Перекос фаз в трехфазной сети: что это такое, причины, последствия, защита

Вопросы и ответы

Что такое перекос фаз?

Этот термин используется для описания состояния сети, когда между фазами возникает неравномерная нагрузка, что приводит к смещению. Если составить векторную диаграмму идеальной трехфазной сети, она будет выглядеть так, как показано на рисунке ниже.

Как видно из рисунка, в этом случае равны как линейные напряжения (АВ = ВС = СА = 380,0 В), так и фазные напряжения (АН = ВН = CN = 220,0 В). К сожалению, на практике добиться такого идеального равенства нереально.

Это означает, что линейные напряжения сети обычно совпадают, а фазные напряжения имеют отличия. В некоторых случаях они могут превысить допустимый предел, что приведет к аварийной ситуации.

Зачем нужно учитывать порядок фаз?

Последовательность переключений играет существенную роль в таких ситуациях:

  • При параллельном соединении ряд агрегатов (трансформаторы, генераторы и другие электрические машины) могут быть соединены параллельно для повышения надежности системы или для обеспечения большего запаса мощности. Но при неправильном подключении из-за подключения противоположных фаз произойдет короткое замыкание.
  • При подключении трехфазного счетчика — так как его работа основана на совпадении фаз с соответствующими выводами прибора, при неправильном подключении возможны ошибки и самопроизвольное движение при отсутствии нагрузки. Из-за чего такое подключение электросчетчика заставит потребителя платить за киловатты, которые он не потребил.
  • При включении двигателя чередование фаз в сети определяет направление вращения двигателя электрической машины. При отсутствии правильной фазировки изменится и направление движения элементов, механически связанных с ротором. Из-за чего может произойти нарушение технологического процесса или угроза жизни персонала.

Для предотвращения негативных последствий перекоса фаз и других несоответствий на практике проводится проверка чередования и устанавливается предохранитель.

Как выполнить проверку?

Проверка может осуществляться несколькими способами. Целесообразность выбора того или иного варианта осуществляется в зависимости от параметров электрической сети и задач, которые необходимо решить. Так коммутацию можно распознать с помощью фазоуказателя, мегомметра, мультиметра или по цвету изоляции кабеля. Рассмотрим каждый вариант более подробно.

С помощью фазоуказателя

Как видно на рисунке 3, индикатор чередования фаз имеет три обмотки, подключенные к одним и тем же фазам в сети или устройстве. Между обмотками находится вращающийся ротор Р, который приводит в движение диск фазоуказателя D.

На практике после подключения соответствующих проводов к клеммам указателя фаз рабочий нажимает кнопку К, замыкающую цепь обмотки. В зависимости от последовательности фаз диск D начнет вращаться по часовой или против часовой стрелки.

На самом устройстве есть стрелка, показывающая прямое переключение. Если при нажатии на кнопку диск вращается в том же направлении, как показано стрелкой, то эта трехфазная нагрузка находится в прямой коммутации.

Если диск начинает вращаться в направлении, противоположном стрелке, последовательность фаз меняется на обратную. Следует отметить, что данное устройство не способно определить, какая фаза на каком проводе, оно может только определить порядок их коммутации.

С помощью мегаомметра

В качестве одного из методов проверки целостности проводов широко используется прибор для измерения сопротивления — мегомметр.

Посмотрите на рисунок 4, для реализации такой схемы нужно отключить кабель от сети и от потребителя. При этом на одном конце кабеля фазы поочередно соединены с землей Z, подобно металлической оболочке бронированных кабелей.

С другой стороны подключается мегомметр М, один из выводов которого заземляется, а другой подключается поочередно к каждой из фаз. На той, где мегомметр показывает нулевое сопротивление, и будет один провод.

На концах одноименного провода устанавливается соответствующая маркировка. Недостатком этого метода набора номера является большой объем работы. Так как каждая жила заземляется по очереди, после чего производится проверка.

При этом ответственные сотрудники должны быть установлены на обоих концах кабеля. Между ними должна быть обеспечена связь для координации действий и недопущения создания напряженности у работников.

По расцветке изоляции жил

Если устройство имеет подключение разноцветными проводами, фазировку оборудования можно выполнить по цвету. Для определения расположения одноименных напряжений к определенным фазам необходимо добраться до каждой жилы кабеля.

При наличии на каждом проводе изоляции разного цвета, сравнив их с точкой подключения трансформатора или распределительного устройства, можно определить, где какая фаза находится.

Недостатком этого метода является ложная цветовая маркировка, так как производитель кабеля не всегда обеспечивает одинаковый цвет для каждой жилы по всей длине провода. Поэтому все же рекомендуется позвонить и отметить это заранее.

При помощи мультиметра

Для этого метода используется обычный мультиметр. Наиболее актуален в ситуациях, когда необходимо включить в параллельную работу два соседних агрегата и их шины расположены рядом.

Необходимо сравнить фазные напряжения в соседних линиях, на рисунке 5 показан пример для фазы А и А1. Коммутационное оборудование должно быть разомкнуто.

Перед использованием мультиметра установите на нем класс напряжения для линии, на которой будет производиться измерение. Щупы подключаются к фазным клеммам, при этом их изоляция должна обеспечивать защиту от напряжения, а на руки надеваются диэлектрические перчатки.

Если при подключении щупов к клеммам А — А1 стрелка остается на нуле, это означает, что фазы совпадают. Если стрелка отклоняется от значения линейного напряжения, измерьте противоположные фазы.

Признаки нестабильной работы электрических приборов, вызванные перекосом фаз

Признаки перекоса фаз в сети можно обнаружить невооруженным глазом. Как правило, электрооборудование сразу дает понять об асимметрии распределения напряжения между фазами:

  • Любая световая индикация на устройствах начинает мерцать, либо горит слишком тускло.
  • Если работа оборудования предполагает работу нагревательного змеевика, тепловая энергия не позволяет получить заявленную производителем мощность.
  • Слабый набор оборотов крыльчатки электродвигателей, что снижает рабочую частоту движущихся частей оборудования, таких как барабан стиральной машины, лопасти вентилятора или воздушный насос пылесоса.

Что касается работы сложных электронных устройств – телевизионной или компьютерной техники, то при перекосе фаз они могут вообще не подавать признаков жизни, могут не реагировать на включение питания.

Негативные последствия перекоса

Перекос фаз в трехфазной цепи, приводящий к неравномерному распределению напряжений, является негативным фактором для работы всей сети. При возникновении такого явления наблюдается ряд негативных последствий:

  • Повреждение оборудования.
  • Ожог проводов и обмоток электродвигателей.
  • Сократить эксплуатационный период для бесперебойной работы оборудования.
  • Постоянная нагрузка на системы аварийного отключения сети.
  • Механические повреждения источников электрической энергии.
  • Увеличение расходов на оплату электроэнергии из-за неконтролируемого потребления.
  • Частая поломка устройств, потеря гарантии, затраты на ремонт.
  • Опасность возгорания, короткого замыкания, повреждения.

Перекос фаз является аварийной ситуацией, и при возникновении этого явления необходимо принять срочные меры по его устранению.

Неравномерное подключение нагрузки

Небаланс фаз возникает из-за неравномерного подключения нагрузки при сборке схемы. Как правило, это свидетельствует о низкой квалификации установщика и совершении грубых ошибок:

  • При большом количестве электропотребителей их необходимо включать в сеть группами, при этом распределение мощности также должно происходить равномерно. Если потребители сгруппированы неравномерно, это может вызвать асимметрию в распределении нагрузки.
  • В случае случайного или неправильного отключения нейтрали от общей цепи.
  • В случае неправильного подключения заземления через фазный провод.

Все эти ошибки неизбежно приводят к перекосу фаз с негативными последствиями для оборудования. Если на одной из жил кабеля трехфазной сети наблюдается снижение напряжения, остальные провода испытывают повышенную нагрузку, что приводит к несимметрии.

Импульсные блоки питания

Многие производители, выпускающие высокотехнологичное оборудование со сложной электроникой, стараются избежать риска перекоса фаз, включая в схему импульсные блоки питания. Эти устройства позволяют добиться определенных эффектов, положительно влияющих на работу оборудования:

  • ИБП изменяют форму гармонических электрических колебаний, подстраивая их траекторию до состояния идеальной синусоиды. Устройство работает по принципу нелинейного распределения нагрузки между фазами.
  • Устройства успевают потреблять электрический ток до того, как будет создана максимальная разность потенциалов в цепи. Если разность потенциалов мала, ИБП обычно перестает потреблять мощность. Это приводит к регулировке смещения и стабилизации работы электрооборудования.

Каждый компьютер, телевизор или бытовой прибор, оснащенный электронной микросхемой, снабжен импульсным блоком питания, что позволяет значительно продлить срок его службы и исключить неисправности.

Методы защиты

На практике существует несколько способов защиты оборудования от перекоса фаз в электрической сети:

  • При выборе жилы кабеля, выдерживающей повышенную нагрузку, вызванную асимметрией фаз.
  • Правильное включение электропотребителей в сеть с равномерным распределением нагрузки между фазами.
  • Включение в сеть дополнительного стабилизирующего оборудования, уравновешивающего асимметрию при работе бытовых приборов.
  • Перед организацией бытовой сети следует предварительно разработать проект, составить схему подключения и учесть равномерное распределение нагрузки на каждый элемент схемы.
  • Устройство в плате реле, позволяющее управлять фазами.

При построении разветвленной сети с одновременно работающими устройствами лучшим решением избавиться от перекоса фаз будет установка трансформатора, способного одновременно стабилизировать сеть и выдавать нужные параметры тока.

Допустимые нормы значений перекоса

Поскольку предотвратить и полностью устранить искажения в трехфазных сетях невозможно, существуют нормы несимметрии, в которых устанавливаются допустимые отклонения. В первую очередь это ГОСТ 13109 97, ниже приведена выдержка из него (п. 5.5) во избежание разночтений в документе.

Так как основная причина перекоса фаз напрямую связана с неравномерным распределением нагрузок, то существуют нормы их соотношения, прописанные в СП 31 110. Мы также приведем выдержку из этого свода правил в оригинале.

Здесь необходимо уточнить терминологию. Для описания асимметрии используются три составляющие, это прямой, нулевой и обратный порядок. Первый считается самым важным, он определяет номинальное напряжение. Два последних можно считать помехой, которая приводит к образованию в цепях нагрузки соответствующей ЭДС, не участвующей в полезной работе.

Читайте также: Не так и сложен стабилитрон, хотя не так и прост

Экскурс в теорию электротехники

Трехфазная система переменного тока была введена в промышленность более века назад почти в том же виде, в каком она сохранилась до наших дней. Основным разработчиком трехфазной сети является Михаил Осипович Доливо-Добровольский, отечественный ученый, взявший за основу своих разработок идеи Николы Теслы.

Преимущества трехфазной сети очевидны: если при вращении магнитного поля на трехполюсной обмотке генератора симметрично и последовательно возникает ток, то форму можно легко использовать для преобразования электрической энергии обратно во вращение .

В эпоху развития научно-технического прогресса возможность свободного использования электрических машин была чрезвычайно важна и актуальна по сей день.
Источник бесперебойного питания АГМ-7,5

Однако трехфазная система электроснабжения не лишена недостатков. Напряжения на каждой из фаз связаны коэффициентом симметрии. В трехфазной сети различают два вида электрического напряжения: линейное, которое действует между фазами, и фазное, которое измеряется между фазой и нулевым проводом.

Если нагрузка на каждой фазе одинакова (симметрична), линейное напряжение в √3 раза превышает фазное напряжение. Учитывая, что изменение полярности напряжения на каждой фазе чередуется с другими и частично пересекается во времени, значительная неравномерность распределения нагрузок приводит к нестабильной работе всей системы.

Восстановление нулевого провода

Колоссальные напряжения используются для передачи электроэнергии на большие расстояния, благодаря этому удается уменьшить сечение проводников до разумных значений. По мере приближения к потребителю происходит поэтапное снижение напряжения с помощью силовых трансформаторов и постепенное разветвление электросети.

Не нужно подключать трансформаторы нейтральным проводом; такой замечательный лидер, как корочка, отлично справляется с этой задачей. Поэтому обрыв нуля может произойти только на завершающем этапе преобразования: на понижающей подстанции 6–0,4 кВ или в любой точке распределительной сети низкого напряжения.

Чтобы выяснить, где возможен обрыв нулевого провода, обратимся к классическому примеру — трехфазной сети электроснабжения многоквартирного дома. В техническом канале, соединяющем этажные помещения, допускается прокладка трехжильного кабеля и общедомовой заземляющей шины. Также можно подключить нейтральную шину к контуру заземления подстанции с помощью четвертой жилы кабеля.

Практически во всех случаях определить место обрыва достаточно просто, достаточно просто измерить вольтметром электрический потенциал между нулевой шиной и землей. Если прибор показывает значения, близкие к отклонению фазного напряжения от нормы, место повреждения необходимо искать раньше по схеме, двигаясь в сторону подстанции.

С воздушными линиями дело обстоит иначе. Нулевой провод сопровождает фазные провода по всей длине распределительной сети, начиная от подстанции или трансформатора. Естественно, самостоятельно измерять напряжение между нулевым проводом и землей на каждом полюсе ВЛ никто не будет.

Обрыв можно определить только визуально, а еще лучше — силами аварийщиков. Кроме того, отметим, что самостоятельно заземлять нейтральный проводник в зоне его ответственности не имеет смысла, т.к в этом случае вся сеть будет разгружена по проводнику потребителя, а значит, ток будет протекать по счетчику учета единица.

Инверторные стабилизаторы фаз

От несимметрии напряжений и токов страдают не только потребители с однофазным подключением, но и трехфазные абонентские сети, в том числе промышленные.

Одним из наиболее эффективных способов решения проблемы перекоса фаз является установка стабилизатора фазы. В отличие от обычных бытовых стабилизаторов напряжения фазовые стабилизаторы устраняют асимметрию за счет усиления или перераспределения нагрузки.

Фактически функцию многофазного балансировочного стабилизатора может выполнять сборка из трех однофазных стабилизаторов напряжения. Но если три агрегата объединить в один, это может сулить значительные преимущества.

Принцип работы трехфазного блока заключается в том, что он имеет блок накопления и преобразования энергии, представляющий собой импульсный трансформатор. Вкратце: однофазный стабилизатор, установленный на самой висящей фазе, вынужден компенсировать рост напряжения увеличением потребляемого тока, что сопровождается сильным снижением КПД преобразователя.

В свою очередь, трехфазные стабилизаторы черпают необходимую энергию для выравнивания из фаз, где напряжение выше номинального, за счет чего величина потерь преобразования значительно ниже. В этом случае выполняется дополнительная нагрузка на ненагруженные фазы, то есть стабилизируется не только потребитель, но и частично питающая сеть.

Наличие общего преобразователя также позволяет поддерживать трехфазную сеть в случае временного отсутствия напряжения на одной из питающих фаз.

Не лишен недостатков. В первую очередь это сложность устройства и дороговизна устройств трехфазной стабилизации.

Преимущественно стабилизаторы фазы применяются в электроснабжении малых предприятий, оснащенных электрооборудованием с суммарной потребляемой мощностью до 80-100 кВА: котельных, базовых станций мобильной связи, мебельных мастерских. Для более мощных потребителей предлагаются другие способы стабилизации.

Симметрирующие трансформаторы

Балансирующие трансформаторы — еще один тип устройств для стабилизации токов и напряжений. Они имеют более широкий диапазон подключаемой мощности. Для сетей с током потребления до 400 кВА рекомендуется устанавливать низковольтные трансформаторы типа ТСТ, для более мощных — симметрирующие трансформаторы 6/0,4 кВ типа ТМГСУ.

Оба типа трансформаторов отличаются от обычных силовых тем, что имеют дополнительную обмотку. Он размещается параллельно первичным обмоткам и подключается между рабочей нейтралью и контуром заземления средней точки трансформатора.

Принцип работы прост: при появлении несимметрии нагрузок в нулевом проводе возникает ток, который передается на магнитопровод трансформатора, а затем подтягивает наиболее нагруженную фазу. Компенсация осуществляется автоматически за счет разницы периодов колебаний разных фаз.

Трансформаторы ТМГСУ практически не отличаются от низковольтных балунов. Размещение фазовращателя на понижающем преобразовании просто устраняет необходимость в дополнительной схеме преобразования и, следовательно, позволяет избежать дополнительных потерь в магнитопроводе.

Простота, надежность и дешевизна делают симметрирующие трансформаторы оптимальным решением для сетей с невысокими требованиями к чистоте синусоиды. Однако трансформаторы не обладают таким широким набором функций защиты и стабилизации, как блоки инверторного типа.

Причины перекоса фаз в трехфазной сети

Как было сказано выше, такое состояние электросети чаще всего вызвано неравномерным подключением нагрузки к фазам и обрывом нейтрали. Чаще всего это проявляется в сетях до 1 кВ, что связано с особенностями распределения электроэнергии между однофазными электроприемниками.

Обмотки трехфазных силовых трансформаторов соединены в звезду. Четвертый провод, называемый нулевым или нейтральным, выводят из места соединения обмоток. При обрыве нулевого провода в сети возникает асимметрия напряжения, и смещение будет напрямую зависеть от тока нагрузки.

Пример такой ситуации показан ниже. В этом случае RN — сопротивление нагрузок, имеющих одинаковую величину.

В этом примере напряжение на нагрузке, подключенной к фазе А, превысит норму и будет стремиться к линейной, а на фазе С упадет ниже допустимого предела. К подобной ситуации может привести дисбаланс нагрузки выше установленной нормы. При этом напряжение на недогруженных фазах будет увеличиваться, а на перегруженных падать.

Работа сети в режиме обрыва фазы также приводит к перекосу напряжения, когда фазная линия замыкается на землю. В чрезвычайных ситуациях допускается эксплуатация сети в таком режиме, при котором обеспечивается подача электроэнергии потребителям.

На основании вышеизложенного можно констатировать три основные причины перекоса фаз:

  1. Неравномерная нагрузка на линии в трехфазной сети.
  2. Когда нейтрал уничтожен.
  3. В случае короткого замыкания одной из фазных линий на землю.

Несимметрия в высоковольтных сетях

Такое состояние в сети 6,0-10,0 кВ иногда может быть вызвано подключенным к ней оборудованием; в качестве типичного примера можно привести электродуговую печь. Несмотря на то, что это не относится к однофазному оборудованию, управление током дуги в нем осуществляется пофазно.

В процессе плавки также могут возникать несимметричные короткие замыкания. Учитывая, что существуют дуговые плавильные установки, работающие от напряжения 330,0 кВ, можно констатировать, что в этих сетях также возможен перекос фаз.

В высоковольтных сетях перекос фаз может быть вызван конструктивными особенностями линий электропередач, а именно разным сопротивлением в фазах. Для исправления ситуации выполняется перестановка фазовых линий; для этого устанавливаются специальные опоры. Эти дорогие конструкции не отличаются особой прочностью.

Такие опоры особо не стремятся устанавливать, предпочитая жертвовать качеством электроэнергии, чем надежностью ЛЭП.

Опасность и последствия

Предполагается, что наиболее важные последствия дисбаланса связаны с низким качеством электроэнергии. Это, безусловно, так, но не следует забывать и о других негативных последствиях. К ним относится образование циркуляционных токов, что вызывает увеличение потребления электрической энергии.

В случае трехфазного автономного электрогенератора это также приводит к повышенному расходу дизельного топлива или бензина.

При равномерном подключении нагрузки геометрическая сумма проходящих через нее токов будет близка к нулю. Когда возникают искажения, импульсный ток и напряжение смещения увеличиваются. Увеличение первых приводит к увеличению потерь, вторых — к нестабильной работе бытовых приборов или другого оборудования, срабатыванию защитных устройств, быстрому износу электроизоляции и т.д.

Перечислим последствия, которые можно ожидать при возникновении смещения:

  1. Отклонение фазного напряжения. В зависимости от распределения нагрузок возможны два варианта:
  • Напряжение выше номинального. В этом случае велика вероятность выхода из строя большинства электроприборов, подключенных к бытовым розеткам. При срабатывании защиты результат менее трагичен.
  • Напряжение падает ниже нормы. Возрастает нагрузка на электродвигатели, снижается мощность электрических машин, увеличиваются пусковые токи. Наблюдались ошибки электроники, устройства могут отключаться и не включаться, пока не будет исправлено смещение.
  1. Увеличивается потребление электроэнергии оборудованием.
  2. Ненормальная работа электрооборудования приводит к сокращению срока службы.
  3. Уменьшенный ресурс техники.

Не следует забывать, что предубеждения могут представлять угрозу для жизни. При превышении номинального напряжения вероятность короткого замыкания в проводке невелика, при условии, что она не ветхая и кабель выбран правильно.

В этом случае более опасны электроприборы, подключенные к сети. При появлении смещения может произойти короткое замыкание на корпус или возгорание электрического устройства.

Защита от перекоса фаз в трехфазной сети

Самый простой, но действенный способ минимизировать негативные последствия описанного выше отклонения – установить реле контроля фаз. Внешний вид такого прибора и пример его подключения (в данном случае после трехфазного счетчика) можно посмотреть ниже.

Эта трехфазная машина может иметь следующие функции:

  1. Для контроля амплитуды электрического тока. Если параметр выходит за указанные пределы, нагрузка отключается от источника питания. Как правило, диапазон срабатывания устройства можно настроить в соответствии с характеристиками сети. Эта опция доступна для всех устройств этого типа.
  2. Проверьте последовательность фаз подключения. При неправильном переключении питание отключается. Этот тип управления может быть важным для некоторых типов оборудования. Например, при подключении трехфазных асинхронных электрических машин это зависит от того, в какую сторону будет вращаться вал.
  3. Проверяет наличие обрыва на отдельных фазах, при обнаружении такового нагрузка отключается от сети.
  4. Функция следит за состоянием сети, как только появляется смещение, срабатывает.

Вместе с реле контроля фаз можно использовать трехфазные стабилизаторы напряжения, с их помощью можно несколько улучшить качество электричества. Но этот вариант не эффективен, так как такие устройства сами по себе могут стать причиной нарушения симметрии, кроме того, происходит потеря стабилизаторов.

Лучший способ сбалансировать фазы — использовать для этой цели специальный трансформатор. Такой вариант подстройки фаз может дать результат, как в случае перераспределения однофазных нагрузок на автономный 3-х фазный электрогенератор, так и в более серьезных масштабах.

Защита в однофазной сети

В этом случае невозможно повлиять на внешние проявления системы электроснабжения, например, при перегрузке фаз электропотребители не могут исправить ситуацию. Все, что можно сделать, это обезопасить электрооборудование, установив реле напряжения и однофазный стабилизатор.

Имеет смысл установить общий блок стабилизации на всю квартиру или дом. В этом случае необходимо рассчитать максимальную нагрузку, а затем добавить запас 15-20% Это запас на будущее, так как количество электрооборудования со временем может увеличиваться.

Совсем не обязательно подключать все оборудование к стабилизатору сети, некоторые виды устройств (например, электрические печи или котлы) можно подключать напрямую к реле напряжения (через АБ). Это сэкономит деньги, так как маломощные устройства дешевле.

Оцените статью
Блог об электричестве
Adblock
detector