Перекос фаз в трехфазной сети: причины и последствия
У конечных потребителей сетей централизованного электроснабжения, которое является трёхфазным, применяется напряжение 220 В. Это фазное напряжение. Три фазы распределяются между несколькими потребителями.
Они подключаются к сети не одновременно и с неодинаковыми нагрузками.
Поэтому необходимо использование нейтрали чтобы обеспечивать подачу фазного напряжения каждому потребителю при несимметричной нагрузке в этой трёхфазной сети.
Суть проблемы
Но поскольку существует ограничение по мощности конечных трансформаторных подстанций, при упомянутых выше нагрузках величины фазных напряжений изменяются соответственно нагрузкам.
У более нагруженной фазы напряжение уменьшается например до 195 – 205 В, а менее нагруженной увеличивается до 245 В и более.
Последствием таких нагрузок является ток в нейтрали, который по своей величине может быть близким к току нагруженной фазы.
Как следствие этого – увеличение потерь. Они есть в кабельных и воздушных линиях электропередачи, трансформаторных подстанциях, и даже в высоковольтных ЛЭП питающих эти подстанции.
Особенно характерно такое «смещение нейтрали» – термин, характеризующий фазные напряжения при несимметричных нагрузках в трёхфазной сети, для жилого сектора потребителей электроэнергии.
При этом повышение напряжения является небезопасным для некоторых бытовых электроприборов.
Совет
Используемые в инфраструктуре жилого фонда трёхфазные асинхронные двигатели уже при двухпроцентной асимметрии испытывают дополнительный нагрев обмоток, что заметно сокращает срок службы изоляции.
Причём дальнейшее увеличение асимметрии в разы, то есть всего лишь до 4 – 6% вызывает рост общих потерь почти в два раза. То же относится и к лампам накаливания и люминесцентным лампам.
При повышении напряжения всего лишь на пять процентов спирали в них почти в два раза быстрее перегорают.
Что делать при перекосе фаз?
Чтобы уменьшить смещение нейтрали перед подстанциями рекомендуется устанавливать специальные симметрирующие автотрансформаторы. Схемы включения таких трансформаторов приведены ниже на изображениях.
Приведенные выше схемы применимы также с глухо заземлённой нейтралью нагрузки при отсутствии технической возможности встраивания компенсационной автотрансформаторной обмотки в нулевой провод, соединяя через эту обмотку нагрузку с сетью.
Поскольку увеличение нагрузки например в фазе А вызовет увеличение тока в этой фазе, напряжение на соответствующей последовательно включённой обмотке автотрансформатора тоже увеличится и произойдёт компенсация падения напряжения пропорциональная силе тока нагрузки. Установка автотрансформаторов вблизи распределительной подстанции обеспечивает наилучший эффект. Когда с этой подстанции электроэнергия по разделённым фазам подаётся потребителям, становится возможным симметрирование напряжения.
Работа этих устройств вносит искажения в синусоидальную форму напряжения питающей электросети.
Следствием подобных искажений являются тепловые потери во всех работающих электрических машинах, подключенных к этой электросети.
Компенсация смещения нейтрали с использованием специального автотрансформатора весьма недешёвый способ борьбы с потерями электроэнергии при смещении нейтрали при несимметричной фазной нагрузке. Однако положительный эффект от этого способа получается непрерывно и быстро окупает все расходы.
Критерии выбора стабилизатора на 3 фазы
Для защиты от аномалий входных параметров тока электрооборудования бытового и промышленного назначения стабилизатор напряжения рекомендуется выбирать в соответствии со следующими критериями:
Количество фаз питания. Трёхфазные стабилизаторы напряжения для дома, офиса или производственных предприятий выбираются в том случае, если от электросети объекта питается хотя бы один потребитель с 3-фазной схемой питания. В ситуациях, когда суммарная потребляемая мощность подключаемой однофазной техники превышает 7 кВт, сеть целесообразно переоборудовать на 3-фазы с подключением к каждой из них отдельного однофазного стабилизатора с соответствующим фазовой нагрузке значением мощности.
Мощность.
Точность и инерционность стабилизации. Приводятся в инструкции по эксплуатации или паспорте электроприбора. К примеру, бытовое оборудование и оргтехника нуждаются в стабилизации сетевого напряжения с погрешностью до 5%, тогда как лабораторная, вычислительная, телевизионная и т.д. техника не терпит погрешностей стабилизации выше 1%. Инерционность стабилизатора – время реакции на изменения входных параметров сетевого тока – выбирается в соответствии с характеристиками потребителей.
Диапазон напряжения на входе. Заявленная производителем точность стабилизации касается рабочего диапазона входного напряжения. При выходе последнего за установленные (предельные) рамки стабилизатор отключает потребителей от питания, либо отключается сам.
Перегрузочная способность. Характеризуется временем, на протяжении которого стабилизатор способен выдавать мощность, превышающую номинальную на 5% и выше. По истечению заданного периода перегрузки или при коротком замыкании система защиты отключает устройство с целью предотвращения его выхода из строя. Трёхфазный промышленный стабилизатор напряжения должен иметь высокую устойчивость к перегрузкам, поскольку к электросетям производственного назначения часто подключаются потребители со значительными скачками параметров тока при запуске (электродвигатели, насосы и т.п.).
Наличие интеллектуальных опций контроля и управления, в том числе удалённого, работой системы. Нормализаторы напряжения могут оснащаться дополнительными опциями, повышающими удобство контроля и управления параметрами сетевого тока, к примеру, фильтрами импульсных помех, ручной регулировкой выходного напряжения, байпасом, дистанционным управлением и т.д.
Схема и особенности подключения
В зависимости от особенностей потребителей электроэнергии, нуждающихся в защите от аномалий входного тока, трёхфазный стабилизатор напряжения может подключаться по одной из следующих схем:
- Сразу после электросчётчика или распределительного щитка;
- Непосредственно перед потребителем, нуждающимся в стабилизации напряжения.
Стабилизатор с 3-фазным питанием имеет 4 входных и 4 выходных клеммы. Одна из них предназначена для подключения нуля или нейтрали, остальные – для подключения фазных линий. Эта схема соблюдается независимо от того, где подключен нормализатор – после счётчика или сразу перед защищаемым оборудованием.
Чтобы выбрать трёхфазный стабилизатор напряжения, следует внимательно изучить свойства сети электропитания, а также характеристик подключаемого к ней оборудования. Грамотный подбор устройства стабилизации позволяет обеспечить стабильную и непрерывную работу потребителей и способствует увеличению срока их службы.
Допустимый перекос фаз, причины возникновения и способы устранения
Это явление, возникающее в трехфазных четырех- и пятипроводных электрических сетях с глухозаземленной нейтралью. Данное состояние сети отличается несимметрией токов и напряжений с разными амплитудами напряжений углами между ними.
Для лучшего понимания и большей наглядности процесса предлагаем сравнить векторные диаграммы напряжений трехфазных сетей. Диаграмма 1 отличается идеальной взаимосвязью линейных и фазных напряжений, на диаграмме 2 хорошо видна несимметрия напряжений сети, т. е. имеет место перекос фаз.
Причины возникновения
В большинстве случаев к этому аварийному режиму приводит неравномерное распределения нагрузки – когда одна или две фазы перегружены. В этом случае высокие токи потребления на них приводят к неизбежному увеличению напряжения на других фазах.
Нередко, причиной несимметрии напряжения сети является неполнофазный режим, опасный не только для нагрузок с питающим напряжением 220 В, но и для трехфазного оборудования. Так, отсутствие одной фазы в линии может привести к возрастанию токов в остальных.
Обрыв нулевого провода. Режим работы линии при отсутствии рабочего нуля (N) можно отнести к разряду неполнофазных. Нарушение соотношений токов нагрузки на в таких случаях неизбежно вызывает изменение фазных напряжений (Uф). Отклонения напряжений зависит от соотношения мощностей нагрузки по фазам. В некоторых случаях Uф может достигать линейных значений (380 В).
Замыкание одной из фаз с рабочей нейтралью (“нулем”) и несработка по каким-либо причинам автомата защиты (неисправность, большая длина участка линии между местом КЗ и автоматом и пр.). В этом случае также происходит увеличение Uф на других проводниках.
Способы устранения
Несомненно, лучшим способом предотвращения несимметрии напряжения является планирование равномерного распределения предполагаемой нагрузки по фазам сети еще на стадии проектирования электроустановки.
Для устранения возникшей несимметрии напряжения в ходе эксплуатации электрической сети производят замеры токов по фазам и перераспределением нагрузок (переключение с более загруженных на менее нагруженные фазы) добиваются равных токов потребления.
В быту для обеспечения допустимого напряжения питания отдельных приборов или их группы нередко используют однофазные стабилизаторы напряжения, в трехфазных сетях – соответственно, трехфазные устройства.
Совет
Однако, следует учитывать, что выравнивание значения Uф до допустимого с использованием трехфазного стабилизатора неизбежно сопровождается отклонением от нормы на других фазах.
Таким образом, можно говорить об эффективности его использования для предотвращения отклонения напряжения на одной (контролируемой) фазе, но его отклонение от нормы на других может стать вторичной причиной возникновения несимметрии напряжении.
Допустимый перекос фаз
Главным действующим документом, определяющим качество электроэнергии и регламентирующим нормы несимметрии напряжений является ГОСТ 13109-97 (п.п 5.5). Допустимое отклонение соотношений нагрузок, согласно требований СП 31-110 (9.5) – 15% в панелях ВРУ и 30% в распредщитах.
Устройство и принцип работы
Практикуется два варианта исполнения трехфазных стабилизаторов:
- Единая конструкция, включающая в себя три контура стабилизации, независимых друг от друга.
- Три однофазных стабилизатора (одного типа), подключенных «звездой» и размещенных в одной стойке.
Исполнение 3-х фазных стабилизаторов: единая (1) и модульная (2) конструкции
Единые конструкции, как правило, применяются для стабилизации питания маломощных потребителей. В этом случае моноблочная конструкция обойдется дешевле модульных стабилизаторов, не если выйдет из строя один из контуров нормализации напряжения, в ремонт придется сдавать всю установку.
Основное преимущество модульной конструкции заключается в том, что при неисправности одного из блоков стабилизации функция «байпас» включает подачу питание напрямую, минуя проблемный модуль. Это позволяет не прерывать подачу электроэнергии, пока производится ремонт и не требует доставки в мастерскую всей конструкции.
Что касается принципа работы трехфазных стабилизаторов, то он такой же, как у однофазных приборов, которые мы уже рассматривали, в одной из предыдущих публикаций.
Зачем нужно зануление
Человечество активно использует электричество, фаза и ноль – важнейшие понятия, которые нужно знать и различать. Как мы уже выяснили, по фазе электричество подается к потребителю, ноль отводит ток в обратном направлении. Следует различать нулевой рабочий (N) и нулевой защитный (PE) проводники. Первый необходим для выравнивания фазового напряжения, второй используется для защитного зануления.
В зависимости от типа линии электропередач может использоваться изолированный, глухозаземленный и эффективно-заземленный ноль. Большинство ЛЭП, питающих жилой сектор, имеет глухозаземленную нейтраль. При симметричной нагрузке на фазных проводниках рабочий ноль не имеет напряжения. Если нагрузка неравномерна, ток небаланса протекает по нулю, и схема электропитания получает возможность саморегулирования фаз.
Электросети с изолированной нейтралью не имеют нулевого рабочего проводника. В них используется нулевой заземляющий провод. В электросистемах TN рабочий и защитный нулевой проводники объединены на всем протяжении цепи и имеют маркировку PEN. Объединение рабочего и защитного нуля возможны только до распределительного устройства. От него к конечному потребителю пускается уже два нуля – PE и N. Объединение нулевых проводников запрещается по технике безопасности, так как в случае короткого замыкания фаза замкнется на нейтраль, и все электроприборы окажутся под фазным напряжением.
Подключение однофазных потребителей
Наиболее рациональным подходом к электроснабжению частного дома будет выделение из общего числа потребителей обособленную группу, для которой требуются стабильные параметры напряжения. Как правило, повышенная стабильность требуется для телевизора, холодильника, офисной техники и средств связи. Другие бытовые приборы, особенно с нагревательными ТЭНами, вовсе необязательно подключать к стабилизатору. Электрочайники и электрические котлы все равно будут работать, поскольку перепады напряжения для них не играют решающей роли в выполнении основных функций.
В домашнем щитке после электросчетчика устанавливается защитное оборудование – дифференциальный автомат или УЗО с автоматическим выключателем. От них отдельными кабелями подводится фаза и ноль к входным клеммам стабилизатора. Корпус устройства также отдельным проводом подключается к шине РЕ, установленной в щитке. От выходных клемм стабилизатора к потребителю поступает фаза и рабочий ноль. Защитный ноль соединяется с шиной РЕ.
Следующий вариант предполагает подключение к стабилизатору сразу нескольких групп потребителей. В упрощенной схеме не используется защитное заземление, а стабилизатор подключается через одну клемму рабочего нуля. Работу схемы лучше всего рассматривать на примере трех групп потребителей.
Внутри распределительного щита, после всех защитных устройств, необходимо создать шину рабочего нуля, которая подключается ко всем потребителям, в том числе и к стабилизатору напряжения. Фазный провод ввода от защиты подключается к входной клемме устройства, а отходящий провод – к выходу. Второй конец фазного провода заводится в распределительный щиток, чтобы выполнить параллельное соединение нагрузок. Подключение всех групп потребителей осуществляется через автоматические выключатели.
При наличии в стабилизаторе двух клемм под рабочий ноль, в схеме возникнут следующие изменения:
- Шина рабочего нуля остается соединенной с потребителями, но она уже не будет связана с защитными устройствами.
- Нулевой провод от защитных устройств будет соединяться с входной клеммой рабочего нуля стабилизатора.
Шаг 3 – Производим подсоединение к электросети
На самом деле самостоятельно подключить стабилизатор напряжения к сети в доме довольно просто. Сзади устройства находится клеммная колодка на 5 разъемов. Обычно очередность подключения проводов следующая (слева направо): вводные фаза и ноль, заземление, фаза и ноль, идущие на нагрузку. На фото ниже Вы можете увидеть расположение разъемов:
Все, что Вам нужно, правильно выбрать сечение кабеля по мощности и току, после чего произвести монтаж своими руками, согласно схеме (для однофазного устройства):
Требования и рекомендации к подключению стабилизатора напряжения своими руками:
- Обязательно перед электромонтажными работами отключите электроэнергию на вводном щитке.
- Дополнительно защитите изделие автоматическим выключателем и УЗО, что продлит его срок службы. Установить автоматику рекомендуется после счетчика, но перед защитой от перенапряжения.
- Бытовая электросеть обязательно должна иметь заземляющий контур. Производить подключение без заземления запрещается из соображений электробезопасности.
- Установка стабилизатора напряжения в доме перед счетчиком запрещается, и добиться размещения защиты до прибора учета электричества очень сложно. Лучше производить монтаж так, как показано на схеме выше.
- Нельзя производить подключение аппарата сразу же после того, как Вы занесете его с мороза в дом. Пусть электроника «отойдет» и весь конденсат внутри испариться, иначе, как мы уже говорили Выше, срок службы устройства резко сократится. Сюда же можно отнести запрет на подключение изделия на улице.
- Защита, мощностью менее 5 кВт подключается напрямую к розетке. Такой вариант идеально подходит для гаража, загородного дома и дачи. Некоторые производят установку мобильного стабилизатора напряжения отдельно на компьютер, телевизор, котел, кондиционер, генератор либо стиральную машину, что позволяет защитить только определенный вид бытовой техники.
- Если Вам нужно подключить устройство защиты от перенапряжения в трехфазной сети, лучше купите три однофазных аппарата на 220в и подключите их по схеме звезда, чем один на 380 Вольт. Так Вы сэкономите деньги не только на покупке стабилизатора, но и на его ремонте (отремонтировать однофазное устройство на порядок дешевле, нежели трехфазное).
- После электромонтажных работ проверьте правильность подключения и установки, включив вводные автоматы на распределительном щите. Если ничего не гудит, не трещит и не искрит, значит, Вы все сделали правильно.
- Запрещается подключать устройство к нагрузке большей мощности. Запас мощности защиты должен составлять от 20 до 30%.
- Правильная схема монтажа обычно обозначена на корпусе продукции. В первую очередь ориентируйтесь на нее, но если подсказка от производителя отсутствует, рекомендуем производить подсоединение согласно данной инструкции. Все популярные модели (от фирм Ресанта, Лидер) следует подключить именно по этой технологии.
Вот и вся технология установки и подключения стабилизатора напряжения своими руками. Как Вы видите, ничего сложного нет, главное учитывать все требования и рекомендации. Напоследок хотелось бы отметить, что ежегодно Вы должны проверять надежность соединения проводов в клеммной колодке и при необходимости подтягивать винтики.
Где лучше всего установить стабилизатор
Место установки выбирается в зависимости от габаритов самого прибора. А размеры зависят от мощности агрегата. К примеру, маломощный стабилизатор можно установить прямо около подключаемой к нему аппаратуре, где-то на столе или на полу. Мощный прибор лучше установить в специально организованном месте, к примеру, в нише или в распределительном щитке.
Требования к установке:
- Вентиляционные отверстия в приборе всегда должны оставаться свободными, не закрытыми. В процессе работы стабилизатор нагревается, поэтому ему всегда нужен охлажденный воздух.
- Нельзя устанавливать стабилизаторы напряжения в подвалах, гаражах, на чердаках и схожих с этими помещениями комнатах. Все дело в том, что любые электронные приборы быстро выходят из строя, если в помещениях, где они установлены, высокая влажность, скопление пыли, повышенная температура и другие негативные факторы.
- Оптимальное место установки – в самом распределительном щите или рядом. Чем меньше длина питающего кабеля, тем лучше.
