytej płytką z gumy przewodzącej. W czasie pomiaru do elektrody należałoby przyłożyć siłę około 750 N, jednak z powodów praktycznych w czasie realizacji ćwiczenia stosuje się docisk ok. 150 N
Rys.5. Elektroda probiercza gdzie: 1 guma przewodząca o rezystywności nie przekraczającej 100 m, 2 blacha miedziana, 3- warstwa elastyczna, 4 - sztywna płyta izolacyjna, 5 masa dociskająca elektrodę, 6 zacisk elektrody, 7 badane podłoże stanowiska. 4. Program ćwiczenia 4.1. Pomiar rezystancji stanowiska Pomiary należy wykonać metodą woltomierzową w układzie przedstawionym na rys 6. (przełącznik P w pozycji 1). W ćwiczeniu należy zbadać następujące podłoża: a) podłoże z płyty OSB lub parkiet drewniany, b) płyta betonowa sucha, c) płyta betonowa nasycona wodą, d) tłuczeń (warstwa o grubości około 100 mm), e) wykładzina podłogowa z tworzywa sztucznego. P L Autotransformator V 0 1 2 N R C V Woltomierz zewnętrzny W1 2 E Rys. 6. Schemat do pomiaru rezystancji stanowiska Elektroda pomiarowa
Metoda woltomierza polega na pomiarze dwóch napięć przy pomocy woltomierza zewnętrznego w układzie przedstawionym na rys 6. W położeniu 0 łącznika W1 mierzy się napięcie U1, w położeniu 1 - napięcie U2. Na podstawie zmierzonych napięć wyznacza się rezystancję stanowiska ze wzoru: R Z = R C ( U 1 U 2 1) (4) gdzie: RC rezystancja symulująca rezystancję wewnętrzną ciała człowieka RC = 1000. UWAGA Dla podłoża a), b), d) i e) pomiary dokonuje się przy napięciu wyjściowym na autotransformatorze wynoszącym U= 230 V, natomiast na podłoża c) należy obniżyć napięcie do wartości U= 115 V. 4.2. Pomiar napięcia dotykowego i rażeniowego Pomiary napięcia dotykowego i rażeniowego należy przeprowadzić w układzie zgodnym ze schematem przedstawionym na rys. 7. Pomiar napięcia dotykowego w układzie sztucznego zwarcia wykonuje się w pozycji 0 łącznika W1 natomiast wartość napięcia rażeniowego wykonuje się w pozycji 1 łącznika W2. Pomiary napięć należy wykonać dla następujących podłoży: a) z płyty OSB lub parkietu drewnianego, b) z płyty betonowej suchej, c) z płyty betonowej nasyconej wodą, d) z tłucznia (warstwa o grubości około 100 mm), e) wykładziny podłogowej z tworzywa sztucznego. Dla każdego z podłoży należy przeprowadzić pomiary napięć dla różnych wartości impedancji pętli zwarcia, zmienianej przy pomocy rezystora Rdod.. Wskazane jest przeprowadzenie pomiarów dla co najmniej 3 wartości impedancji pętli zwarcia (dla każdego z podłoży). Wartość rzeczywistej impedancji pętli zwarcia ZS należy zmierzyć po każdorazowej zmianie ustawienia rezystora Rdod przy pomocy zewnętrznego miernika impedancji pętli zwarcia wskazanego przez prowadzącego zajęcia. Pomiaru dokonuje się w układzie przedstawionym na rys. 7.
Tablica zasilająca L1 L2 L3 N P A 3 4 0 2 R W 1 1 5 6 W2 R dod R C W1 V Woltomierz zewnętrzny Elektroda pomiarowa E 2 Legenda: Rc - rezystor, R= 1000 Ω R w - opornik wodny R dod - rezystor dodatkowy, R= 6,6 Ω Miernik impedancji pętli zwarcia M SILNIK 3-faz (na stanowisku lab.) Rys. 7. Schemat do pomiaru napięcia dotykowego i rażeniowego
Pomiar napięcia dotykowego oraz rażeniowego podczas realizacji ćwiczenia wykonuje się w układzie sztucznego zwarcia. Regulacji prądu Ip (prąd pomiarowy w obwodzie sztucznego zwarcia) dokonuje się przy pomocy rezystora wodnego RW. W celu bezpiecznego wykonania ćwiczenia, podczas realizacji pomiarów powinien on wynosić Ip = 5A. Po wykonaniu pomiaru przy prądzie sztucznego zwarcia Ip należy wartość zmierzonych napięć przeliczyć na rzeczywiste warunki zwarciowe, według wzoru: U 1 = U 1 I Z I P (5) gdzie: U1 napięcie dotykowe lub rażeniowe dotykowe zmierzone przy sztucznym prądzie zwarcia IP, IZ rzeczywisty prąd zwarcia obliczany z zależności: gdzie: Uf napięcie doziemne (napięcie fazowe) w układzie ZS - rzeczywista impedancja pętli zwarcia I Z = U f Z s (6) 5. Opracowanie wyników badań Zmierzone oraz obliczone wartości rezystancji stanowiska oraz napięć dotykowego i rażeniowego należy zestawić w tabelach. Na podstawie zestawionych wyników należy przeanalizować wpływ parametrów elektrycznych podłoży stosowanych na stanowiskach urządzeń elektroenergetycznych na zagrożenie porażeniowe w układach elektroenergetycznych. 6. Wymagania BHP Podczas wykonywania ćwiczeń w laboratorium Urządzeń Elektrycznych należy zachować szczególną ostrożność i stosować się do zaleceń prowadzącego oraz przepisów zawartych Instrukcji BHP Laboratorium Katedry Elektroenergetyki, Fotoniki i Techniki Świetlnej. 7. Literatura 1. Lejdy B., Sajczyk A.: Laboratorium urządzeń elektroenergetycznych. Wyd. PB, 1999 2. Lejdy B.: Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych, WNT, Wyd. 2, Warszawa 2015 3. Markiewicz H.: Instalacje elektryczne, WNT, Warszawa 2012 4. Markiewicz H..: Urządzenia elektroenergetyczne. WNT, Warszawa 2008 5. PN-HD 60364-4-41:2009 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa a. Ochrona przeciwporażeniowa