Одной из аварийных ситуаций первостепенной важности энергетики обоснованно считают прекос фаз в трехфазной сети. Ситуацию трудно спрогнозировать и от последующего феномена нелегко застраховаться. Так, чем опасен перекос фаз, каковы его причины и предпосылки возникновения?
Отмеченная проблема присуща не какой-либо электрической системе, а именно трехфазной сети переменного тока. Она обусловлена основными принципами ее построения. К тяжелым последствиям обычно приводят такие причины, как неравномерное распределение потребителей энергии и обрыв нулевого провода.
В трехфазной электрической системе каждая фаза представляет собой синусоидальное напряжение, смещенное по фазе относительно другого напряжения. В идеальной трехфазной сети эти фазы должны быть равномерно распределены по времени и равны по амплитуде. Однако, в реальности возможны ситуации, когда одна или несколько фаз смещены относительно других, из-за чего нарушается баланс системы.
Перекос фаз опасен плачевными последствиями, поэтому при проектировании трехфазной сети следует заранее позаботиться о ее безопасности. Выверенные рекомендации по монтажу электрооборудования и специальные приборы позволяют защитить сеть, предотвратить травматизм от электрического тока и возникновение пожара.
Содержание
- Напряжения в трехфазной сети
- Перекос фаз — простыми словами
- Причины перекоса фаз
- Неравномерно распределенная нагрузка
- Импульсные блоки питания
- Перекос фаз — способы защиты
- Подключение компьютеров
- Перекос фаз — обрыв нулевого провода
- Последствия обрыва «нуля»
- Перекос фаз — меры защиты
- Заключение
Напряжения в трехфазной сети
В примитивном виде электросеть можно представить в виде генератора, от которого электричество поступает по двум проводам. Нагрузкой могут быть лампочки, электродвигатели и другие устройства.
Наглядным примером может служить, например, однофазный бензоэлектрический агрегат, используемый как аварийный источник электроэнергии. С появлением трехфазного электричества простейшая схема электросети усложнилась.
Родоначальником электрической сети из 3-х фаз считается Доливо-Добровольский. Ее предложил русский ученый в 1891 году. С тех пор в электроэнергетике наблюдается небывалый прорыв. В ближайшем будущем отсутствует какая-либо тенденция ее замены.
Изначально трехфазная электросеть создавалась как источник питания для соответствующих нагрузок. В частности, она неплохо согласуется с электродвигателями, когда все три величины напряжения одинаковы. Подключение однофазных нагрузок, например, лампочек и компьютеров, к трехфазной сети создает ситуацию, когда разности потенциалов могут стать уже не одинаковыми, и возникает перекос фаз.
Токи, разность потенциалов или напряжения в трехфазной сети, по отношению к активной нагрузке, сдвинуты по циклу на 120 градусов. Между любыми двумя фазами присутствует линейное напряжение, величина которого составляет 380 В. Напряжение провода любой из фаз, по отношению к нулевому проводнику, имеет значение 220 В, которое называется фазным напряжением.
В современных электрических кабелях жилы имеют цветовую окраску, в соответствии с которой принято их подключать к электросети. Нулевой проводник всегда обозначается синим цветом, а «земляной» — желтым с зелеными полосками.
Для подключения линейного напряжения используются любые другие цвета, кроме отмеченных двух. В зависимости от производителя кабелей набор цветных проводников, подключаемых к фазным шинам, может варьироваться в различных сочетаниях.
Если потребитель электроэнергии нуждается в однофазном напряжении, то он аналогично и называется. К нему подводится как минимум два провода: от нейтрали и от фазного напряжения (220 В), не считая «земляной» шины. Потребители электроэнергии считаются трехфазными, если для питания требуют разность потенциалов 380 вольт. Если суммарная мощность электроэнергии составляет меньше 10 кВт, то к таким потребителям, по большей части, подводят однофазное напряжение. Когда в дом введено такая разность потенциалов и нейтральный проводник, то следует обязательно позаботиться об оборудовании надежного контура заземления. Иначе, не исключается перекос фаз, который опасен необратимыми последствиями с мрачным исходом
Перекос фаз — простыми словами
В первом приближении перекос фаз по напряжению или току можно сопоставить в виде шарика, который положен на рычажные весы с коромыслом. Вес шарика можно отождествить с потребляемой мощностью.
В состоянии равновесия шарик будет находиться посредине. Если же коромысло наклонится, то шарик начнет скатываться. Чем ближе шарик к концу коромысла, тем труднее восстановить равновесие таких весов.
Перекос фаз в трехфазной сети вызывает примерно такую же ситуацию. С одной стороны, проблема осложняется тем, что вес шарика неизвестен, и он к тому же движется. С другой стороны, у весов коромысло уже с тремя плечами.
Поэтому, по какому коромыслу покатится шарик не известно. Если вовремя шарик не остановить, то он с конца коромысла упадет на чашу весов, и без вмешательства извне установить весы в равновесие не удастся.
Для выравнивания разности потенциалов в трехфазную сеть был добавлен дополнительный провод, который назвали нулевым или «нейтралью». Величина тока, присутствующая в нейтральной шине, осуществляет компенсацию разности токов отдельных фаз, которые могут существенно отличаться своими значениями. Вследствие этого выравнивается фазовая разность потенциалов и вероятность такого явления как перекос фаз заметно снижается.
На графике этот процесс можно изобразить, например, так:
Линии зеленого цвета показывают состояние равновесия. Красным цветом отображены примерные изменения напряжения, которые могут возникнуть при перекосе напряжений в случае трехфазной сети.
Если величина вектора «Фаза С — точка N’» будет больше 300 вольт, то возникает аварийная ситуация. При совпадении точки N с «фазой А» либо с «Фазой В» (предельные значения аварийного положения), то перекос фаз (отрезок N – N’) приблизится к своему крайнему значению и составит 220 вольт в этом случае вектор «Фаза С – N’» будет соответствовать напряжению 380 вольт, взамен номинальных 220 вольт.
Причины перекоса фаз
Трехфазная сеть включает в себя высоковольтную и низковольтную части. На границе разделения этих частей электросистемы устанавливаются, как правило, электрические подстанции с трехфазными трансформаторами, которые понижают высоковольтное напряжение.
В первой половине сети перекос фаз по напряжению в принципе, нереален, потому что все три фазные шины нагружены равномерно. Поэтому электроэнергия передается по трем проводам, надобность в четвертом дополнительном проводнике отпадает, что составляет существенную экономию.
Электрическая подстанция распределяет энергию между потребителями. В этой части электросети используются напряжения до 1 тысячи вольт. Чаще всего аварийная ситуация в виде перекоса напряжений возникает именно в этой части, когда подключаемая нагрузка распределена между фазными шинами неравномерно или при обрыве нулевого проводника. Она объясняется особенностями распределения мощности между однофазным электрооборудованием.
Неравномерно распределенная нагрузка
Подавляющая доля мощности электросети потребляется практически трехфазными устройствами, в качестве которых выступают электродвигатели, индукционные печи и т. д. Нагрузки подобного рода воздействует на все основные элементы электросети одинаково. Когда же львиная доля мощности потребляется однофазным электрооборудованием, то нагрузку между фазами стремятся распределять более-менее равномерно.
Неравномерно распределенная нагрузка является первой предпосылкой, когда может возникнуть перекос фаз. Результат обычно выражается в заметном снижении мощности включенного в трехфазную сеть электрооборудования. В домашних условиях оно влечет повреждением бытового оборудования, подключенного к одному из фазному проводу.
В соответствии с руководящими документами допускается отклонение в соотношении нагрузок между тремя проводами в распределительных щитах не более 30%, а напряжение не должно отклоняться от своего номинального значения в пределах ±10%. Тогда ток в нейтральном проводнике не превысит этого значения от среднего тока в фазных проводах.
По этой причине допускается использовать сечение провода нейтрали меньше, чем у остальных проводников. При этом экономия дорогой меди налицо и нулевой провод обычно не представляет повышенной опасности, потому что ток, присутствующий в нем невелик.
Известно, что при касании нулевого проводника электросети, функционирующей в нормальном режиме, особой угрозы не представляет. Однако перекос фаз создает потенциальную угрозу для жизни. С возникновением такой ситуации не исключено короткое замыкание с массой электрооборудования или его возгорание. Неисправность электросети также может вызвать перекос фаз. К широко распространенным дефектам следует отнести выбор сечения кабеля ниже допустимого, замыкание проводов на землю или неисправность из-за ветхости электропроводки. Отсюда очевидно снижение напряжения в одной или двух фазных шинах. Вследствие этого возрастают значения напряжения в других проводах.
Импульсные блоки питания
Наиболее массовое распространение среди электрических приборов, имеющих импульсные блоки питания, получили компьютеры. Эти прогрессивные новшества внесли дополнительные проблемы, обуславливающие перекос фаз. В чем же заключается суть этих проблем?
Теоретически электрические колебания переменного тока, снимаемые с выхода генератора гармонические и их можно представить в виде синусоиды. На самом же деле графическое изображение переменного напряжения или тока могут отклоняться от идеальной синусоиды.
Если, например, лампы накаливания представляют собой линейные элементы, то они никоим образом не влияют на изменение формы электрических колебаний. В отличие от таких элементов, импульсные блоки питания, то есть ИБП представляют уже нелинейную нагрузку.
Тогда после подключения, например, компьютера к источнику напряжения, имеющего синусоидальную форму тока, он будет изменяться со временем совсем по другому закону.
График на рисунке наглядно показывает, ток потребляется ИБП, когда только разность потенциалов в электросети приближается к своему максимальному значению. Когда же напряжение снижается до минимальной величины, то блок питания вообще не потребляет тока. Поэтому заранее предсказать поведение нескольких ИБП в трехфазной электросети затруднительно, что увеличивает вероятность возникновения в ней асимметрии.
Перекос фаз — способы защиты
Не симметричное распределение токов и напряжений в электросети прямым образом оказывает влияние не только на однофазные потребители электроэнергии, но и на трехфазные, не исключая промышленные системы.
Какие же последствия следует ожидать и чем опасен перекос фаз?
- Возрастает потребление электроэнергии электрическими приборами, а функционирование с предельно допустимыми параметрами снижает их ресурс.
- При значительном превышении напряжения на одной из фазных шин большинство электроприборов, включенных в розетки, могут оказаться неисправными, Устройства защиты снижают такой риск.
- Снижение напряжения способствует увеличению нагрузки на электродвигатели – возрастают их токи пуска и падает мощность. Электронные устройства в состоянии выключаться. Их включение возможно только после устранения перекоса напряжений.
- Возникает повышенная температура в нулевом проводнике, что не исключает его перегорание и возникновение пожара.
- По причине перегрузки нейтрали вершина кривой напряжения становится более плоской, что приводит к изменению характеристик картинки на мониторе компьютера.
- На нулевом проводнике небольшого сечения при увеличенных значениях токов разность потенциалов может составить несколько десятков вольт, что опасно для жизни.
Как уже упоминалось, перекос фаз и возможность его возникновения резко снижается, если используются различные способы защиты. Так, например, вначале следует выбрать электрический кабель подходящего сечения. Такой кабель должен быть рассчитан на максимальную величину потребляемого тока.
Последующее также продуманное равномерное распределение потребителей электроэнергии по фазным проводам играет немаловажную роль. В существующей электросети ошибки проектирования нередко исключаются путем изменения в самых критических ситуациях порядка снабжения электроэнергией потребителей и подводимой мощности потребления.
Дополнением к этому не менее эффективным считается установка соответствующего стабилизатора. Он от обычного бытового стабилизатора отличается тем, что устраняет несимметрию в сети посредством перераспределения нагрузки либо путем ее усиления.
Учет предполагаемых нагрузок позволяет осуществить правильное проектирование электросети. Следствие такого подхода наблюдается в сбалансированном потреблении электроэнергии так, что участвующие в электропитании объекта фазные шины имеют равномерную нагрузку.
В бытовых условиях монтаж реле контроля фаз позволяет более просто снять возникшую проблему. Оно монтируется после электросчетчика и имеет примерно следующий вид.
В комплексе с этим устройством можно задействовать трехфазные стабилизаторы напряжения. Они позволяют улучшить качество подводимой электроэнергии. Однако это не панацея от всех бед, так как они способны дополнительно нарушать симметрию сети и на них возникают потери. Лучшим вариантом для симметрии разности потенциалов будет специальный трансформатор.
Подключение компьютеров
Надежная и бесперебойная работа компьютеров создается благодаря специальной системы их питания от трехфазной сети переменного тока, которая защищает их от разных неожиданностей. В бытовых условиях для 2 — 3 компьютеров этому обстоятельству обычно не придается существенного значения, но проблема становится актуальной для сотни и более компьютеров.
Подключение компьютеров осуществляется с соблюдения некоторых общих правил:
- для подключения групп компьютеров использовать отдельные линии питания со своими предохранителями, а лучше с автоматическими выключателями;
- перед началом эксплуатации убедиться в низком сопротивлении шины заземления;
- выходное значения напряжения должно иметь допустимые пределы без всплесков и присутствия помех;
- для подключения применять трехштырьковые вилки и не использовать переходники для розеток с двумя гнездами;
- стараться не пользоваться удлинителями или, в крайнем случае, выбирать рассчитанные на работу с мощными потребителями;
- устройства, не относящиеся к компьютерному оборудованию, включать уместно в другую розетку.
В компьютерных центрах в целях экономии заземление компьютеров осуществляется нередко посредством подсоединения «земли» к нулевому проводнику в распределительном щите. Ниже рисунок демонстрирует схему примерно такого подключения.
Из рисунка следует, что в нулевом проводнике за счет протекания по нему тока между двумя и более такими «землями» распределительных щитов здания, установленных на разных этажах, создается определенное значение некоторого напряжения.
Тогда этот тип помехи в местной вычислительной сети действует практически между сетевыми картами системных блоков компьютеров, принадлежащих территориально разным этажам. В конечном итоге, такой перекос фаз приводит к сбою передачи сигналов, а также к неисправности составных частей или самих компьютеров. Метод защиты – устройство дополнительного заземления, не привязанного к нейтрали.
Перекос фаз — обрыв нулевого провода
Самая неприятная авария встречается когда по той или иной причине возникает обрыв нулевого провода в трехфазной электрической сети. При этом как следствие немедленно возникает дисбаланс напряжений, который является непосредственной причиной выхода из строя однофазного электрооборудования. Тогда 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 три имеющиеся обмотки, соединены по схеме «звезда». Из общей точки их подключения исходит нулевой проводник. В случае его обрыва в электросети создается асимметрия 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 нулевого провода вызывает неуправляемый процесс.
Последствия обрыва «нуля»
В конечном результате последствия обрыва «нуля» приводят к неуправляемости процесса и перераспределению разности потенциалов в фазных шинах. Один из фазных проводников, который подвержен 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.
К наихудшему состоянию перекос фаз приведет потребителей электроэнергии, находящихся «в конце» данной цепочки. На этом участке сети будет наблюдаться превышение допустимых величин нагрузки и положение усугубляется тем, что далеко не все автоматические выключатели сработают в штатном режиме. Тогда возрастает вероятность возгораний источников потребляемой мощности и электропроводки. В этом состоит исключительный эпизод перекоса напряжений. Полная асимметрия разности потенциалов сети приводит к поражению электрическим током, если к тому же отсутствует надежное дополнительное заземление
Перекос фаз — меры 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» нулевого провода на электроподстанции или в силовом распределительном щите, обрыв жилы в электрическом кабеле и др. Когда нейтральный 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.
Заключение
Таким образом, перекос фаз относится к важным факторам, сопровождающим электрическую систему. Он наиболее опасен, так как сопряжен с трагическим последствиями. Несмотря на массу выпускаемых защитных приборов, полностью застраховаться от аварийных ситуаций, возникающих при эксплуатации электросетей, все-таки не удается.
Даже при безукоризненно выполненной электропроводке, нейтраль может обгореть или оборваться по причинам, независимым от нас. Тогда перекос фаз в трехфазной сети неизбежен, которые вызывает серьезная опасность. Отсюда очевидно, что для защиты собственной жизни, своей бытовой техники и радиоэлектроники следует позаботиться заранее и предусмотреть все возможные способы защиты. P.S. Проблема перекоса напряжений возникает всегда, когда к электросети подключается разнородная нагрузка. Поэтому важно, чтобы это явление не превышало допустимых пределов. Дополнения, уточнения и пожелания обязательно оставляйте в комментариях. Я постараюсь ответить и исключить неоднозначное понимание сложившейся ситуации
Cм. также