Перекос фаз и чем он опасен. Его суть и какие приборы обеспечивают защиту

Перекос фаз и чем он опасен

Перекос фаз в электросети возникает при неравномерном распределении потребителей энергии и обрыве нулевого провода. Для предупреждения аварийной ситуации и устранения опасности следует придерживаться выверенных рекомендаций и использовать специальные приборы.

Перед тем, как перейти к рассмотрению вопроса - чем же опасен прекос фаз, не помешает небольшое отступление.

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 электросеть с тремя фазами создавалась как источник питания для соответствующих нагрузок. В частности, она неплохо согласуется с электродвигателями, когда все три напряжения одинаковы.

Подключение однофазных нагрузок, например, лампочек и компьютеров, к трехфазной сети создает ситуацию, когда напряжения могут стать уже не одинаковыми, и возникает перекос фаз.

Напряжения в трехфазной сети

Вначале перед тем, как перейти к рассмотрению вопроса о перекосе фаз и к какой опасности он приводит, не лишним будет напоминание о видах напряжений, существующих в трехфазной сети, и некоторых других нюансах.

perekos-faz1

Напряжения (токи) рассматриваемой сети, по отношению к активной нагрузке, сдвинуты по циклу на 120 градусов. Между любыми двумя фазами присутствует линейное напряжение, величина которого составляет 380 В. Провод любой из трех фаз, по отношению к нулевому проводу, имеет значение напряжения 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 шмнвм, может варьироваться в различных сочетаниях.

Если потребитель электроэнергии нуждается в однофазном напряжениие, то он называется аналогично и называется. К нему подводится как минимум два провода, не считая «земляного», от нейтрали и провода фазного напряжения (220 В). Потребители электроэнергии считаются трехфазными, если для питания требуют напряжения 380 вольт.

Если суммарная мощность электроэнергии составляет меньше 10 кВт, то к таким потребителям, по большей части, подводят однофазное напряжение. Когда в дом введен такое напряжение и нейтральный проводник, то следует обязательно позаботиться об оборудовании надежного контура заземления. Иначе вероятная возможность фазового перекоса может вызвать необратимые последствия с печальным исходом.

О перекосе фаз «на пальцах»

Перекос напряжений в первом приближении можно сопоставить с шариком, 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.

В трехфазной электросети относительно перекоса складывается примерно такая же ситуация. 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 понятно. 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 напряжения в трехфазную сеть был добавлен дополнительный провод, который назвали нулевым или «нейтралью». Величина тока, присутствующая в нейтральном проводнике, осуществляет компенсацию разности токов отдельных фаз, которые могут существенно отличаться своими значениями. Вследствие этого выравнивается фазовая разность потенциалов.

perekos-faz2

На графике этот процесс можно изобразить, например, так:

perekos-faz3

Линии зеленого цвета показывают состояние равновесия. Красным цветом отображены примерные изменения напряжения, которые могут возникнуть при перекосе гапряжений 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.

Как создается перекос фаз?

Трехфазная электросеть включает в себя высоковольтную и низковольтную части. На границе разделения этих частей сети устанавливаются, как правило, электрические подстанции с трехфазными трансформаторами, которые понижают высоковольтное напряжение.

В первой половине сети перекос напряжений в принципе, нереален, потому что все три фазы 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 тыс. вольт. Чаще всего аварийная ситуация в виде перекоса напряжений возникает именно в этой части, когда подключаемая нагрузка распределена между фазами неравномерно или при обрыве нулевого проводника. Она объясняется особенностями распределения мощности между однофазным электрооборудованием.

Неравномерное подключение нагрузки

Подавляющая доля мощности электросети потребляется практически ьоехфазными нагрузками, 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.

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 напряжений создает потенциальную угрозу для жизни. С возникновением ьакой ситуации не исключено короткое замыкание с массой электрооборудования или его возгорание.

Неисправность электросети также может оказаться причиной перекоса. 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 фазах. Вследствие этого возрастают значения напряжения в других проводах.

Импульсные блоки питания

Массовое распространение электрических приборов, которые конструктивно включают в себя импульсные блоки питания, в частности компьютеры, внесли дополнительные проблемы, связанные с перекосом. В чем же 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.

perekos-faz4

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, т.е. 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.

perekos-faz5

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 ее асимметрии.

Методы защиты

Не симметрия токов и напряжений в электросети прямым образом оказывает влияние не только на однофазные потребители электроэнергии, но и на трехфазные, не исключая промышленные электросети.

Какие же последствия следует ожидать от перекоса фаз?

  1. Возрастает потребление электроэнергии электрическими приборами, а функционирование с предельно допустимыми параметрами снижает их ресурс.
  2. При значительном превышении напряжения одной из фаз большинство электроприборов,включенных в розетки, могут оказаться неисправными, Устройства защиты снижают такой риск.
  3. 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 фаз.
  4. Возникает повышенная температура в нулевом проводнике, что не исключает его перегорание и возникновение пожара.
  5. По причине перегрузки нейтрали вершина кривой напряжения становится более плоской, что приводит к изменению характеристик картинки на мониторе.
  6. На нулевом проводнике небольшого сечения при увеличенных значениях токов разность потенциалов может составить несколько десятков вольт, что опасно для жизни.

Как уже упоминалось, вероятность возможного возникновения перекоса фаз резко снижается, если выбран электрический кабель соответствующего сечения. Такой кабель должен быть рассчитан на максимальную величину потребляемого тока.

Также продуманное равномерное распределение потребителей электроэнергии по фазам 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 стабилизатора фаз. Он от обычного бытового стабилизатора отличается тем, что устраняет не симметрию 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 фазы 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.

perekos-faz6

В комплексе с этим устройством можно задействовать стабилизаторы напряжения трех фаз. 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 фаз будет специальный трансформатор.

Проблема подключения компьютеров

В целях экономии заземление компьютеров осуществляется нередко посредством подсоединения «земли» к нулевому проводнику в распределительном щите. Ниже рисунок демонстрирует схему примерно такого подключения.

perekos-faz7

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.

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 не симметрия напряжений, т.е. перекос фаз, который находится в прямой зависимости от подключенной нагрузки. Ниже рисунок демонстрирует такую ситуацию.

perekos-faz8

Рисунок демонстрирует: 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 фазах разности потенциалов. Проводник фазы, которая подвержена наибольшей загрузке, будет выполнять роль нейтрального провода и напряжение в нем увеличится до 380 вольт. В фазе, 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, т.е. 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.

perekos-faz9

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.

perekos-faz10

Заключение

Таким образом, несмотря на массу выпускаемых приборов, полностью застраховаться от аварийных ситуаций, возникающих при эксплуатации электросетей, все-таки не удается.

Даже при безукоризненно выполненной электропроводке на даче, в частном доме или в квартире, нейтраль может обгореть или оборваться по причинам, независимым от нас. Тогда перекос фаз неизбежен и возникает серьезная опасность. Отсюда очевидно, что для защиты собственной жизни, своей бытовой техники и радиоэлектроники следует позаботиться заранее.

При возникновении вопросов или появлении каких-то мыслей обязательно пишите в комментариях. Я постараюсь на все ответить.

Понравилась статья? Поделись!

Нет комментариев

Добавить комментарий

Отправить комментарий Отменить

Сообщение

Счетчик Яндекс-Метрики

7.