Перекос фаз

Наиболее распространенной системой передачи электроэнергии является трехфазная, образованная тремя переменными напряжениями, различающимися по фазе на 120°. Несбалансированность напряжений влияет на качество электроэнергии.

Перекос напряжений на приборе

Что называется перекосом фаз

Чтобы понять, что такое перекос фаз, нужно обратиться к построению векторов напряжений трехфазной системы. Вектора линейных напряжений образуют равнобедренный треугольник, а фазные напряжения, выходящие из нулевой точки, напоминают симметричную звезду. Все три фазных напряжения должны быть равны по величине, а углы между ними составлять 120°. Отклонения от этого состояния представляют собой перекос фаз в трехфазной сети.

В схемах трехфазного тока, соединенных по типу «Y», присутствует N-проводник, с помощью которого относительно балансируются показатели напряжения. Когда происходит нарушение его целостности, N-проводником становится один из фазных проводов. Напряжение этой фазы возрастает до 0,4 кВ, что вызывает выход из строя электроприборов, подключенных к ней.

Графическое представление перекоса фаз

Напряжение обратной последовательности появляется при несимметрии фаз трехфазного питания, например, у двигателя или трансформатора. Величины и углы этого напряжения не совпадают с исходным напряжением системы. Степень асимметрии у двигателя зависит от его типа, размера и нагрузки.

Чтобы обнаружить асимметрию в системе, нужно измерить и сравнить друг с другом все три однофазные напряжения (между N-проводником и фазами).

Для расчета дисбаланса напряжений применяют следующую формулу:

Низшее напряжение / Высшее напряжение х 100%.

ПУЭ и ГОСТы устанавливают нормы допустимого перекоса фаз, исходя из показателей токов и напряжений, которые не должны превышаться:

• отношение между фазными токами (наибольшим и наименьшим) на щитках распределения – 30 %, на вводно-распределительных устройствах – 15%;
• асимметрия напряжений обратной последовательности – 2%, нулевой последовательности – 4%.

От чего зависит симметрия напряжений

Симметрия напряжения системы между распредсетями и потребителями электроэнергии зависит от:

• импеданса силовой цепи;
• напряжений на выводах генератора;
• тока, протекающего через приемники, сети передачи и распределения (распределение мощности в системе).

Напряжения на выходных контактах генераторов, как правило, симметричны из-за конструктивных особенностей и эксплуатационных характеристик синхронных машин, применяемых для выработки электроэнергии на электрических станциях. В случаях задействования асинхронных агрегатов, например, в ветряных установках, также получается симметричное трехфазное напряжение.

В локальных сетях генерации и распределения энергии, созданных со стороны потребителя, могут наблюдаться отличающиеся процессы. Многие из этих небольших блоков, например, фотоэлектрические элементы, подключенные к низковольтной сети силовой электроникой, имеют относительно высокий импеданс, что вызывает усиливающийся дисбаланс напряжения.

Сопротивление части энергосистемы неодинаково для отдельных фаз. Геометрическое расположение линий с асимметрией относительно земли вызывает различия и в их электрических параметрах. В целом, эти отклонения очень малы и могут быть незначительными при использовании превентивных мер.

Асимметрия на стороне нагрузки

Наиболее распространенными являются случаи перекоса фаз на стороне нагрузки. Приемниками, вызывающими асимметрию в сети, являются:

• блоки однофазных нагрузок, подключенных к трехфазной, например, индукционные печи, сварочный трансформатор;
• трехфазные приемники, работающие с периодической асимметрией (дуговые печи);
• множество неравномерно распределенных однофазных нагрузок, включенных между фазными и нейтральными проводниками, например, у муниципальных потребителей в низковольтных сетях.

Асимметрия нагрузок по фазам

Последствия перекоса фаз:

1. Снижение эксплуатационного срока электрооборудования;
2. Увеличение энергопотребления;
3. Нарушения в работе двигателей и генераторов, снижение их мощности;
4. Возможность повреждения электроприборов и устройств.

Защитные методы

Существует несколько способов защиты низковольтных потребительских сетей от перекоса фазных напряжений. Первым способом является расчет нагрузочных токов и конструктивное планирование их с целью обеспечения равномерности распределения мощностей.

Нагрузки со стороны низкого напряжения, такие как бытовые электроприборы или осветительные сети, обычно однофазные, что затрудняет гарантию симметрии. При планировании электрической сети, содержащей такие типы электроприемников, отдельные схемы должны быть равномерно распределены между тремя фазами, например, одна фаза на этаж. Мерой по защите от перекоса фаз может служить и изменение рабочих параметров нагрузок в существующих сетях.

Другие защитные методы:

1. Применение релейной аппаратуры, фиксирующей напряжение и автоматически срабатывающей на отключение при появлении асимметрии выше заданного показателя. При выравнивании значений напряжения подается сигнал на обратное включение;

Реле контроля напряжения

2. Переустройство схемы фазных соединений при значительных изменениях характера нагрузки;
3. Применение стабилизаторов напряжения, трансформаторов для симметрирования нагрузочных токов и другого оборудования.

Стабилизатор

Бытовое применение стабилизаторов предназначено для обеспечения неизменных показателей напряжения одной питающей фазы. Но они не влияют на перекос фаз в трехфазной сети. В промышленности применяют трехфазные устройства.

Стабилизатор напряжения

Основная функция аппарата – обеспечить выходное напряжение, питающее подсоединенные к нему устройства. Большинство стабилизаторов имеет электронные фильтры, целью которых является подавление шума и пикового напряжения. Стабилизатор защищает как от пониженного напряжения, так и от перенапряжения.

Симметрирующий трансформатор

Эти трехфазные устройства подключаются для питания потребительских электросетей и обладают рядом полезных функций:

• симметрируют нагрузку в питающей сети, независимо от фазных токов электроприемников;
• при подсоединении электрооборудования с мощным потреблением сглаживают просадку напряжения;
• уменьшают потери электроэнергии.

Симметрирующие трансформаторы возможно использовать, как для питания трехфазной нагрузки, так и для создания однофазных схемных конфигураций. В случае наличия трехфазной системы без нейтрального проводника устройство преобразует ее в четырехпроводную систему с N-проводом.

Альтернативные способы устранения фазных перекосов – использование конденсаторных батарей с треугольным соединением, включение специальных трансформаторов с дополнительной нагрузкой в виде конденсатора и индуктивности и другие.

Видео