Защита от перекоса фаз в трехфазной сети

Защита от перекоса фаз в трехфазной сети

Это явление, возникающее в трехфазных четырех- и пятипроводных электрических сетях с глухозаземленной нейтралью. Данное состояние сети отличается несимметрией токов и напряжений с разными амплитудами напряжений углами между ними.

Для лучшего понимания и большей наглядности процесса предлагаем сравнить векторные диаграммы напряжений трехфазных сетей. Диаграмма 1 отличается идеальной взаимосвязью линейных и фазных напряжений, на диаграмме 2 хорошо видна несимметрия напряжений сети, т. е. имеет место перекос фаз.

Причины и последствия перекоса фаз

При появлении асимметрии нагрузок наблюдается потеря фазного напряжения на одной из фаз, при этом линейное напряжение остаётся постоянным. Схема, по которой соединены трёхфазные нагрузки, может быть рассмотрена как делитель напряжения: его падение на наиболее нагруженной фазе будет максимальным из-за низкого сопротивления, при этом на наименее нагруженных фазах напряжение будет расти и стремиться к линейному. Иными словами напряжение на фазах распределяется соразмерно подключённой нагрузке.

Это мы наблюдаем в бытовых электросетях: все потребители подключены к разным фазам, однако нет никакой гарантии, что при строгой индивидуальности режимов работы и мощности электрооборудования нагрузка будет распределяться равномерно. Поэтому наиболее распространённую схему соединений нагрузок в трёхфазной сети, называемой «звездой», дополняют нейтральным проводом, подключённым к центральной точке и электрически связанным с системой заземления. Благодаря такому дополнению влияние несимметричных нагрузок на фазные напряжения существенно снижается, при этом эффективность выравнивания сильно зависит от проводимости нулевого проводника.

Если проводимость оказывается недостаточной или нулевой провод обрывается, асимметрия нагрузок снова усиливается и вызывает неравномерное распределение фазных напряжений. Такой режим работы электросети чреват серьёзными последствиями: с ростом напряжения в каждом активном потребителе возрастает сила тока вплоть до предельных значений, выходят из строя ёмкостные фильтры устройств преобразования электроэнергии, повышается вероятность пробоя изоляции, в трёхфазных двигателях наблюдается перегрев и увеличение паразитных токов. Обрыв нуля в городской сети непременно вызывает порчу электроприборов, подключённых к незащищенной ветви, даже если они не работают в данный момент. Зачастую повреждения техники необратимы, кроме того существенно возрастает вероятность возникновения пожара. Перекос фаз также негативно сказывается и на источниках трёхфазного питания — понижающих силовых трансформаторах и трёхфазных генераторах.

Суть понятия

Фаза — это электрическая цепь с некоторым значением синусоидальной электродвижущей силы.

Трёхфазная цепь, в свою очередь, состоит из трёх электрических цепей, которые владеют синусоидальной электродвижущей силой с одинаковой амплитудой и частотой тока.

Трёхфазная сеть состоит из трёх синусоидальных токов или напряжений, которые имеют одну частоту и сдвинуты по фазе на угол, равный 120 градусам.

Если потребителей электрической энергии подключить к фазам сети неравномерно — например, большинство сосредоточить в одной, а в двух других их будет гораздо меньше — это приведёт к асимметрии напряжения. При этом в трёхфазных четырёхпроводных сетях несимметричность параметров будет менее заметна, так как нулевой провод выравнивает неравномерность напряжения по фазам.

Так как на практике добиться идеальной симметричности невозможно, некоторое отличие значений напряжений является допустимым. Значения токов в каждой из фаз могут отличаться не более, нежели в три раза (а именно 30%) в распределительных щитах. Во вводных панелях распределительных устройств разница параметров должна отличаться не более чем в 6,5 раз (15%).

Причины перекоса фаз в трехфазной сети

Как уже упоминалось выше, данное состояние электросети чаще всего вызвано неравномерным подключением нагрузки на фазы и обрывом нуля. Чаще всего это проявляется в сетях до 1, кВ, что связано с особенностями распределения электроэнергии, между однофазными электроприемниками.

Обмотки трехфазных силовых трансформаторов подключаются «звездой». Из места соединения обмоток отводится четвертый провод, называемый нулевым или нейтралью. Если происходит обрыв нулевого провода, то в сети возникает несимметрия напряжений, причем перекос напрямую будет зависеть от текущей нагрузки. Пример такой ситуации приведен ниже. В данном случае R_Н это сопротивления нагрузок, одинаковые по значению.

Перекос фаз, вызванный обрывом нейтрали

В данном примере напряжение на нагрузке, подключенной к фазе А, превысит норму и будет стремиться к линейному, а на фазе С упадет ниже допустимого предела. К подобной ситуации может привести перекос нагрузки, выше установленной нормы. В таком случае напряжение на недогруженных фазах повысится, а на перегруженных упадет.

К перекосу напряжений также приводит работа сети в неполнофазном режиме, когда происходит замыкание фазного провода на землю. В аварийных ситуациях допускается эксплуатация сети в таком режиме, чтобы обеспечить электроснабжение потребителям.

Исходя из вышесказанного, можно констатировать три основные причины перекоса фаз:

1. Неравномерная нагрузка на линии трехфазной сети.
2. При обрыве нейтрали.
3. При КЗ одного из фазных проводов на землю.

Меры защиты

Как бороться с негативными проявлениями, станет понятно после детального изучения определенного проекта. Общая рекомендация – обеспечение равномерного распределения (подключения) нагрузок. Но выполнить это условие не всегда возможно. Наличие разнообразных однофазных потребителей значительно усложняет задачу.

Защита от перекоса фаз в трехфазной сети

Эффективный и достаточно простой способ защиты – специализированное реле. Это устройство в непрерывном режиме контролирует состояние отдельных фаз. При выходе параметров за границы определенного диапазона источник питания отключается.

Дополнительные функции прибора пригодятся на практике. Динамический контроль подключения отдельных фаз (очередности) окажет помощь при работе с асинхронными электродвигателями. Эта опция предотвратит вращение ротора в обратную сторону. Автоматическое отключение источника при разрыве цепи исключит рассмотренные выше аварийные ситуации.

Защита в однофазной сети

Эта часть системы не способна оказать корректирующее влияние на электроснабжение. Для защиты нагрузок по току (напряжению) устанавливают защитные автоматы. Чтобы поддерживать электрические параметры питания на оптимальном уровне, применяют стабилизаторы.

В заключении

Как понятно из статьи, в ваших силах заметить перекос в сети вашего дома. Конечно, если авария произошла на линии, то можно предъявить энергетикам претензию об испорченных приборах и понесенных убытков, но не стоит обольщаться и рассчитывать на возмещение. Оговорок в законе очень много и навсегда они направлены на защиту прав обывателя. В случае если перекос фаз произошел из-за неправильной нагрузки у вас дома, то тогда вся ответственность лежит только на вас. Если ваши бытовые приборы начали вести себя неадекватно, тем более одновременно – стоит насторожиться. Отключите ток в сети, и попробуйте оценить ситуацию, если вы от этого далеки – вызывайте бригаду электриков, которые смогут устранить неполадки.

Как определить перекос фаз

Самым простым и поэтому наиболее применяемым является контроль по максимальному отклонению фазных токов. С помощью токовых клещей измеряется сила тока при максимально полной нагрузке на каждом проводнике отдельной фазы в ВРУ или РЩ. Размеры клещей достаточно компактны, чтобы подлезть к любому проводнику, находящемуся в стесненных условиях среди других проводников.

После того как определите и зафиксируете показания следует выполнить легкий сравнительный расчет на отклонения фазных токов. Показания должны соответствовать нормам.

Альтернативная технология симметрирования фаз по устранению перекоса фазных напряжений

Для решения задачи по устранению перекоса фазных напряжений и обеспечения заданного фазного напряжения необходимо использовать технологию, которая позволит выравнивать напряжение не на каждой из фаз по отдельности, а симметрировать фазы между собой, то есть симметрировать всю трехфазную систему. Такое устройство симметрирующий трансформатор обладает значительно большей эффективностью, оно не только само потребляет меньше электроэнергии, но и снижает электропотребление из сети для электроприемников.

Преимущества использования технологии симметрирования фаз:

• снижение уровня энергопотребления из сети при сохранении нагрузки;
• снижение расходов на электроэнергию для питания электроприемников;
• снижение расходов электроэнергии и других ресурсов на обеспечение необходимой величины фазных напряжений;
• снижение расходов на топливо, масло, охлаждающую жидкость при питании от генератора;
• снижение расходов на генератор, так как технология позволяет использовать генератор меньшей мощности для той же группы приборов;
• снижение расходов на ремонт, сервисное обслуживание, приобретение электроприемников, поврежденных вследствие перекоса фаз;
• снижение расходов на ремонт, сервисное обслуживание, приобретение устройств, предназначенных для обеспечения заданной величины напряжения и обладающих низкой надежностью и низкой эффективностью (например, электромеханических и электронных трехфазных стабилизаторов напряжения).
• обеспечение возможности подключать фазных потребителей мощностью до 50% трехфазной мощности.

• Надежность электроприемников. Защита, обеспечение их устойчивой и безотказной работы.
• Надежность устройства для симметрирования фазных нагрузок и устранения перекоса фазных напряжений. Принцип работы устройства основан на перемагничивании обмоток. Отсутствие подвижных и электронных частей делает устройство исключительно надежным, практически безотказным.
• Надежность источника электроэнергии. Защита генератора от механических повреждений подшипников валов генератора и приводного двигателя вследствие перекоса фаз.

• Защита от электротравматизма, возгорания электропроводки или электроприемников, вызванных износом изоляции вследствие перекоса фаз.
• Обеспечения безопасности за счет применения защитной меры зануление.

Диапазон изменения фазных напряжений

Представленная технология допускает 100%-ый перекос нагрузки и устраняет перекос фазных напряжений во всем диапазоне их изменений независимо от причины перекоса: (1) перекос в подводящей питающей сети, вызванный неисправностями в распределительной сети, (2) неравномерное распределение фазных нагрузок, (3) подключение мощного потребителя, (4) комбинированные причины.

Рис. 4. Диапазон перекоса фазных напряжений.

Что дает технология симметрирования фаз

Устранение перекоса фазных напряжений, т.е. выравнивание фаз сети друг относительно друга.

• Равномерное распределение нагрузок по фазам.
• Обеспечение заданной величины линейных напряжений.
• Обеспечение заданной величины фазных напряжений.
• Преобразование трехфазной сети в одно-(двух) фазную:
  • с гальванической развязкой
  • без гальванической развязки питающей сети и потребителя;
  • с изменением (увеличением или уменьшением) выходного напряжения;
• Преобразование трехфазной трехпроводной сети в трехфазную четырехпроводную (т.е. формирование нулевого рабочего проводника для возможности подключения фазной нагрузки).

Ниже на рисунках представлены варианты подключения нагрузки без использования представленной технологии и с использованием представленной технологии.

Рис. 5. Подключение нагрузки напрямую к сети.

Максимальная нагрузка на одну фазу составляет треть от трехфазной мощности источника электроэнергии.

Подключение мощного однофазного электроприемника вызывает перекос фаз и повышает риск его повреждений и повреждений других электроприемников. Если мощность такого фазного потребителя превышает треть трехфазной мощности, это вызывает его неправильную работу (сбой, отключение, отказ).

Рис. 6. Подключение более мощной нагрузки к тому же (см. рис. 4)
источнику электроэнергии с использованием представленной технологии.

Максимальная нагрузка на одну фазу может составлять 50% от трехфазной мощности источника электроэнергии. Источник электроэнергии воспринимает нагрузку как равномерно распределенную по фазам.

Рис. 7. Подключение той же нагрузки (см. рис. 4) к генератору
меньшей мощности с использованием представленной технологии.

Технологии симметрирования фаз позволяет подключать ту же группу электроприемников к генератору электроэнергии меньшей мощности, при этом источник электроэнергии будет воспринимать нагрузку как равномерно распределенную по фазам.

Представленная технология запатентована, не имеет аналогов в России и за рубежом. Оборудование, производимое на основе данной технологии, сертифицировано и соответствует ТУ.

Результат повышения энергоэффективности при массовом внедрении

Массовое внедрение симметрирующих трансформаторов позволит более рационально использовать электроэнергию, снизить ее потери; обеспечивать тех же потребителей (группы электроприемников) меньшим количеством электроэнергии; снизить затраты на электроэнергию, затраты на топливо, масло, охлаждающую жидкость при питании от генератора; продлить срок службы электроприемников, уменьшить их износ, обеспечить безотказную работу электроприемников; снизить расходы на источники электроэнергии, так как для той же группы электроприемников возможно использование генератора меньшей мощности.