Перекос в электрической сети частного дома

Перекос по фазам в трехфазной сети

В трехфазной сети силового кабеля периодически возникает такое явление, как перекос по фазам. Это может привести к значительному падению мощности в электрооборудовании (электродвигателе, трансформаторе) и выходу их из строя. В этой статье мы расскажем, что такое перекос фаз в трехфазной сети, почему происходит это явление и какие имеет последствия.

Вообще перекос по фазам – явление достаточно распространенное. И если оно остается в рамках допустимых значений, указанных в ГОСТ и ПУЭ, то большой беды в этом нет. Так, максимальная разница между токами проводника с наименьшей нагрузкой и токами проводника с наибольшей составляет 30% – это значение в пределах нормы. Для панелей ВРУ оно составляет 15%.

Все в том же ГОСТ указано, что максимальная разница по фазам в обратной последовательности должна составлять 2%.

Почему возникает перекос по фазам

Обратите внимание

Этому есть несколько причин. Основная – неравномерное и несбалансированное распределение фазовой нагрузки, когда одна фаза получает избыточное питание, а две другие, соответственно, недостаточное.

В однофазной сети нагрузка также может меняться, например, при одновременном включении нескольких мощных электроприборов. Тогда мощность сети сразу падает, оборудование перестает работать или же выходит из строя.

Особенно сильно страдают электродвигатели. Диагностировать проблему и узнать, где именно происходит перекос по фазам можно с помощью токоизмерительных клещей.

Трехфазная электрическая сеть имеет заземленную нейтральную жилу, которая выравнивает перекос, если таковой случился. Но если она обрывается, роль нейтральной жилы берет на себя одна из фазовых. И в этом случае на ней будет 380 В, а на других жилах – 127 и меньше.

Негативные последствия перекоса

Негативные последствия перекоса по фазам можно разделить на три типа:

1. Повреждение электроприборов, вывод их из строя.

2. Повреждение генераторов и трансформаторов электросети.

3. Увеличение расходов на эксплуатацию электросети, снижение ее безопасности и надежности.

Из-за того что электроэнергия распределяется по проводникам неравномерно, в электросети значительно увеличивается потребление электричества. Трехфазная сеть, у которой образовалась несимметрия, может снизить срок эксплуатации электроприборов и бытовой техники.

Неравномерное распределение электричества заметно повышает его расход в сети. А вот срок эксплуатации бытовой и цифровой техники наоборот, может снизиться.

Если мы говорим об автономном электрогенераторе, то у него повысится расход топлива, и так же ухудшится надежность.

Как бы то ни было, все эти процессы негативного свойства, и чтобы их избежать, необходимо заранее предпринять меры по защите.

Первой и одной из наиболее распространенных защитных мер является установка в сеть стабилизатора напряжения. Для установки в трехфазную сеть используются стабилизаторы, состоящие из трех однофазных. Однако нейтрализовать перекос всегда и везде они не могут, поэтому применяются дополнительные меры:

• правильное проектирование с учетом всех современных правил и требований;
• применение приборов, которые способны автоматически выравнивать нагрузку;
• изменение текущей схемы работы электросети, в том числе и изменение мощности потребителей, если это возможно;
• установка реле контроля фаз и напряжения – устройства, которое автоматически отключит этот элемент электросети при перекосе по фазам.

Обрыв нейтрального проводника

Обрыв нулевого провода в 3-х фазной электрической сети самая неприятная авария, которая вызывает немедленно перекос фаз. Она является непосредственной причиной выхода из строя однофазного электрооборудования.

В этом случае величина напряжения становится 380 В, вместо положенных 220 В, что будет катастрофой для электроприбора, рассчитанного на данное напряжение.

На электрических подстанциях в силовых согласующих трансформаторах 3 имеющихся обмотки, соединены по схеме «звезда». Из общей точки их подключения исходит нулевой проводник. В случае его обрыва в электросети создается несимметрия напряжений, то есть перекос фаз, который находится в прямой зависимости от подключенной нагрузки. Ниже рисунок демонстрирует такую ситуацию.

Рисунок показывает: если все нагрузки RH одинаковы, то наиболее загруженной окажется фаза C, а разгруженная – фаза А. Обрыв нейтрального проводника вызывает неуправляемый процесс.

Последствия обрыва нулевого проводника

В конечном результате неуправляемого процесса последует перераспределение в фазных шинах разности потенциалов. Проводник фазы, которая подвержена наибольшей загрузке, будет выполнять роль нейтрального провода и напряжение в нем увеличится до 380 вольт. В фазной шине, загруженной по минимуму, напряжение «проседает» до 127 вольт и ниже.

Тогда, если в домашней электросети будут включены электроприборы, то индикатор будет показывать наличие в розетках двух фаз, то есть 380 В. Все потребители электроэнергии будут запитаны по принципу «Звезда без нуля».

Отсюда следует, что выйдут из строя первыми потребители энергии с двигателями. К их числу следует отнести: холодильники, вентиляторы, сплит-системы, стиральные машины, кондиционеры.

За ними последуют ИБП и приборы, в конструкцию которых включены нагревательные элементы. Точная радиоэлектронная аппаратура, которая содержит элементы локальной защиты пострадает меньше всего. Современный телевизор, скорее всего, отключится, но сгореть не должен.

В худшем положении окажутся потребители электроэнергии, находящиеся «в конце» данной цепочки. На этом участке сети будет наблюдаться превышение допустимых величин нагрузки и положение усугубляется тем, что далеко не все автоматы сработают в штатном режиме.

Тогда возрастает вероятность возгораний источников потребляемой мощности и электропроводки. В этом состоит исключительный эпизод перекоса фаз. Полная асимметрия напряжений сети приводит к поражению электрическим током, если к тому же отсутствует надежное дополнительное заземление.

Методы защиты

Одна из причин обрыва нейтрали указывает на неверное подсоединение нулевого проводника либо нарушение последовательности подключений проводов электриком. Однако аварийная ситуация также может создастся и без человеческого фактора.

Так, например, не исключено «отгорание» нейтрального проводника на электроподстанции или в силовом распределительном щите, обрыв жилы в электрическом кабеле и др. Когда нулевой проводник не надежно закреплен, то он нагревается, окисляется и в конечном итоге перегорает.

Использование больших номиналов предохранителей также может привести к аналогичному результату. Частенько нулевая жила обрывается от обледенений, проведения некачественных ремонтных работ, от сильного ветра и др.

Единственный выход из такого аварийного положения просматривается в немедленном отключении питающего напряжения. Это действие доступно сделать вручную, но не всегда можно успеть. С подобной задачей на высоком уровне справляются автоматические устройства защиты, которые способны моментально отключить сеть при возникновении в ней перенапряжения.

К таким устройствам относятся стабилизаторы, УЗО, в которых предусмотрена защита от повышенного напряжения, дифференциальные автоматы, реагирующие на обрыв нейтрали, автоматические выключатели.

Возможности автоматических выключателей расширяются, если совместно с ними используются расцепители напряжения, срабатывающие от допустимой максимальной и минимальной величины разности потенциалов. Нередко для предупреждения аварийных ситуаций используются специализированные реле напряжения.

Эффективен также ограничитель перенапряжения УЗИП. Он отключает электросеть при перенапряжении в электрической проводке, которое возникает из-за обрыва либо «отгорании» нейтрального проводника, при попадании разряда молнии и по ряду других причин. Часто используется в частных домовладениях.

Платы дополнения (шилды)

Для расширения вспомогательного функционала используются дополнительные платы – шилды. Ниже приведен список самых интересных:

• LCD Shield определяет метеорологические показатели в помещениях: влажность, скорость ветра, температуру.
• Motor Shield обеспечивает управление скоростью и оборотами моторов. Есть модели с поддержкой нескольких приводов.
• Data Logging Shield предназначена для записи и хранения информации до 32 Gb.
• Relay Shield самая востребованная в системах Smart Homе, рассчитана на обслуживание приборов мощностью 1 КВт.
• Ethernet Shield от Ардуино обеспечивает независимость Умного дома от ПК, настраивает интернет-связь.
• Wi-fi Shield нужен для передачи шифрованных данных между Arduino и устройствами.
• Energy Shield позволяет разнообразить источники питания для подключения проекта.
• GPRS Shield используется для связи Умного дома с телефоном владельца.

Что это такое, и как его исправить?

Что такое перекос фаз: Перекос фаз – это состояние электрической сети, при котором одна или две из трех фаз нагружены сильнее, чем остальные. При этом наблюдается значительное снижение мощности трехфазных электрических приборов, преимущественно двигателей и трансформаторов. Но это, что касается промышленных сетей.

В бытовых условиях перекос наблюдается более выражено, при этом может даже возникать риск выхода из строя электроприборов с преобладающей реактивной нагрузкой. К таким относятся компрессоры холодильников, вентиляторы, приборы с простыми силовыми трансформаторными источниками питания. То все то, что не имеет четкой гальванической развязки с сетью и схему защиты от перенапряжений и просадок.

Большинство сетей являются трехфазными. Если в них нагрузка распределена неравномерно, в следствии чего одна или две фазы перегружены, а третья (или же две) недогружена, происходит перекос. На практике это может выглядеть следующим образом: подавляющее большинство однофазных нагрузок питаются от одной фазы, тогда как остальные могут быть вовсе не задействованы либо использоваться по минимуму.

Наиболее часто встречаются ситуации неисправности, в которых при подключении электропитания к трансформаторам не учитывается их потребляемая мощность. Таким образом, бывает, что физически фазы имеют приблизительно одинаковое количество подключений, но вот потребляемая этими подключениями мощность существенно отличается.

Сосредоточие на одной из фаз приборов с высоким потреблением электричества неизбежно вызывает неравномерную нагрузку между фазами

То же самое можно сказать и об общественных и промышленных объектах – во всех случаях очень важно следить за равномерным распределением нагрузки между имеющимися фазами, это позволит предотвратить возникновение сложностей

Это интересно: Выбило автомат, но всё исправно — в чем может быть причина

Наиболее вероятные причины нагрева

На тематических форумах периодически возникают споры относительно причин, вызывающих нагрев жил с нулевым потенциалом при нормальном состоянии фазных проводов бытовой сети. Несмотря многочисленные дискуссии по данному вопросу, существует всего три фактора, способные вызвать рассматриваемое негативное воздействие:

1. Низкая надежность электрического контакта.
2. Влияние высших гармоник.
3. Повышенная нагрузка на ноль.

Предлагаем детально рассмотреть каждую из перечисленных выше причин.

Низкая надежность электрического контакта

Указанная причина наиболее характерна для старых проводок из алюминиевых проводов. Недостатки этого материала неоднократно описывались в других публикациях на нашем сайте, но не будет лишним еще раз кратко перечислить их:

• Образование оксидной пленки на проводе, что вызывает рост сопротивления контакта.
• Пластичность материала требует регулярного подтягивания соединений.
• Перегрев алюминиевого провода повышает его хрупкость.

Учитывая, что внимание чаще уделяется электрическим контактам фазных проводов, про нулевую шину часто забывают. В результате со временем увеличивается сопротивление контакта, он нагревается и рано или поздно отгорает

Ради справедливости следует заметить, что данная проблема может наблюдаться и у медных проводов. Пример плохого контакта с нулевой шиной в квартирном щитке продемонстрирован на фото.

Перегрев нулевых проводов из-за плохого контакта

Характерно, что приведенная проблема чаще всего проявляется именно в квартирных щитках, а не электроточках. Это объясняется тем, что на контактные соединения проводов с нулевой шиной приходится более значительная нагрузка, чем на отдельную розетку.

Влияние высших гармоник

С появлением в быту и офисах большого количества электрических приборов, оснащенных импульсными БП возникла проблема с перегревом и, как следствие, разрушением (отгоранием) провода рабочего нуля. Это происходит по причине перегрузки последнего токами высших гармоник. То есть, возникает ситуация, при которой на ноль приходится больший ток, чем на фазные проводники. При этом установка защитных устройств часто производится только на последние.

С появлением большого числа электропотребителей, создающих нелинейные нагрузки, происходит повышение тока, идущего через рабочий ноль. Это может привести к отгоранию последнего в старых энергосистемах. Примеры бытовых электроприборов вызывающих нелинейность:

• Микроволновые, индукционные, а также дуговые электропечи.
• Светодиодные и газоразрядные источники света.
• Все устройства с импульсными БП.
• Инверторные электрические машины и т.д.

Чтобы не допустить обрыва нуля вследствие влияния высших гармоник, в некоторые нормативные документы были внесены изменения

В качестве примера можно привести ГОСТ 30804.4.30 2013, в котором предписывается при расчетах принимать во внимание гармоники, чей порядок от 40-го и выше. В ГОСТе 50571.5.52 2011 рекомендуется выбирать сечение кабеля в зависимости от самой нагруженной токоведущей жилы, при этом должна учитываться и токовая нагрузка рабочего нуля

К сожалению, рамки текущей статьи не позволяют более полно раскрыть тему высших гармоник, но мы обязательно к ней вернемся в одной из последующих публикаций на нашем сайте.

Повышенная нагрузка на ноль

Иногда можно услышать, что перегрев провода нуля связан с повышенной нагрузкой из-за подключения соседа к шине РЕ с целью воровства электричества. Такой вариант интересен, но не реализуемый. В одной из наших публикаций, где описывались различные конструкции электросчетчиков, рассматривалась их устойчивость к различным способам воровства электрической энергии. В частности, там разбирался вариант использования земли в качестве рабочего нуля и объяснялось, почему данный способ не работает на современных устройствах энергоучета.

Как уже упоминалось выше, в нулевом рабочем проводе ток может превысить фазный только в случаях проявления высших гармоник. Подключение соседа к нулю (в Вашем щитке) вызовет перегрев данного провода, если в результате таких действий образуется плохой контакт с общей шиной.

Что происходит в электросети при обрыве нуля?

Рассмотрим отдельно, изменение режима работы трехфазной сети при обрыве магистрального нуля и как поведет себя однофазная электрическая проводка, если отгорание нулевого проводника произойдет на вводе.

Отгорание нуля в трехфазной сети

Внесем изменения в рисунок 1, вызванные аварией, а именно отключением нуля .

Оборвался нулевой магистральный проводник

В данном случае обрыв общего нулевого провода приведет к тому, что движение электрического тока по нему прекратиться. В результате все квартиры R₁-R₃ будут запитаны по типу подключения «звезда без нулевой магистрали». Другими словами, при обрыве нуля на каждую квартиру будет поступать не фазное, а линейное напряжение.

Контур из квартир 1 и 2

Для примера предлагаем рассмотреть, как сложится ситуация в квартирах 1 и 2. Нагрузка электрических приборов суммируется в данном контуре при прохождении через него тока I₁₂. Соответственно, уровень напряжения для квартир установится в зависимости от нагрузки подключенных к сети приборов. То есть: U₁ = I₁₂*R₁, а U₂ = I₁₂* R₂. Из этого следует, что суммарная величина силы тока составит I₁₂ = U₁₂ / (R₁+R₂) :

Обратим внимание, что суммарное напряжение контура будет равно линейному в данной электросети, то есть U12 = 380 вольт. Но при этом показатели U1 и U2 могут варьироваться в диапазоне 0-380 вольт и, естественно, существенно отличаться друг от друга

На данные значения может влиять как нагрузка подключенных приборов в каждой из квартир, так и ее активная и пассивная составляющая.

В результате если произойдут проблемы с нейтралью трансформатора (нулем источника), велика вероятность выхода из строя подключенных к сети приборов. Причина – повышение уровня напряжения в сети.

Обрыв нуля в однофазной сети

В данной ситуации последствия будут не такими печальными, как в описанном выше случае, но, тем не менее, если отгорает вводный ноль в системе TN-C, это может представлять серьезную опасность для жизни человека.

Отгорание нуля в схеме однофазного потребителя

Для однофазных нагрузок обрыв нуля будет аналогичен отключению напряжения, за исключением того фактора, что на фазном проводе останется потенциал, представляющий опасность для жизни. Причем, он также проявится там, где был ранее защитный ноль в контактах розеток. Если корпуса электроприборов заземлялись рабочим нулем, то весьма велика вероятность негативных последствий. В системах TN-C-S фактор риска существенно сокращается, за счет использования PEN проводника.

Перекос фаз в трехфазной сети

Наиболее распространенную схему соединений нагрузок в трехфазной сети, называемой «звездой», которую дополняют нейтральным проводом, подключенным к центральной точке и электрически связанным с заземлением. Для простоты понимания трехфазную электрическую сеть можно представить с помощью равностороннего треугольника с нейтральной точкой в его середине. Треугольник визуализирует работу силового трансформатора на подстанции, которая установлена в каждом поселке и предназначена для равномерного распределения электричества по всем потребителям. Обозначив вершины треугольника точками A, B, C а середину N (нейтраль), можно составить формулу напряжений и зависимость между ними:

AB=BC=CA=380 В;

AN=BN=CN=220 В.

При этом напряжения AB, BC, CA в 1,73 раза больше напряжений AN, BN, CN.

Трехфазный генератор, который используется для питания всех бытовых приборов и промышленных сетей, должен обеспечивать эти уровни напряжений в широком диапазоне нагрузок.