Перекіс фаз (фазних напруг) в трифазної електричної мережі

• Сутність явища
• Причини виникнення
• Наслідки
• Вирішення перекосу фаз
• Альтернативна технологія.
• Діапазон зміни фазних напруг.
• Практичне застосування.


сутність явища

Перекіс фаз проявляється в трифазних чотири- (п'яти-) провідних мережах з глухозаземленою нейтраллю напругою до 1000 В.

Як правило, низьковольтна трифазна електрична мережа напругою 400 В (0,4 кВ)
містить джерела електроенергії, обмотки яких з'єднані в «зірку» з виведеним нулем.

Якщо трифазна мережа чотирипровідна, то нульовий провідник виконує дві функції. Перша функція: нульовий робочий провідник служить для підключення однофазних електроприймачів. Друга функція: нульовий робочий провідник, щоб виконувати завдання захисту.
У п'ятипровідні мережі, кожної з двох перерахованих функцій відповідає свій провід.
У низьковольтних мережах розрізняють первинні і вторинні джерела електроенергії (джерела живлення) незалежно від способу отримання електричної енергії.
До первинних джерел відносяться ті, які безпосередньо виробляють електроенергію, наприклад електричні генератори (як привід в них можуть бути використані гідроагрегати, парові турбіни, дизелі, газові двигуни).
До вторинних джерел відносяться ті, які перетворюють електричну енергію первинних джерел, як правило, це трансформатори, встановлені в трансформаторних підстанціях (ТП).

Ідеальну модель, яка буде показувати взаємозв'язок і взаємне розташування фазних і лінійних напруг можна зобразити у вигляді рівностороннього трикутника з вершинами «А», «B», «С» і центром «0».
Вектори АВ, ВС і CA (лежачі на сторонах трикутника) - це лінійні напруги (380В).
Вектори, проведені з центру трикутника до його вершин - 0A, 0B і 0С - це фазні напруги.
В ідеалі вони рівні між собою 0A = 0B = 0С і зрушені один щодо одного на кут 120 °, то есть└A0B = └B0C = └C0A = 120 °.
Дана модель є ідеальною і перекіс фазних напруг в ній відсутня.

Так як для трансформаторів ТП підключають безліч споживачів, в тому числі однофазних, то в кожен випадковий момент часу можна очікувати, що навантаження в різних фазах будуть різні.
Причому якщо навіть однофазні навантаження за величиною однакові, то їх включення під навантаження або відключення не може відбуватися синхронно. Виникає ситуація RA> RB> RC ≠ 0, де "R" - це опір навантаження, і, відповідно, "RA" - це спротівленіе навантаження на фазі А, "RB" - це спротівленіе навантаження на фазі B, "RC" - це спротівленіе навантаження на фазі C.

Різниця фазних навантажень за величиною і характером створює умови для возніконовенія перекосу фазних напруг.

Якщо звернутися до описаного вище рівностороннього трикутника, то графічно це буде виглядати наступні чином: точка 0 в центрі трикутника, з якої виходять вектори ідеальних фазних напруг величиною 220В 0A, 0B і 0С, - зміщується щодо центру трикутника. Назвемо її 0 '. Зміщуються і самі вектори фазних напруг на довільний кут одна відносно іншої. Зміщені вектори фазних напруг 0'A, 0'B і 0'С не рівні між собою, 0'A ≠ 0'B ≠ 0'С.
Напруга на кожній з фаз змінюється з величини в 220 В наприклад на 190В, 240В і 230В відповідно.

Така ситуація називається перекосом фазних напруг.

Якби опору навантаження були рівні, то струми, через них протікають так само були рівні між собою.
З огляду на те, що кут зсуву між ними дорівнює 120 °, то їх геометрична сума дорівнювала б нулю.

Однак при їх нерівності в результаті підсумовування виникає струм I00 ', який називається зрівняльним. А, отже, напруга U00 ', яке називається напругою зміщення.

Перекіс фаз (фазних напруг), як правило, характеризується незмінністю або подібністю лінійних напруг джерела і значною різницею за величиною фазних напруг. Тобто рівносторонній трикутник, утворений векторами лінійних напруг залишається рівностороннім трикутником, це означає, що значення трьох лінійних напруг відповідає 380В, можливі незначні відхилення значень, які називаються є допустимими.
Значно зміщуються вектори фазних напруг всередині трикутника, які з'єднують точку всередині трикутника з його вершинами, змінюється величина фазної напруги і кут зсуву між ними.

Причини виникнення перекосу фаз

Умовно причини виникнення перекосу фаз можна розділити на зовнішні і внутрішні.

Внутрішні причини пов'язані зі споживачами електроенергії, які нерівномірно завантажують фази мережі без урахування потужності
однофазних електроприймачів, коефіцієнта одночасності їх включення,
підключають потужні двофазні електроприймачі до побутових розеток.

У реальному житті причиною перекосу фаз є нерівномірність завантаження не тільки за величиною, а й за характером навантаження.
Навантаження може бути активною (резистивной) - (R) або реактивної: індуктивної (L) або ємнісний (С).

Зовнішні причини виникнення перекосу фаз можуть бути пов'язані з несправностями
в розподільній мережі (наприклад, в високовольтних лініях електропередач (ЛЕП)
при високій вологості і дефектах в гірляндах ізоляторів або розрядників окремих фаз) або наявністю потужних споживачів, включених на дві фази, тобто на лінійну напругу (наприклад, споживачі тягових мереж або електродвигуни електропоїздів).

Також причини можуть бути комбінованими (зовнішніми і внутрішніми).

Наслідки перекосу фаз

Наслідки перекосу фаз виявляються в збільшенні електроспоживання з мережі; в неправильній роботі електроприймачів, їх збої, відмови, відключеннях, перегорання запобіжників, знос ізоляції.

Умовно негативні наслідки перекосу фаз можна розділити на три групи:

1. Наслідки для електроприймачів (приладів, устаткування), пов'язані з їх ушкодженнями, відмовами, збільшенням зносу, зменшенням періоду експлуатації.

а) наслідки для однофазних електроприймачів
Низька напруга викликає неправильну роботу однофазних споживачів: тьмяне світло освітлювальних приладів, тривале нагрівання нагрівальних приладів, тривалий запуск рухових приладів, збої в роботі комп'ютерів і т.д. Висока напруга викликає відмови електроприймачів через зношування ізоляції, відключення їх захисними пристроями, перегорання запобіжників.

б) наслідки перекосу фаз для трифазних електроприймачів
Основну частину трифазних споживачів (споживачів, які живляться від лінійної напруги) складають електродвигуни, які приводять в дію заглибні і фекальні насоси, приводи автоматичних воріт, верстатне обладнання і т.д.
Система управління і контролю запуску таких трифазних споживачів, як правило, підключається до фазній напрузі. При перекоси фаз система управління запуском (СУЗ) електродвигуна, яка контролює тривалість і факт запуску, працює нестійкий, тобто спонтанно видає команди на його пуск або зупинку. Діапазон зміни фазного напруги жорстко регламентується експлуатаційною документацією (як правило, не допускається перекіс більш ± 7,5 ÷ 10% від номіналу). Якщо перекіс перевищив допустиму межу, то СУЗ дає збій. При відновленні рівня фазної напруги відбувається черговий запуск і так далі.
Відомо, що режим «пуску в хід» асинхронного двигуна характеризується короткочасною роботою обмоток статора в режимі короткого замикання (КЗ), тобто в момент вмикання двигун споживає набагато більше енергії, ніж в процесі роботи. Природно, що часті повторні пуски будуть викликати значний перегрів ізоляції і істотно збільшувати електроспоживання з мережі.
Можливі негативні наслідки такого режиму роботи - або відмова в запуску, або відмова обладнання внаслідок перегоряння обмоток двигуна.

2. Наслідки для джерел електроенергії: збільшення енергоспоживання, збільшення втрат електроенергії при харчуванні від Госсет; при харчуванні від трифазного автономного джерела - механічні пошкодження (пошкодження підшипників валів, підшипникових щитів генератора і приводного двигуна, закоксовиваніє форсунок), зменшення періоду експлуатації джерела, збільшення його зносу, підвищена витрата палива, масла, охолоджувальної рідини.

3. Наслідки для споживачів, пов'язані з безпекою, так як погіршення якості ізоляції може призвести до:
- електротравматизму;
- займання електропроводки або електроприймачів;
а також наслідки, пов'язані зі збільшенням витрат на:
- електроенергію;
- витратні матеріали для генератора;
- ремонт електроприймачів, пошкоджених внаслідок перекосу фаз;
- придбання нових електроприймачів, які відмовили внаслідок перекосу фаз.

Способи усунення перекосу фаз

Централізоване рішення, що дозволяє усунути перекіс фаз, відсутня, так як неможливо зобов'язати всіх споживачів підключати одночасно навантаження, рівні за величиною і характером.

Традиційно для забезпечення заданої напруги на кожній з фаз традиційно використовуються стабілізатори напруги. У побутових умовах застосовують однофазні стабілізатори напруги, які забезпечують захисту окремих електроприймачів або невеликої їх групи.
У промислових умовах використовуються трифазні стабілізатори напруги різної потужності, які конструктивно складаються з трьох однофазних стабілізаторів напруги.
Принцип їх дії такий, що вони реагують на відхилення на кожній окремо взятій фазі і піднімають або опускають напруга до необхідного рівня на своїй фазі, провокуючи зміни напружень на двох інших фазах і будучи, таким чином, вторинної причиною виникнення перекосу фаз.
З викладеного вище ясно, що трифазні стабілізатори напруги фактично не вирішують поставлену перед ними задачу, так як самі провокують несиметрію трифазної системи. Крім свого основного недоліку трифазні стабілізатори напруги споживають значну кількість електроенергії і вимагають значних сервісних витрат, так як мають низькою надійністю - і електромеханічні, і електронні стабілізатори напруги мають швидкозношувані і часто відмовляють деталі.

Альтернативна технологія

Для вирішення завдання щодо усунення перекосу фазних напруг і забезпечення заданого фазного напруги необхідно використовувати технологію, яка дозволить вирівнювати напругу не на кожній з фаз окремо, а сімметріровать фази між собою, тобто сімметріровать всю трифазну систему - сімметріруюзщій трансформатор.
Такий пристрій має значно більшою ефективністю, воно не тільки саме споживає менше електроенергії, а й знижує електроспоживання з мережі для електроприймачів.

Діапазон зміни фазних напруг

Сімметрірующій трансформатор допускає 100% -ий перекіс навантаження і усуває перекіс фазних напруг в усьому діапазоні їх змін незалежно від причини перекосу:
(1) перекіс в підвідної мережі живлення, викликаний несправностями в розподільній мережі,
(2) нерівномірний розподіл фазних навантажень,
(3) підключення потужного споживача,
(4) комбіновані причини.

Практичне застосування

Прикладні завдання, які вирішуються за допомогою застосування сімметрірующего трансформатора:

• Усунення перекосу фазних напруг, тобто вирівнювання фаз мережі один щодо одного.
• Рівномірний розподіл навантажень по фазах.
• Забезпечення заданої величини фазних напруг.
• Перетворення трифазної мережі в одно- (двох) фазную:
- з гальванічною розв'язкою
- без гальванічної розв'язки мережі живлення і споживача;
- зі зміною (збільшенням або зменшенням) вихідної напруги;
• Перетворення трифазної трехпроводной мережі в трифазну чьотирьох (тобто формування нульового робочого провідника для можливості підключення фазного навантаження).
• Можливість знімати до 50% трифазної потужності з однієї фази.
• Можливість використання менш потужних генераторів для тієї ж групи споживачів.
• Можливість підключати більш потужні електропрімнікі при харчуванні від автономного джерела або при обмеженнях на споживану потужність з Госсет.
• Відігрівання конструкцій і комунікацій (при обмерзання проводів, промерзании трубопроводів і т.д.).

Схожі статті