Допустимый перекос фаз в трехфазной сети по напряжению

Перекос фаз в трехфазной сети — чем опасен и когда возникает?

Самая распространенная проблема, порождающая массу деструктивных последствий – перекос фаз в трехфазной сети (до 1,0 кВ) с глухозаземленной нейтралью. При определенных условиях такое явление может вывести из строя электрические приборы и создать угрозу для жизни. Учитывая актуальность проблемы, будет полезным узнать, что представляет собой несимметрия токов и напряжений, а также причины ее возникновения. Это позволит выбрать наиболее оптимальную стратегию защиты.

Что такое перекос фаз?

Данный термин используется для описания состояния сети, при котором возникают неравномерные нагрузки между фазами, что приводит к возникновению перекоса. Если составить векторную диаграмму идеальной трехфазной сети, то она будет выглядеть так, как показано на рисунке ниже.

Диаграмма напряжений в идеальных трехфазных сетях

Как видно из рисунка, в данном случае равны как линейные напряжения (АВ=ВС=СА=380,0 В), так и фазные (АN=ВN=СN=220,0 В). К сожалению, на практике добиться такого идеального равенства нереально. То есть, линейные напряжения сети, как правило, совпадают, в то время как в фазных наблюдаются расхождения. В некоторых случаях они могут превысить допустимый предел, что приведет к возникновению аварийной ситуации.

Пример диаграммы напряжений при возникновении перекоса

Допустимые нормы значений перекоса

Поскольку в трехфазных сетях предотвратить и полностью устранить перекосы невозможно, существуют нормы несимметрии, в которых установлены допустимые отклонения. В первую очередь это ГОСТ 13109 97, ниже приведена вырезка из него (п. 5.5), чтобы избежать разночтения документа.

Нормы несимметрии напряжения ГОСТ 13109-97

Поскольку, основная причина перекоса фаз напрямую связана с неправильным распределением нагрузок, существуют нормы их соотношения, прописанные в СП 31 110. Вырезку из этого свода правил также приведем в оригинале.

Вырезка из СП 31-110 (п 9.5)

Здесь необходимы пояснения в терминологии. Для описания несимметрии используются три составляющих, это прямая, нулевая и обратная последовательность. Первая считается основной, она определяет номинальное напряжение. Две последние можно рассматривать в качестве помех, которые приводят к образованию в цепях нагрузки соответствующих ЭДС, которые не участвуют в полезной работе.

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.

Несимметрия в высоковольтных сетях

Вызвать подобное состояние в сети 6,0-10,0 кВ иногда может подключенное к ней оборудование, в качестве характерного примера можно привести дугоплавильную печь. Несмотря на то, что она не относится к однофазному оборудованию, управление тока дуги в ней производится пофазно. В процессе плавки также могут возникнуть несимметричные КЗ. Учитывая, что существуют дугоплавильные установки запитывающиеся от напряжения 330,0 кВ, то можно констатировать, что и в данных сетях возможен перекос фаз.

В высоковольтных сетях перекос фаз может быть вызван конструктивными особенностями ЛЭП, а именно, разным сопротивлением в фазах. Чтобы исправить ситуацию выполняется транспозиция фазных линий, для этого устанавливаются специальные опоры. Эти дорогостоящие сооружения не отличаются особой прочностью. Такие опоры не особо стремятся устанавливать, предпочитая пожертвовать качеством электроэнергии, чем надежностью ЛЭП.

Опасность и последствия

Считается, что наиболее значимые последствия несимметрии связаны с низким качеством электроэнергии. Это, безусловно, так, но нельзя забывать и о других негативных воздействиях. К таковым относится образование уравнительных токов, вызывающих увеличение расхода электрической энергии. В случае с трехфазным автономным электрическим генератором это также приводит к повышенному расходу дизеля или бензина.

При равномерном подключении нагрузки, геометрическая сумма проходящих через нее токов была бы близкой к нулю. Когда возникает перекос, растет уравнительный ток и напряжение смещения. Увеличение первого приводит к росту потерь, второго – к нестабильному функционированию бытовых приборов или другого оборудования, срабатыванию защитных устройств, быстрому износу электроизоляции и т.д.

Перечислим, какие последствия можно ожидать, когда появляется перекос:

1. Отклонение фазного напряжения. В зависимости от распределения нагрузок возможно два варианта:

• Напряжение выше номинального. В этом случае большинство электрических устройств, оставленных включенными в бытовые розетки, с большой вероятностью выйдут из строя. При срабатывании защиты результат будет менее трагическим.
• Напряжение падает ниже нормы. Увеличивается нагрузка на электродвигатели, происходит падение мощности электромашин, растут пусковые токи. Наблюдаются сбои в работе электроники, устройства могут отключиться и не включаться пока перекос не будет устранен.

1. Увеличивается потребление электричества оборудованием.
2. Нештатная работа электрооборудования приводит к уменьшению эксплуатационного срока.
3. Снижается ресурс техники.

Не следует забывать, что перекос может создать угрозу для жизни. При превышении номинального напряжения вероятность КЗ в проводке не велика, при условии, что она не ветхая, а кабель подобран правильно. Более опасны в этом случае электроприборы, подключенные к сети. Когда появляется перекос, может произойти КЗ на корпус или возгорания электроприбора.

Защита от перекоса фаз в трехфазной сети

Наиболее простой, но, тем не менее, эффективный способ минимизировать негативные последствия описанного выше отклонения — установить реле контроля фаз. С внешним видом такого устройства и примером его подключения (в данном случае после трехфазного счетчика), можно ознакомиться ниже.

Данный трехфазный автомат может обладать следующими функциями:

1. Производить контроль амплитуды электротока. Если параметр выходит за установленные границы, нагрузка отключается от питания. Как правило, диапазон срабатывания прибора можно настраивать в соответствии с особенностями сети. Данная опция имеется у всех приборов данного типа.
2. Проверка очередности подключения фаз. Если чередование неправильное питание отключается. Данный вид контроля может быть важен для определенного оборудования. Например, при подключении трехфазных асинхронных электромашин от этого зависит, в какую сторону будет происходить вращение вала.
3. Проверка обрыва на отдельных фазах, при обнаружении такового нагрузка отключается от сети.
4. Функция отслеживает состояние сети, как только появляется перекос, происходит срабатывание.

Совместно с реле контроля фаз можно использовать трехфазные стабилизаторы напряжения, с их помощью можно несколько улучшить качество электроэнергии. Но данный вариант не отличается эффективностью, поскольку такие приборы сами могут взывать нарушение симметрии, помимо этого на стабилизаторах возникают потери.

Лучший способ симметрировать фазы – использовать для этой цели специальный трансформатор. Этот вариант выравнивания фаз может дать результаты, как при неправильном распределении однофазных нагрузок на автономный 3-х фазный генератор электроэнергии, так и в более серьезных масштабах.

Защита в однофазной сети

В данном случае повлиять на внешние проявления системы электроснабжения не представляется возможным, например, если фазы перегружены, потребители электроэнергии не могут исправить ситуацию. Все, что можно сделать, это обезопасить электрооборудование путем установки реле напряжения и однофазного стабилизатора.

Имеет смысл установить общее стабилизирующее устройство на всю квартиру или дом. В этом случае необходимо высчитать максимальную нагрузку, после этого добавить запас 15-20%.. Это запас на будущее, поскольку со временем количество электрооборудования может увеличиться.

Совсем не обязательно подключать к стабилизатору сети все оборудование, некоторые виды приборов (например, электропечи или бойлеры), могут быть подключены к реле напряжения (через АВ) напрямую. Это позволит сэкономить, поскольку устройства меньшей мощности стоят дешевле.

Источник

Перекос фаз

Причины возникновения

Нарушение симметричности напряжений в трёхфазной цепи — нежелательная ситуация. Поэтому для того чтобы её устранить, необходимо понять, почему она может возникнуть. Причины перекоса фаз в трёхфазной сети сводятся к основным трём обстоятельствам:

• неравномерное группирование потребителей;
• отсоединение нулевого провода;
• замыкание фазного провода на землю.

При неправильном распределении потребителей в трёхфазной трёхпроводной цепи, напряжение на них будет существенно отличаться. Потребители, обладающие наименьшим сопротивлением, окажутся под повышенным напряжением. Токоприёмники с большим значением сопротивления будут иметь напряжение, не достигающее оптимального значения.

На источниках электроэнергии неравномерное распределение напряжения по фазам скажется в виде увеличенного потребления энергии, повреждений изоляции, износа, сокращение срока службы. При использовании автономного дизельного генератора увеличится расход топлива и охлаждающего вещества.

Снижение качества электрической изоляции для потребителей чревато такими последствиями:

• повреждение, поломка бытовых приборов или электрической проводки;
• возникновение пожара;
• получение травм;
• выход из строя электроприборов.

Причины возникновения перекоса фаз

Условно причины возникновения перекоса фаз можно разделить на внешние и внутренние.

Внутренние причины связаны с потребителями электроэнергии, которые неравномерно загружают фазы сети без учета мощности однофазных электроприемников, коэффициента одновременности их включения, подключают мощные двухфазные электроприемники к бытовым розеткам.

В реальной жизни причиной перекоса фаз является неравномерность загрузки не только по величине, но и по характеру нагрузки. Нагрузка может быть активной (резистивной) — (R) или реактивной: индуктивной (L) или емкостной (С).

Внешние причины возникновения перекоса фаз могут быть связаны с неисправностями в распределительной сети (например, в высоковольтных линиях электропередач (ЛЭП) при высокой влажности и дефектах в гирляндах изоляторов или разрядников отдельных фаз) или наличием мощных потребителей, включенных на две фазы, т.е. на линейное напряжение (например, потребители тяговых сетей или электродвигатели электропоездов).

Также причины могут быть комбинированными (внешними и внутренними).

По режиму КЗ при напряжении выше 1 кВ не
проверяются:

1. Аппараты и проводники, защищенные плавкими
предохранителями с вставками на номинальный ток до 60 А, — по
электродинамической стойкости.

2. Аппараты и проводники, защищенные плавкими
предохранителями независимо от их номинального тока и типа, — по термической
стойкости.

Цепь считается защищенной плавким предохранителем, если его
отключающая способность выбрана в соответствии с требованиями настоящих Правил
и он способен отключить наименьший возможный аварийный ток в данной цепи.

3. Проводники в цепях к индивидуальным электроприемникам, в
том числе к цеховым трансформаторам общей мощностью до 2,5 МВ·А и с высшим
напряжением до 20 кВ, если соблюдены одновременно следующие условия:

а) в электрической или технологической части предусмотрена
необходимая степень резервирования, выполненного так, что отключение указанных
электроприемников не вызывает расстройства технологического процесса;

б) повреждение проводника при КЗ не может вызвать взрыва
или пожара;

в) возможна замена проводника без значительных затруднений.

4. Проводники к индивидуальным электроприемникам, указанным
в п. 3, а также к отдельным небольшим распределительным пунктам, если такие
электроприемники и распределительные пункты являются неответственными по своему
назначению и если для них выполнено хотя бы только условие, приведенное в п. 3,
б.

5. Трансформаторы тока в цепях до 20 кВ, питающих
трансформаторы или реактированные линии, в случаях, когда выбор трансформаторов
тока по условиям КЗ требует такого завышения коэффициентов трансформации, при
котором не может быть обеспечен необходимый класс точности присоединенных
измерительных приборов (например, расчетных счетчиков); при этом на стороне
высшего напряжения в цепях силовых трансформаторов рекомендуется избегать
применения трансформаторов тока, не стойких к току КЗ, а приборы учета
рекомендуется присоединять к трансформаторам тока на стороне низшего
напряжения.

6. Провода ВЛ (см. также 1.4.2, п. 1, б).

7. Аппараты и шины цепей трансформаторов напряжения при
расположении их в отдельной камере или за добавочным резистором, встроенным в
предохранитель или установленным отдельно.

Допустимые нормы значений перекоса

Поскольку в трехфазных сетях предотвратить и полностью устранить перекосы невозможно, существуют нормы несимметрии, в которых установлены допустимые отклонения. В первую очередь это ГОСТ 13109 97, ниже приведена вырезка из него (п. 5.5), чтобы избежать разночтения документа.

Нормы несимметрии напряжения ГОСТ 13109-97

Поскольку, основная причина перекоса фаз напрямую связана с неправильным распределением нагрузок, существуют нормы их соотношения, прописанные в СП 31 110. Вырезку из этого свода правил также приведем в оригинале.

Вырезка из СП 31-110 (п 9.5)

Здесь необходимы пояснения в терминологии. Для описания несимметрии используются три составляющих, это прямая, нулевая и обратная последовательность. Первая считается основной, она определяет номинальное напряжение. Две последние можно рассматривать в качестве помех, которые приводят к образованию в цепях нагрузки соответствующих ЭДС, которые не участвуют в полезной работе.

Расчет токов КЗ для трехфазных сетей

Для того чтобы определить ток трехфазного короткого замыкания в соответствующих сетях, следует обязательно учитывать специфику возникновения и развития этого процесса. Прежде всего, это индуктивность, возникающая в замкнутом проводнике, из-за чего ток трехфазного КЗ изменяется не мгновенно, а нарастает постепенно в соответствии с определенными законами.

Точность производимых вычислений зависит в первую очередь от расчетов основных величин, вставляемых в формулу. С этой целью используются дополнительные формулы или специальное программное обеспечение, выполняющее сложнейшие вычислительные операции за очень короткое время.

Если же расчеты в трехфазных сетях выполняются ручным способом, в таких случаях нужные результаты про ток КЗ формула, приведенная ниже, позволяет определить с достаточно точными показателями:

Iкз = Uc/(√3*Хрез) = Uc /(√3*(Хсист + Хвн)), в которой Хвн является сопротивлением между шинами и точкой КЗ, Хсист – это сопротивление во всей системе относительно шин источника напряжения, Uc – напряжение на шинах в данной системе.

При отсутствии какого-то из показателей, его значение определяется с использованием дополнительных формул или программ. Если же расчеты трехфазного КЗ производятся для сложных сетей с большим количеством разветвлений, в этом случае основная схема преобразуется в схему замещения, где присутствует лишь один источник электроэнергии и одно сопротивление.

Сам процесс упрощения производится в следующем порядке:

• Складываются все показатели сопротивлений, подключенных параллельно в данной цепи.
• Далее суммируются все сопротивления, подключенные последовательно.
• Результирующее сопротивление Х_рез определяется как сумма всех подключенных параллельных и последовательных сопротивлений.

Расчеты токов двухфазного короткого замыкания выполняются с учетом отсутствия у них симметричности. У них нет нуля, а присутствую токи, протекающие в прямом и обратном направлении. Таким образом, ток двухфазного КЗ рассчитывается последовательно, по отдельным формулам, используемым для каждого показателя.

Причины возникновения явления

Кроме различных нагрузок, опасный режим эксплуатации может возникать при обрыве нулевого провода. Эту ситуацию можно рассмотреть на примере типового силового трансформатора, обмотки которого соединены по схеме «звезда».

Обрыв нейтрали

Если разорвать цепь, обозначенную на рисунке стрелкой, линия фазы «С» фактически будет выполнять функции нулевого проводника. Именно в этом участке для прохождения тока создаются самые благоприятные условия. По классическим формулам можно посчитать эквивалентное электрическое сопротивление при параллельном соединении нагрузок:

Rэкв = R1*R2*R3/(R1*R2 + R2*R3 + R1*R3).

Если использовать для примера одинаковую величину Rн = 50 Ом, для этого участка Rэкв = 125 000 / (2 500 + 2 500 + 2 500) ≈ 17 Ом.

В новой «нейтрали» напряжение может увеличиться до максимального уровня 380 V. На такой уровень типовая бытовая техника не рассчитана. Одновременно может уменьшиться до 130 V и даже ниже напряжение в связанном контуре линии «А».

Третья типовая причина несимметричности – короткое замыкание фазы на корпус или другую часть конструкции электроустановки, соединенной с заземлением.

Несимметрия в высоковольтных сетях

На выходах генератора, созданного по схемотехнике синхронной машины, стабильность рабочих параметров обеспечивается принципом работы соответствующего оборудования. Однако в некоторых случаях не исключены искажения. Асинхронные ветрогенераторы, например, создают разные уровни напряжений.

В распределительных устройствах подобный дисбаланс – редкое явление. Однако воздушные линии электропередач не создают идеально симметричными. При больших расстояниях увеличивается длина проводников, возрастает разница электрических сопротивлений. Для корректировки по специальной технологии транспозиции устанавливают особые опорные элементы.

Асимметрия на стороне нагрузки

В этой части системы однофазный сварочный аппарат или промышленная плавильная установка способна провоцировать рассматриваемые искажения. В частном домохозяйстве нагрузки не подключают с учетом соблюдения правильной пропорциональности.

Асимметричное распределение потребителей электроэнергии по фазам

Допустимые значения

Действующими правилами ПУЭ и стандартами ГОСТ 32144-2013 установлены предельные отклонения по несимметричному распределению напряжений в сетях 380 V. Контрольные параметры определяются специальными коэффициентами. Предельные значения не должны превышать 2% (4 %) для нулевой (обратной) последовательности, соответственно.

К сведению. Отмеченные определения выражают в векторной форме. В формулах для расчетов реальную систему с имеющимися отклонениями представляют как сумму симметричных компонентов.

Также для контроля применяют максимальное допустимое отклонение измеренных фазных токов. Отдельные нормы утверждены для типовых распределительных устройств:

Способы устранения перекоса фаз

Централизованное решение, позволяющее устранить перекос фаз, отсутствует, так как невозможно обязать всех потребителей подключать одновременно нагрузки, равные по величине и характеру.

Традиционно для обеспечения заданного напряжения на каждой из фаз традиционно используются стабилизаторы напряжения. В бытовых условиях применяют однофазные стабилизаторы напряжения, которые обеспечивают защиты отдельных электроприемников или небольшой их группы. В промышленных условиях используются трехфазные стабилизаторы напряжения различной мощности, которые конструктивно состоят из трех однофазных стабилизаторов напряжения. Принцип их действия таков, что они реагируют на отклонения на каждой отдельно взятой фазе и поднимают или опускают напряжение до необходимого уровня на своей фазе, провоцируя изменения напряжений на двух других фазах и являясь, таким образом, вторичной причиной возникновения перекоса фаз. Из изложенного выше ясно, что трехфазные стабилизаторы напряжения фактически не решают поставленную перед ними задачу, так как сами провоцируют несимметрию трехфазной системы. Помимо своего основного недостатка трехфазные стабилизаторы напряжения потребляют значительное количество электроэнергии и требуют значительных сервисных расходов, так как обладают низкой надежностью – и электромеханические, и электронные стабилизаторы напряжения имеют быстроизнашивающиеся и часто отказывающие детали.

Последствия перекоса фаз

Последствия перекоса фаз проявляются в увеличении электропотребление из сети; в неправильной работе электроприемников, их сбоях, отказах, отключениях, перегорании предохранителей, износе изоляции.

Условно негативные последствия перекоса фаз можно разделить на три группы:

1. Последствия для электроприемников (приборов, оборудования), связанные с их повреждениями, отказами, увеличением износа, уменьшением периода эксплуатации.

а) последствия для однофазных электроприемниковНизкое напряжение вызывает неправильную работу однофазных потребителей: тусклый свет осветительных приборов, длительный нагрев нагревательных приборов, длительный запуск двигательных приборов, сбои в работе компьютеров и т.д. Высокое напряжение вызывает отказы электроприемников из-за износа изоляции, отключение их защитными устройствами, перегорание предохранителей.

б) последствия перекоса фаз для трехфазных электроприемниковОсновную часть трехфазных потребителей (потребителей, питающихся от линейного напряжения) составляют электродвигатели, которые приводят в действие погружные и фекальные насосы, приводы автоматических ворот, станочное оборудование и т.д. Система управления и контроля запуска таких трехфазных потребителей, как правило, подключается к фазному напряжению. При перекосах фаз система управления запуском (СУЗ) электродвигателя, которая контролирует длительность и факт запуска, работает неустойчиво, т.е. спонтанно выдает команды на его пуск или останов. Диапазон изменения фазного напряжения жестко регламентируется эксплуатационной документацией (как правило, не допускается перекос более ± 7,5 ÷ 10 % от номинала). Если перекос превысил допустимый предел, то СУЗ дает сбой. При восстановлении уровня фазного напряжения происходит очередной запуск и так далее.Известно, что режим «пуска в ход» асинхронного двигателя характеризуется кратковременной работой обмоток статора в режиме короткого замыкания (КЗ), т.е. в момент включения двигатель потребляет гораздо больше энергии, чем в процессе работы. Естественно, что частые повторные пуски будут вызывать значительный перегрев изоляции и существенно увеличивать электропотребление из сети. Возможные негативные последствия такого режима работы — либо отказ в запуске, либо отказ оборудования вследствие перегорания обмоток двигателя.

2. Последствия для источников электроэнергии: увеличение энергопотребления, увеличение потерь электроэнергии при питании от госсети; при питании от трехфазного автономного источника – механические повреждения (повреждения подшипников валов, подшипниковых щитов генератора и приводного двигателя, закоксовывание форсунок), уменьшение периода эксплуатации источника, увеличение его износа, повышенный расход топлива, масла, охлаждающей жидкости.

3. Последствия для потребителей, связанные с безопасностью, так как ухудшение качества изоляции может привести к:— электротравматизму;— возгоранию электропроводки или электроприемников;а также последствия, связанные с увеличением расходов на:— электроэнергию;— расходные материалы для генератора;— ремонт электроприемников, поврежденных вследствие перекоса фаз;— приобретение новых электроприемников, отказавших вследствие перекоса фаз.

Основные характеристики ДГР

Дугогасящий реактор (ДГР) – это электрический аппарат, предназначенный для компенсации емкостных токов в электрических сетях с изолированной нейтралью, возникающих при однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ). Главным нормативным документом регламентирующим работу, установку и надстройку ДГР является Р 34.20.179.

Дугогасящие реакторы должны подключаться к нейтралям трансформаторов, генераторов или синхронных компенсаторов через разъединители. В цепи заземления реакторов должен быть установлен трансформатор тока. Рекомендуемые схемы подключения ДГР представлены на рис. 4.

Рисунок 4 – Схема подключения ДГР: а) подключение ДГР к трансформаторам СН; б) подключение ДГР к нейтрале силового трансформатора

Индуктивность ДГР подбирается из условия равенства емкостной проводимости сети и индуктивной проводимости реактора. Таким образом, происходит компенсация ёмкостного тока. Ёмкостный ток суммируется в месте замыкания равным ему и противоположным по фазе индуктивным, в результате остается только активная часть, обычно очень малая, это утечки через изоляцию кабельных линий и активные потери в ДГР (как правило, не превышают 5 А), которой недостаточно для возникновения электрической дуги и шагового напряжения. Токоведущие цепи остаются неповреждёнными, потребители продолжают снабжаться электроэнергией.

Современные ДГР имеют различные конструктивные особенности и производятся для огромного диапазона мощностей. В таблице 2 приведен ряд параметров дугогасящих реакторов разных производителей.

Источник