Перекос фаз. Причины возникновения и устранение. Защита

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

Экскурс в теорию электротехники

Трёхфазная система переменного тока была внедрена в промышленность более века назад практически в том виде, в котором сохранилась и по сей день. Основным разработчиком трёхфазной сети считается Михаил Осипович Доливо-Добровольский — отечественный научный деятель, взявший за основу своих разработок идеи Николы Теслы.

Перекос фаз: причины и защита

Преимущества трёхфазной сети очевидны: если в процессе вращения магнитного поля на трехполюсной обмотке генератора симметрично и последовательно появляется ток, его форму легко использоваться для обратного преобразования электрической энергии во вращение. В эпоху развивающегося научно-технического прогресса возможность свободно использовать электрические машины была крайне важной, таковой она остается и сейчас.

Перекос фаз: причины и защита
Агрегат гарантированного питания АГМ-7,5

Однако трёхфазная система электроснабжения не лишена недостатков. Напряжения на каждой из фаз связаны между собой коэффициентом симметрии. В трёхфазной сети различают два вида электрических напряжений: линейное, действующее между фазами, и фазное, которое измеряют между фазой и нулевым проводом. Если нагрузка на каждой фазе одинакова (симметрична), линейное напряжение в √3 раз больше фазного. При том, что смена полярности напряжения на каждой фазе чередуется с остальными и частично пересекаются по времени, значительная неравномерность в распределении нагрузок приводит к нестабильной работе всей системы.

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
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
Пример диаграммы напряжений при возникновении перекоса

Для чего нужны знания о перекосе

Когда произошла авария из-за перекоса, уже ничего не поделаешь, придется исправлять ситуацию. Но знать о признаках нестабильности в сети стоит знать каждому обывателю. Есть признаки, понимание которых поможет рассказать об аварийной ситуации. Как только замечены сильные перепады напряжения, конечно в этой ситуации токи будут изменчивы, но нестабильное напряжение – признак, на котором основан перекос. Как только вы заметите признаки перекоса (об обрыве нейтрали мы сейчас не говорим, так как эта авария видна практически сразу), рассмотрим большую нагрузку на одну фазу.
контроль напряжения
Подключение реле контроля напряжения

Как только замечены признаки нестабильности, срочно обесточьте сеть, и выньте все приборы из розеток, иначе исправить ситуацию не получится. На что нужно обратить внимание:

  • Самыми чувствительными источниками света, которые реагируют на перепады в сети, являются энергосберегающие светильники и лампы дневного света, как только вы заметите мерцание этих источников света, сразу нужно принимать меры;
  • Обычные лампочки – мигание изменение света в тусклую или яркую сторону. Как только началось подобное мигание, срочно выключайте рубильник ввода, и выясняйте в чем причина. Так как это говорит о сильном перекосе;
  • Если приборы перестали работать, например, отключается утюг, не включается телевизор или микроволновка, все это говорит о том, что в сети недостаточно напряжения. Обычно автоматы могут не среагировать моментально, но эти признаки должны вас насторожить;
    рубильник скачки напряжения
    Автоматические рубильники защищающие электрическую сеть от скачков напряжения
  • Подошли к выключателю, чтобы включить свет и обнаружили, что он нагрелся – это тревожный признак, при этом мигания лампочки можно и не заметить;
  • Искрение розетки при включении вилки, потрескивание или пощелкивание в розетке стоит не включать в розетку приборы – искрение признак обрыва нуля;
  • Если автоматы защиты выключаются без видимых к тому причин, это, признак аварии, и стоит обратиться в специальные службы для их устранения. Когда отключаются автоматы, ваши приборы останутся целыми пока не включится резервное электроснабжение дома, но не стоит на этом успокаиваться, так как последствия могут быть непоправимые и трудно устранимые;
  • Щелчки в щитке, говорят о том, что авария произошла на линии, и не следует, войдя в дом включать свет – лампочку может просто разорвать и поранить вас.
    подключение трехфазного стабилизатора
    Схема для подключения трехфазного стабилизатора напряженияСрочно вызывайте аварийную службу, не лезьте в щиток самостоятельно – это опасно для жизни. Можно дойти до соседей и узнать, что происходит со светом у них.
Будет интересно➡  Как ввести в эксплуатацию и опломбировать индивидуальный счётчик.

Современный рынок предлагает обывателям специальный счетчик, в котором встроен индикатор, способный в режиме реального времени контролировать и показывать напряжение в сети. Если купить и установить такой измерительный прибор вам не под силу, то стоит купить небольшой индикатор, которым можно при необходимости произвести замеры. Оптимальным решением может стать стабилизатор для частных строений, который устанавливается на входе тока в дом. Он не только покажет напряжение сети, но и сделает ток стабильным.

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
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)
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.

В чём опасность перекоса фаз

Перекос напряжения по фазам, причины которого заключаются в неправильном подключении оборудования, является неблагоприятным явлением. Это вызывает резкое снижение качества электроэнергии и эффективность работы включённых в сеть потребителей. Асимметрия фаз может вызвать следующие негативные последствия:

  • Если наблюдается скачок напряжения, электроприбор может его не выдержать и сгореть. Такого сценария можно избежать, при условии срабатывания автомата в щитке.
  • Когда напряжение в сети падает, мощность работы электрооборудования не позволяет добиться эффективности его работы. При включении приборов в сеть, возрастает пусковой ток, что значительно увеличивает нагрузку.
  • Асимметрия фаз может вызвать повышенный расход электроэнергии.
  • Чтобы понять, чем опасен перекос фаз в трехфазной сети, следует изучить диапазоны напряжений, при котором приборы, включённые в сеть, будут работать бесперебойно. Как правило, при перекосе фаз, снижается их ресурс, заявленный производителем.

Помимо перечисленных последствий, большая разница в напряжениях между фазами и нейтралью может привести к возникновению короткого замыкания. Последствия данного явления непредсказуемы – от штатного срабатывания УЗО до выгорания проводки и электрических частей оборудования, вплоть до возникновения пожара.

Признаки нестабильной работы электрических приборов, вызванные перекосом фаз

Определить признаки перекоса фаз в сети можно невооружённым глазом. Как правило, электрооборудование сразу даёт знать об асимметрии распределения напряжений между фазами:

  • Любая световая индикация приборов начинает мерцать, либо горит слишком тускло.
  • Если эксплуатация оборудования подразумевает работу нагревающейся спирали, тепловая энергия не позволяет набрать заявленную производителем мощность.
  • Слабый набор оборотов крыльчатки электромоторов, что снижает частоту работы движущихся частей оборудования, например, барабана стиральной машины, лопастей вентилятора или воздушного насоса пылесоса.

Что касается работы сложных электронных приборов – телевизоров или компьютерной техники, при перекосе фаз они и вовсе могут не подавать признаков жизни, не реагировать на включение питания.

Нормы на перекос фаз

На практике не существует работающих трехфазных сетей, в которых отсутствует перекос фаз. Это связано с особенностями электрического оборудования, принцип работы которых с точки зрения экономической целесообразности исключает симметричное исполнение (сварочные аппараты, индукционные печи, потребители бытовой сферы). Кроме этого, например, в многоквартирных домах появляется вероятностный фактор, связанный с отсутствием какой — либо системы в подключении электрической бытовой техники. Наличие нескольких импульсных источников питания, например для компьютеров, делает их поведение непредсказуемым в трехфазной сети.

Помимо равномерного распределения нагрузки по фазам проектировщикам следует учитывать вышеперечисленные факторы для поставки пользователям определенного качества электроэнергии. В некоторых случаях трудноразрешимую задачу позволяют решить регламенты на допустимый перекос фаз, обозначенные в следующих нормативных документах: ПУЭ (Правила Устройства Энергоустановок), ГОСТ 31098 – 97 определяющим нормы качества электроэнергии и сводом правил СП31-110.

Параметры, превышение которых недопустимо:

  • максимальное отклонение фазных токов:
    • для измеренных во вводном распределительном устройстве (ВРУ) — 15 %,
    • для измеренных в распределительном щите (РЩ) — 30 %.
  • допустимые значения коэффициентов несимметричности напряжений:
    • по обратной последовательности — 2 %,
    • по нулевой последовательности — 4 %.

Вышеуказанные нормативы должны соблюдаться на всех возможных режимах работы трехфазных электрических сетей. Исключения составляют режимы, вызванные Форс — Мажорными обстоятельствами.

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.

Будет интересно➡  Описание принципиальной электрической схемы с примером

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

Устранение перекоса фаз

Если результаты замеров выявят наличие несимметричности напряжений фаз, следует принять меры чтобы устранить перекос. Защита от перекоса фаз в трехфазной сети выполняется следующими способами.

  • На этапе проектирования следует равномерно распределить нагрузку по фазам. Приборы, имеющие однофазное питание не должны сосредотачиваться на одном проводнике, оставляя незагруженными другие. Кроме количественного распределения по фазам следует учитывать мощностные характеристики электрических устройств.
  • В ранее введенных в эксплуатацию трехфазных сетях, где каждая фаза не рассчитывалась на перегрузку при возможности следует поменять схему потребления энергии. В условиях кризисной ситуации необходимо поменять мощность потребителя.
  • Недостаточно эффективный способ обеспечить необходимое напряжение на каждой фазе трехфазной цепи это применение стабилизаторов напряжения.
    Трехфазные стабилизаторы напряжения конструктивно включают в себя однофазные, которые реагируют на изменение параметров конкретно на своей фазе. Поднятие, опускание напряжения вызывает ответную реакцию на других. Это может в некоторых случаях вызвать вторичный перекос с уже другими параметрами. Невозможность 100 % гарантии защиты от последствий перекоса фаз основной недостаток стабилизаторов напряжения.
  • Использование в трехфазной системе питания симметрирующего трансформатора позволяет выравнивать напряжение не только на отдельной конкретной фазе, а обеспечивать симметричность напряжений на всех трех согласно требуемых норм.
    Кроме этого прибор сглаживает напряжение переходного процесса при подключении в сеть мощных асинхронных двигателей, дросселей, трансформаторов и другого подобного оборудования.Устройство способно устранить фазный перекос в большом диапазоне значений напряжения.
  • Стабилизатор напряжения, симметрирующий трансформатор это дорогие устройства, не всегда есть возможность их применить. Существует достаточно простой и эффективный способ не допустить критического перекоса фаз — применение специального реле.

Если параметры трехфазной сети выходят за пределы установленного диапазона реле отключит источник питания. Когда параметры восстановятся до приемлемых значений, реле самостоятельно возобновит подачу питания.

Ответственное отношение к равномерному распределению нагрузки по фазам не гарантирует избежать перекос. От обрыва нулевого провода никто не застрахован, соединительный контакт может от перегрева «отгореть» в любой момент. Поэтому к рекомендациям по оборудованию трехфазной сети приборами защиты от перекоса следует прислушаться. Единовременные затраты сохранят работоспособность более дорогому электрическому оборудованию, работающему от трехфазной сети.

Защита от перенапряжений

Ну а как же быть потребителям с однофазным подключением? К сожалению, каким-то образом повлиять на вероятность возникновения перекоса и вызванного им повышения напряжения не представляется возможным. Такие явления периодически случаются, всему виной недостаточная оснащённость магистральных сетей, отсутствие работ по прогнозированию нагрузок и плачевное техническое состояние систем электрификации.

Перекос фаз: причины и защита

Однако защитить собственное электрохозяйство все же можно. Простейший способ — установка реле напряжения, которое отключит снабжение объекта при появлении в сети предельных рабочих параметров. Если даже временное отсутствие электроснабжения на объекте недопустимо, существует два способа защиты от перекоса фаз: установка однофазного стабилизатора или оснащение вводно-распределительной группы АВР с автономным источником питания.

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.

Важно! Несмотря на распределение, баланс нагрузок в центральном трансформаторе варьируется из-за изменения статистических циклов работы оборудования.

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

Реле контроля напряжения

  1. Переустройство схемы фазных соединений при значительных изменениях характера нагрузки;
  2. 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

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.

Будет интересно➡  Принцип работы гальванического элемента

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.

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:

Экономичность:

  • 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

  • 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.

Безопасность

  • 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.

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.

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).

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.

Предыдущая
РазноеЭлектропроводка в частном доме своими руками
Следующая
РазноеРасчет падения напряжения в кабеле. Калькулятор расчета потери напряжения в кабеле
Ссылка на основную публикацию
Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять