Несимметрия нагрузки по фазам

Несимметрия напряжений – несимметрия трёхфазной системы напряжений.

Несимметрия напряжений происходит только в трёхфазной сети под воздействием неравномерного распределения нагрузок по её фазам. В качестве вероятного виновника несимметрии напряжений ГОСТ 54149-2010 указывает потребителя с несимметричной нагрузкой.

Источниками несимметрии напряжений являются:

— дуговые сталеплавильные печи,

-тяговые подстанции переменного тока,

-однофазные электротермические установки,

-несимметрия сопротивления сети,

-другие одно­фазные, двухфазные и несимметричные трёхфазные потребители электроэнергии, в том числе бытовые.

Поскольку основной причиной несимметрии напряжения является различие нагрузки по фазам (несимметричная нагрузка), то это явление наиболее характерно для низковольтных электрических сетей 0,4 кВ. Однако несимметричные нагрузки достаточно распространены и в высоковольтных электрических сетях (в первую очередь тяговые нагрузки). В большей степени это относится к контактным сетям переменного тока на железнодорожном транспорте. Данные многочисленных экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что в таких сетях величина несимметрии напряженийможет достигать 10% и более.

Так, суммарная нагрузка отдельных предприятий содержит 85 – 90 % несимметричной нагрузки. А коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности (K_0U) одного 9-ти этажного жилого дома может составлять 20 %, что на шинах трансформаторной подстанции (точке общего присоединения) может превысить нормально допустимые 2 %.

Для характеристики несимметрии напряжений служат коэффициенты несимметрии по обратной и нулевой последовательностям.

Коэффициент несимметрии по обратной последовательности дается для междуфазных напряжений, геометрическая сумма которых всегда равна нулю. Он равен отношению, %,

где U₂, U₁— составляющие обратной и прямой последовательностей при разложении по методу симметричных составляющих системы междуфазных напряжений.

Коэффициент несимметрии по нулевой последовательности определяется в виде

Он равен процентному отношению составляющих нулевой и прямой последовательностей при разложении по методу симметричных составляющих системы фазных напряжений. Причем известно, что соотношение U₁и U_1Фдля связанных систем фазных и междуфазных напряжений имеет простой вид:

Нормально допускаемые и предельно допускаемые значения коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности в точках общего присоединения к электрическим сетям равны соответственно 2 и 4 %.

Нормально допускаемые и предельно допускаемые значения коэффициента несимметрии по нулевой последовательности в точках общего присоединения к четырехпроводным электрическим сетям с номинальным напряжением 380 В равны соответственно 2 и 4 %.

Влияние несимметрии напряжений на работу электрооборудования:

—Возрастают потери электроэнергии в сетях от дополнительных потерь в нулевом проводе.

— Однофазные, двухфазные потребители и разные фазы трёхфазных потребителей электроэнергии работают на различных неноминальных напряжениях, что вызывает те же последствия, как при отклонении напряжения.

— В электродвигателях, кроме отрицательного влияния несимметричных напряжений, возникают магнитные поля, вращающиеся встречно вращению ротора.

Общее влияние несимметрии напряжений на электрические машины, включая трансформаторы, выливается в значительное снижение срока их службы. Например, при длительной работе с коэффициентом несимметрии по обратной последовательности K_2U = 2 – 4 %, срок службы электрической машины снижается на 10 –15 %, а, если она работает при номинальной нагрузке, срок службы снижается вдвое.

Поэтому ГОСТ 54149-2010 устанавливает значения коэффициентов несимметрии напряжения по обратной (K_2U) и нулевой (K_0U) последовательностям, – нормально допустимое 2 % и предельно допустимое 4 %.

Для указанных показателей КЭ установлены следующие нормы:

— значения коэффициентов несимметрии напряжений по обратной последовательности (K_2U)и несимметрии напряжений по нулевой последовательности (K_0U) в точке передачи электрической энергии, усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать 2 % в течение 95 % времени интервала в одну неделю;

— значения коэффициентов несимметрии напряжений по обратной последовательности (K_2U)и несимметрии напряжений по нулевой последовательности (K_0U) в точке передачи электрической энергии, усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать 4 % в течение 100 % времени интервала в одну неделю.

Напряжения обратной последовательности создают вращающий момент двойной частоты, направленный в противоположном направлении моменту вращения ротора электрической машины, т.е. создают тормозной электрический момент.

При несимметрии напряжений в синхронных машинах, наряду с возникновением дополнительных потерь и нагревом статора и ротора, могут начаться опасные вибрации, вызванные вращающими моментами, пульсирующими с двойной частотой. Эти моменты появляются как следствие взаимодействия магнитных потоков, созданных токами обратной последовательности в цепях ротора и статора, а также потоков, обусловленных токами прямой последовательности. При значительной несимметрии напряжений вибрация может оказаться опасной и вызывать разрушения сварных соединений.

При появлении в трехфазной сети напряжения нулевой последовательности ухудшаются режимы напряжений для однофазных электроприемников. Токи нулевой последовательности постоянно протекают через заземлители и значительно высушивают грунт, увеличивая сопротивления заземляющих устройств. Это недопустимо с точки зрения работы релейной защиты из-за усиления их воздействия на низкочастотные установки связи, устройства железнодорожных блокировок.

Несимметричные режимы влияют на производительность руднотермических печей. Увеличение напряжения обратной последовательности на 20% приводит к снижению производительности руднотермических печей на 30—40%, а увеличение К2U до 40% приводит к значительному увеличению расхода энергии. К снижению несимметрии напряжений приводит как уменьшение сопротивления сети токам обратной и нулевой последовательностей, так и снижение значений самих токов. Учитывая, что сопротивления внешней сети (трансформаторов, кабелей, линий) одинаковы для прямой и обратной последовательностей, снизить эти сопротивления возможно лишь путем подключения несимметричной нагрузки к отдельному трансформатору.

В качестве вероятного виновника несимметрии напряжений ГОСТ 54149-2010 указывает потребителя с несимметричной нагрузкой.

Мероприятия по снижению несимметрии напряжений:

—Равномерное распределение нагрузки по фазам.

— Применение симметрирующих устройств. В качестве таких устройств применяют несимметричное включение конденсаторных батарей (рис 9.1 а) или специальные схемы симметрирования однофазных нагрузок (рис 9.1 б).

— Сопротивления в фазах симметрирующего устройства подбираются таким образом, чтобы компенсировать ток обратной последовательности, генерируемый нагрузкой как источником искажения (рис. 9.2).

Рис.9.1 Симметрирующие устройства с КБ(а) и специальная схема (б).

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Настоятельно рекомендуем избегать перекоса фаз на строящихся объектах, и особенно на объектах, которые реконструируются. Очень просто этого избежать ещё на стадии проектирования, когда проектировщик исходя из данных мощностей электрооборудования, распределяет нагрузки равномерно. Бывают случаи, когда расчёты оказываются неверными по тем или иным причинам и происходит перекос фаз. Нужно очень внимательно следить за соблюдением нормативных документов для исключения аварийных ситуаций.

Баланс нагрузок между фазными проводниками питающей сети зданий общественного назначения должно быть распределено таким образом, чтобы соотношение между токами наиболее загруженных и наименее загруженных фазных проводников не выходило за пределы 30% в распределительных щитах или щитках и 15% в панелях ВРУ. Прочитать данный норматив вы можете в СП 31-110, редакции 2003 года, пункт 9.5.

Так-же рекомендуем Вам ознакомиться с ГОСТ 13109-97 — О КАЧЕСТВЕ ЭЛЕКТРО ЭНЕРГИИ, п.п 5.5. В этом пункте говорится о несимметрии напряжений (в простонародии "перекос фаз") характеризующиеся следующими показателями: 1. коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности; 2. коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности. Допустимые значения коэффициента несимметрии напряжений равны 2,0 и 4,0 % соответственно.

Это касается всех, кто не доволен низким напряжение в сети, в следствии чего, горение светильников происходит в пол накала, скачками напряжения выражающимися кратковременными вспышками тех-же светильнов. Эти признаки очень часто встречаются в дачных кооперативах, садовых товариществах и деревнях. Если вас тревожат данные проблемы обращайтесь в электролабораторию и мы поможем их решить.

Основным и практически единственным способом проверить и определить перекос фаз является измерение токов на фазных проводниках в ВРУ или распределительных щитах. Данное измерение проводится токовыми клещами, например, наши инженеры пользуются цифровыми клещами токоизмерительными CMP-1. Они точные и очень удобны своим маленьким размером, позволяющим подлезть к любому проводнику в стеснённых условиях. Необходимо при максимально полной нагрузке измерить протекающий ток и сравнить показания. Эти показания не должны отличаться на 15% в ВРУ и на 30% в распределительных щитах.

Внимание: перекос фаз может повлиять на работоспособность бытовой техники и даже вывести её из строя!

Важным параметром фаз является правильное чередование. Соблюдение правильности чередования фаз важно в случаях подключения электродвигателей. При нарушении чередования фаз, двигатель может вращаться в обратную сторону или выйти из строя. Проверить чередование фаз можно прибором TKF-11.

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.

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.

Реле контроля фаз (А) и пример схемы его подключения (В)

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.

«>