Белов С.В. (ред.) Безопасность жизнедеятельности

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 11.29. Схема защитного заземления

в сети с изолированной нейтралью:

1 — токоприемник; 2 — заземлитель

'/////////////ж/?//////////;//;//

тановке. Чтобы напряжение на заземленном корпусе оборудования

было минимальным, ограничивают сопротивление заземления. В ус-

тановках в сетях с изолированной нейтралью напряжением до 1 кВ

оно, как правило, должно быть не более 4 Ом. Если мощность источ-

ника питания не превышает 100 кВА, сопротивление заземления мо-

жет быть в пределах 10 Ом/

В качестве заземляющих устройств электроустановок в первую

очередь должны быть использованы естественные заземлители. Воз-

можно применение железобетонных фундаментов промышленных

зданий и сооружений. При отсутствии естественных заземлителей

допускается применение переносных заземлителей, например ввин-

чиваемых в землю стальных труб, стержней, уголков. После заглубле-

ния в землю они должны иметь концы длиной 100...200 мм над по-

верхностью земли, к которым привариваются соединительные про-

водники. Категорически запрещается использовать в качестве зазем-

лителей трубопроводы с горючими жидкостями и газами.

Зануление состоит в преднамеренном соединении металлических

нетоковедущих частей оборудования, которые могут оказаться под

напряжением вследствие пробоя изоляции, с нулевым защитным

проводником (рис. 11.30). При замыкании любой фазы на корпус об-

разуется контур короткого замыкания, характеризуемый силой тока

весьма большой величины, достаточной для «выбивания» предохра-

нителей в фазных питающих проводах. Таким образом электроуста-

новка обесточивается. Предусматривается повторное заземление ну-

левого проводника на случай обрыва нулевого провода на участке,

близком к нейтрали. По этому заземлению ток стекает на землю, от-

* В сетях с глухозаземленной нейтралью, где защитное заземление менее эффек-

тивно ПУЭ, дополнительно задают величину сопротивления заземления нейтрали

трансформатора или вывода источника однофазного тока отдельно для источников

трехфазного и однофазного тока с учетом величины линейных сопротивлений. В пер-

вом случае это 660; 380 и 220 В, во втором — 380; 220 и 127 В. Соответственно указанное

сопротивление должно составлять 2, 4 или 8 Ом.

381

Чк

/77&7777777777777777777777777777W

Рис. 11.30. Схема зануления в трехфазной

четырехпроводной сети с заземленной ней-

тралью:

1 — трансформатор; 2 — сеть; 3 — предохранитель; 4 —

обмотка электродвигателя; 5 — корпус электродвигате-

ля; 6— зануляющий проводник; 7—нулевой защит-

ный проводник; 8 — сопротивление заземления ней-

трали

куда попадает в заземление нейтрали, по нему во все фазные провода,

включая имеющий пробитую изоляцию, далее на корпус. Таким об-

разом образуется контур короткого замыкания.

Защитное отключение электроустановок обеспечивается путем

введения устройства, автоматически отключающего оборудование —

потребитель тока при возникновении опасности поражения током.

Схемы отключающих автоматических устройств весьма разнообраз-

ны. Во всех случаях система срабатывает на превышение какого-либо

параметра в электрических цепях технологического оборудования

(силы тока, напряжения, сопротивления изоляции). На рис. 11.31

представлена схема защитного отключения с использованием реле

максимального тока.

Повышение электробезопасности достигается также путем при-

менения изолирующих, ограждающих, предохранительных и сигна-

лизирующих средств защиты.

Изолирующие электрозащитные средства делятся на основные и

дополнительные. Основные изолирующие электрозащитные средст-

ва способны длительное время выдерживать рабочее напряжение

электроустановки, и поэтому ими разрешается касаться токоведущих

частей, находящихся под напряжением, и работать на этих частях. К

таким средствам относятся: в электроустановках напряжением до

1000 В — диэлектрические резиновые перчатки, инструмент с изоли-

рующими рукоятками и указатели напряжения до 1000 В (ранее назы-

вались токоискателями); в электроустановках напряжением выше

1000 В — изолирующие штанги, изолирующие и электроизмеритель-

ные клещи, а также указатели напряжения выше 1000 В.

Дополнительные изолирующие электрозащитные средства обла-

дают недостаточной электрической прочностью и поэтому не могут

самостоятельно защищать человека от поражения током. Их назначе-

ние — усилить защитное действие основных изолирующих средств,

вместе с которыми они должны применяться. К дополнительным

изолирующим средствам относятся: в электроустановках напряже-

382

Рис. 11.31. Принципиальная схема устройства защитного отключения:

/ — реле максимального тока; 2 — трансформатор тока; 3 — проводник; 4 — заземлитель;

5 — электродвигатель; 6 — пускатель; 7— блок-контакты; 8 — сердечник; 9— катушка пускателя;

10, 12, 13— кнопки, // — вспомогательное сопротивление

нием до 1000 В — диэлектрические галоши, коврики и изолирующие

подставки; в электроустановках напряжением выше 1000 В — ди-

электрические перчатки, боты, коврики, изолирующие подставки.

Ограждающие средства защиты предназначены для временного

ограждения токоведущих частей (временные переносные огражде-

ния, щиты, ограждения-клетки, изолирующие накладки, изолирую-

щие колпаки).

Сигнализирующие средства включают запрещающие и предупре-

ждающие знаки безопасности, а также плакаты: запрещающие, пре-

достерегающие, разрешающие, напоминающие. Чаще всего исполь-

зуется предупреждающий знак «Проход запрещен».

Предохранительные средства защиты предназначены для инди-

видуальной защиты работающего от световых, тепловых и механиче-

ских воздействий. К ним относят: защитные очки, противогазы, спе-

циальные рукавицы и т. п.

11.3. ЗАЩИТА ОТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

11.3.1. Обобщенное защитное устройство и методы защиты

При решении задач защиты выделяют источник, приемник энер-

гии и защитное устройство, которое уменьшает до допустимых уров-

ней поток энергии к приемнику [2].

383

W-W-

ЗУ

В общем случае защитное устройство (ЗУ)

обладает способностями: отражать, погло-

щать, быть прозрачным по отношению к по-

току энергии. Пусть из общего потока энергии

поступающего к ЗУ (рис. 11.32), часть W

поглощается, часть W~ отражается и часть

Рис. 11.32. Энергетиче- проходит сквозь ЗУ. Тогда ЗУ можно оха-

скии баланс защитного

устройства растеризовать следующими энергетически-

ми коэффициентами: коэффициентом погло-

щения а = WJW*, коэффициентом отражения

р = W~/Wкоэффициентом передачи т = W~/W

. Очевидно, что вы-

полняется равенство р + а + т = 1. Сумма а + т=1 — p = v (где

v = W

/ W*) характеризует неотраженный поток энергии W

прошед-

ший в ЗУ. Если а = 1, то ЗУ поглощает всю энергию, поступающую от

источника, при р = 1 ЗУ обладает 100 %-й отражающей способно-

стью, а равенство т = 1 означает абсолютную прозрачность ЗУ: энер-

гия проходит через устройство без потерь.

В соответствии с изложенным можно выделить следующие прин-

ципы защиты:

1) принцип, при котором р -> 1; защита осуществляется за счет

отражательной способности ЗУ;

2) принцип, при котором а —> 1; защита осуществляется за счет

поглощательной способности ЗУ;

3) принцип, при котором т -> 1; защита осуществляется с учетом

свойств прозрачности ЗУ.

На практике принципы обычно комбинируют, получая различ-

ные методы защиты. Наибольшее распространение получили методы

защиты изоляцией и поглощением.

Методы изоляции используют тогда, когда источник и приемник

энергии, являющийся одновременно объектом защиты, располага-

ются с разных сторон от ЗУ. В основе этих методов лежит уменьшение

прозрачности среды между источником и приемником, т. е. выполне-

ние условия т -> 0. При этом можно выделить два основных метода

изоляции: метод, при котором уменьшение прозрачности среды дос-

тигается за счет поглощения энергии ЗУ, т. е. условие т -> 0 обеспе-

чивается условием а -> 1 (рис. 11.33, а), и метод, при котором умень-

шение прозрачности среды достигается за счет высокой отражатель-

ной способности ЗУ, т. е. условие т -> 0 обеспечивается условием

р->1 (см. рис. 11.33, б).

384

т—

т—>0

| ЗУ

§а~*

| ЗУ

§а~*

ЗУ

Р—.

а о

Рис. 11.33. Методы изоляции при расположении источника и приемника с раз-

ных сторон от ЗУ:

а — энергия поглощается; б — энергия отражается

Р—>0 Р—>0

—>

Рис. 11.34. Методы поглощения при расположении источника и приемника с

одной стороны от ЗУ:

а — энергия отбирается; б — энергия пропускается

В основе методов поглощения лежит принцип увеличения потока

энергии, прошедшего в ЗУ, т. е. достижение условия v -> 1. Принци-

пиально можно различать как бы два вида поглощения энергии ЗУ:

поглощение энергии самим ЗУ за счет ее отбора от источника в той

или иной форме, в том числе в виде необратимых потерь (характери-

зуется коэффициентом ос, рис. 11.34, а), и поглощение энергии в свя-

зи с большой прозрачностью ЗУ (характеризуется коэффициентом т,

см. рис. 11.34, б). Так как при v -> 1 коэффициент р 0, то методы

поглощения используют для уменьшения отраженного потока энер-

гии; при этом источник и приемник энергии обычно находятся с од-

ной стороны от ЗУ.

При рассмотрении колебаний наряду с коэффициентом ос часто

используют коэффициент потерь г|, который характеризует количест-

во энергии, рассеянной ЗУ:

г| = W

/(os = s

/2m, (11.38)

где W

и z

— средние за период колебаний Т соответственно мощ-

ность потерь и рассеянная за то же время энергия; ю — круговая час-

тота, со = 2тт/Г; г — энергия, запасенная системой.

13 —Белов 385

В большинстве случаев качественная оценка степени реализации

целей защиты может осуществляться двумя способами:

1) определяют коэффициент защиты k

в виде отношения:

j _ поток энергии в данной точке при отсутствии ЗУ .

Кц/ — ;

поток энергии в данной точке при наличии ЗУ

2) определяют коэффициент защиты в виде отношения:

j _ поток энергии на входе в ЗУ

Кц/ — .

поток энергии на выходе из ЗУ

Эффективность защиты (дБ)

е= lOlgfc*. (11.39)

11.3.2. Защита от вибрации

Линейные вибросистемы состоят из элементов массы, упругости

и демпфирования. В общем случае в системе действуют силы инер-

ции, трения, упругости и вынуждающие.

Сила энерции, как известно, равна произведению массы Мна ее

ускорение

d t

где v — виброскорость.

Сила /^направлена в сторону, противоположную ускорению.

Упругий элемент принято изображать в виде пружины, не имею-

щей массы (рис. 11.35, а). Чтобы переместить конец пружины из точ-

ки с координатой х

(ненапряженное соотношение) в точку с коорди-

натой х

к пружине необходимо приложить силу; при этом сила дей-

ствия упругого элемента, или восстанавливающая сила, будет на-

правлена в противоположную сторону и равна

=Gx, (11.41)

где G — коэффициент жесткости, Н/м; х = х

{

— х

— смещение кон-

ца пружины, м.

При вибрации упругих систем происходит рассеяние энергии в

окружающую среду, а также в материале упругих элементов и в узлах

сочленения деталей конструкции. Эти потери вызываются силами

трения — диссипативными силами, на преодоление которых непре-

рывно и необратимо расходуется энергия источника вибрации.

386

рис. 11.35. Схематическое изо-

бражение элементов упругости

(а) и демпфирования (б)

Если рассеяние энергии происходит в элементе демпфирования

(см. рис. 11.35, б), т. е. в вязкой среде (среде с вязким сопротивлени-

ем), то диссипативная сила F

пропорциональна виброскорости и но-

сит название демпфирующей:

= Sv. (11.42)

Сила F

всегда направлена против скорости, коэффициент S{Н с/м)

называют импедансом, или сопротивлением элемента демпфирова-

ния.

Основные характеристики виброзащитных систем. К основным ха-

рактеристикам виброзащитных систем отнесены собственная частота

системы, механический импеданс и коэффициенты, определяющие

процессы затухания вибраций и рассеяния энергии*.

По аналогии с формулой (11.42) можно ввести общее понятие ме-

ханического импеданса материальной точки при гармонической виб-

рации

z = F/y или \z\=\F/%

где комплексное число z в полярной форме можно записать в виде

Найдем импеданс элементов массы и упругости. При заданной виброскорости v

смещение х и ускорение а материальной точки находят интегрированием и дифферен-

цированием:

\ = \

,ш

; x = v / (усо); а= /иv. (11.43)

* Ниже рассматриваются только гармонические движения. Их удобно изучать с

помощью вращающихся комплексных векторов. Вращающийся вектор будем обозна-

чать волнистой линией над буквой, постоянный вектор — точкой: и =й

= и

Я|

®'

+ ф и)

;й

= е

/ф w

. Здесь постоянный вектор й

называется комплексной амплиту-

дой, объединяющей действительное значение амплитуды и

и начальный фазовый угол

Ф«; со = 2я/, где / — частота, Гц; / — время; j — V-1.

13*

387

„

Об -

Рис. 11.36. Схема вибро-

системы с одной степе-

нью свободы

Подставив ускорение а в формулу (11.40), определя-

ют импеданс элемента массы, или просто импеданс мас-

сы z

=M—- = j<*M = z

(11.44)

Таким образом, импеданс массы z

является

мнимой положительной величиной, пропорциональной

частоте. Он достигает больших значений в диапазоне

высоких частот. В диапазоне низких частот им можно

пренебречь.

Подставив смещение х в формулу (11.41), находят

импеданс элемента упругости z

- Gx =

—

v =

v .

(11.45)

Таким образом, импеданс элемента упругости z

= -j— является чисто мнимой

со

отрицательной величиной, обратно пропорциональной частоте; в области высоких

частот им можно пренебречь.

Импеданс элемента демпфирования является действительной величиной

= S\ F

В общем случае вибросистему с одной степенью свободы можно изобразить в виде

элемента массы, не обладающего деформацией, и элементов упругости и демфирова-

ния, не имеющих массы (рис. 11.36). Точка О обозначает положение статического рав-

новесия, от которого отсчитывается смещение jc тела массой М под действием гармо-

нической вынуждающей силы F

К телу также приложены сила инерции F

, восстанав-

ливающая сила F

и диссипативная демпфирующая сила F

. В соответствии с принци-

пом Д'Аламбера

+F,= F

(11.46)

Свободная вибрация (F

= 0) в отсутствие сил трения (F

= 0) с течением времени

не затухает. Виброскорость в этом случае определяется выражением (11.43), в котором

амплитуда v

= const. Условие F

+ F

= 0C учетом выражений (11.44) и (11.45) позво-

ляет определить собственную частоту вибросистемы:

со

=jG/M.

Собственную частоту системы с одной степенью свободы (см. рис. 11.35, а) на

практике определяют по прогибу А, исходя из равенства сил F

= F

в статике:

со

М = yjg/А ,

где g — ускорение свободного падения.

При наличии сил трения (F

ф 0) свободная вибрация (F

= 0) затухает. Амплитуда

виброскорости с течением времени убывает. Чтобы учесть это, вводят комплексную уг-

ловую частоту со, = со

. +у8, где 8 — коэффициент демпфирования. Поставив в выраже-

ние (11.43) частоту со. вместо со, получим

v = у

ш е

ф v)

= у

(8)e

/(<Bo

+(Pv)

, (11.47)

388

где v

(8) = v

— амплитуда виброскорости с учетом затухания.

Из уравнения F

+ F

= (j й>,М—jG/<Ь„ + S)\ = 0 находят неизвестные вели-

чины 8 и оа

5 =

S/2M,

/ \

\м

Ар у

где 5

кр

= 2 4GM — критический импеданс элемента демпфирования.

Таким образом, коэффициент демпфирования равен половине импеданса эле-

мента демпфирования, приходящегося на единицу массы, и свободная вибрация с за-

туханием осуществляется с частотой ю

„ зависящей от отношения импедансов S/S

которое характеризует силы трения в системе. При отсутствии диссипативных сил

(S/S

= .0) частота оэ

. = оэ

; если же диссипативные силы имеют критическое значение,

т. е. если S/S

= 1, то частота оэ

. = 0.

Вынужденная вибрация (F

{

* 0) происходит с частотой ю вынуж-

дающей силы. Из уравнения (11.46) определяют механический импе-

данс вибросистемы:

z= S + j(oM-jG/(o. (11.48)

Таким образом, импеданс вибросистемы складывается из импе-

дансов элемента демпфирования, массы и упругости. Он имеет ак-

тивную и реактивную составляющие. Его модуль и фазовый угол рав-

ны:

z Н % = <SJ$

+(c*M-G/G))

, (11.49)

= arctg[(o)M— G/co)/S\.

Как следует из соотношения (11.49), импеданс вибросистемы

имеет минимальное значение на частоте ю = со

, при которой слагае-

мое в круглых скобках обращается в нуль, т. е. в резонансной области

импеданс вибросистемы определяется импедансом элемента демп-

фирования (z = S). Вне резонансной области импедансом S можно

пренебречь. Тогда из выражения (11.48) следует, что в диапазоне вы-

соких частот движение определяется вибрирующей массой (z « jcoM),

Защитное устройство — упругодемпфирующий элемент. В боль-

шинстве случаев расчет сложных защитных устройств сводится к рас-

чету простого защитного устройства, состоящего из элемента упруго-

сти и элемента демпфирования, соединенных параллельно. Реакция

389

< F(x,v)

У/

защитного устройства складывается из реакций уп-

ругого и демпфирующих элементов F

= F

+ F

•

Импеданс защитного устройства

Zr = ZS+ ZG= (S-jG/co).

(11.50)

Рис. 11.37. Рассея-

ние энергии —

гистерезисная пет-

ля

Если провести циклическое деформирование уп-

ругодиссипативного элемента по закону х = x

cosoo^

то обнаруживается различие линий нагрузки и раз-

грузки (рис. 11.37) на диаграмме сила — смещение:

точка, изображающая напряженное и деформиро-

ванное состояние, описывает замкнутую кривую —

петлю гистерезиса. Площадь, ограниченная петлей гистерезиса, вы-

ражает энергию е

рассеянную за один цикл демпфирования и рав-

ную работе диссипативных сил:

£s

§F

(x, v)dx = Ji^ (v)vdf =

(o3.

В начале и конце цикла деформирования смещения максималь-

ны, виброскорость равна нулю и вся энергия, запасенная системой,

равна потенциальной:

£(}

$^с?(.х)ск = Gx/2 = scos

(ot; г = Gx

/2.

По формуле (11.38) находят коэффициент потерь и преобразуют его с

учетом выражения для критического импеданса:

(О$ 1 S СО

Г|

2 <*>о

Тогда выражение (11.50) можно записать в виде

. G

( л

со

(11.51)

Виброизоляция. Между источником вибрации и ее приемником,

являющимся одновременно объектом защиты, устанавливают упру-

годемпфирующее устройство — виброизолятор — с малым коэффи-

циентом передачи (рис. 11.38, а). Схематично система «источник

вибраций — защитное устройство — приемник» показана на рис.

11.38, б. При возбуждении системы защитное устройство, располо-

женное между источником и приемником, воздействует на них с ре-

акциями F

И Fr. Ниже будут рассматриваться только безынерцион-

ные устройства, у которых реакции F

и Fr равны.

390