V třífázové elektrické síti musí mít každá fáze stejné napětí s přípustnou odchylkou. Pokud je napětí mezi fázemi rozloženo nerovnoměrně, dochází k nevyváženosti fází. V důsledku tohoto jevu dochází u průmyslových zařízení (elektromotory, transformátory) k výraznému snížení výkonu. V domácích podmínkách může taková nerovnováha mezi fázemi vést k poruchám elektrických zařízení a jiných spotřebitelů energie.
Když jsou elektrická zařízení připojena k jedné fázi, existuje riziko nerovnováhy mezi fázemi. Aby se zabránilo poruchám v dodávce elektrické energie, je nutné pochopit, co způsobuje takový negativní jev.
Příčiny
Existují různé důvody pro nerovnováhu napětí mezi fázemi. Hlavním oblíbeným důvodem bylo nerovnoměrné a negramotné rozložení zátěže napříč fázemi sítě. Dojde-li ke zkosení v sekci s třífázovým napájením, můžeme říci, že některé fáze jsou provozovány s nadměrnou zátěží a třetí fáze je zatížena mírně.
Nejčastěji jsou jednofázové zátěže ve formě domácích elektrických zařízení připojeny k jedné fázi. Proto se při současném spuštění několika výkonných zařízení objeví fázová nerovnováha. Prvotními příznaky nerovnováhy jsou fungující domácí spotřebiče, jejichž výkon se znatelně snížil, nebo se úplně vypnuly. Současně začala osvětlovací tělesa produkovat slabé světlo a zářivky začaly blikat.
Chcete-li přesněji určit, zda existuje fázová nerovnováha, musíte zavolat specialistu a provést důkladnou kontrolu na místě. Pouze měřením lze zjistit rozdíl napětí na různých fázích.
Následky a nebezpečí
Hlavním nebezpečím tohoto jevu je nesprávná obsluha domácích zařízení a možnost jejich selhání. Maximální část negativních důsledků připadá na různé typy elektromotorů instalovaných v různých domácích spotřebičích.
Negativní vlivy fázové nerovnováhy jsou rozděleny do tří typů:
- Výskyt poruch připojených elektrických přístrojů, zařízení a přístrojů snižujících jejich životnost.
- Poruchy napájecích zdrojů: poškození, zvýšená spotřeba energie, snížená životnost zdroje.
- Negativní faktory pro spotřebitele energie: zvýšené náklady na elektrickou energii, pravděpodobnost úrazu, nutnost oprav a údržby elektrických zařízení.
Pokud v autonomní samostatné elektrárně dojde k fázové nerovnováze, pak se spotřeba paliva a maziv v tomto případě výrazně zvýší a generátor může selhat. Pokud je napětí na jedné fázi vyšší než na ostatních dvou fázích, je ohrožena elektrická bezpečnost, což může vést k požáru elektrického vedení a zařízení.
Ve výsledku je zřejmé, že důsledky tohoto negativního jevu jsou značné, jejich odstranění a řešení může vést k významným materiálním škodám. Aby se předešlo takovým negativním situacím, je nutné předem přijmout vhodná opatření.
Metody ochrany
Pro normální provoz třífázové sítě a také pro to, aby napětí na jednotlivé fázi odpovídalo jmenovité hodnotě, je nutné používat speciální přístroje a zařízení. Obvykle je k tomu připojen stabilizátor napětí.
V každodenním životě se používají jednofázové verze, které mohou chránit elektrická zařízení. Ve výrobních podmínkách se používá 3-fázový stabilizátor, který zahrnuje tři jednofázová zařízení. Tato zařízení však nejsou schopna zcela eliminovat fázové nesymetrie, protože vyrovnávají napětí v jedné fázi.
Někdy taková zařízení sama o sobě vytvářejí podmínky pro nerovnoměrné rozložení elektřiny. Tento problém lze vyřešit pouze pomocí speciálních technologií, které vyrovnávají napětí mezi všemi fázemi.
Existuje několik způsobů ochrany:
- Použití zařízení, která vyrovnávají zátěž napříč fázemi v automatickém režimu.
- Vytvoření projektu dodávky elektrické energie do objektu s přihlédnutím k očekávaným hodnotám zatížení.
- Změna schématu elektrického obvodu s ohledem na výkon spotřebitelů.
- Připojení speciálního relé, které bude sledovat úroveň napětí na fázích a při zjištění asymetrie vypne napájení.
Pomocí těchto metod můžete chránit elektrická zařízení před poruchami a eliminovat nerovnováhu napětí.
Vyvažovací transformátor
Aby se předešlo napěťové nerovnováze mezi fázemi a udržela se určitá hodnota fázového napětí, měla by být použita speciální technologie, která umožňuje vyrovnat hodnotu napětí nikoli samostatně na určité fázi, ale zajistit symetrii všech tří fází, tj. třífázová síť. Tato alternativní technologie je implementována v balunovém transformátoru.
Rozsah měření
Takové inovativní zařízení může pracovat se 100% napěťovou nerovnováhou a je schopno eliminovat fázovou nerovnováhu napětí v širokém rozsahu změn napětí, z jakéhokoli důvodu pro výskyt tohoto negativního jevu:
- Zkreslení ve vstupní napájecí síti způsobené poškozením distribuční sítě.
- Nerovnoměrné rozložení zatížení mezi fázemi.
- Uvedení výkonného zařízení do provozu.
- Smíšené příčiny zkreslení.
Praktické použití
Úkoly, které lze vyřešit začleněním balunového transformátoru do provozu, jsou:
- Rovnoměrné rozdělení spotřebitelů mezi fázemi.
- Odstranění nesymetrie fázového napětí (vyrovnání všech fází mezi sebou v třífázové síti).
- Udržování specifikované hodnoty napětí na každé fázi.
- Přeměna třífázové elektrické sítě na 1fázovou síť:
— s galvanickým oddělením napájecí sítě a spotřebiče elektřiny;
— bez galvanického oddělení;
– se změnou (zvýšením nebo snížením) napětí na jeho výstupu. - Přeměna třífázové sítě sestávající ze tří vodičů na třífázovou síť se čtyřmi vodiči (vytvoření pracovního nulového vodiče, aby bylo možné připojit zátěž k fázi).
- Možnost získání 50 % 3-fázového výkonu z jedné fáze.
- Použití generátorů s nižším výkonem pro stejnou skupinu spotřebitelů.
- Zařazení výkonnějších zátěží pod omezení přípustného výkonu z obecné státní sítě nebo při provozu z autonomního zdroje.
- Během zamrzání potrubí nebo námrazy vodičů je možné zahřát tyto komunikace, stejně jako další zařízení.
Přípustné normy pro fázové nevyvážení
Za hlavní pracovní dokument upravující kvalitu elektrické energie a normy asymetrie v třífázové síti se považuje GOST 13109-97 a přípustná odchylka zatížení je stanovena podle dokumentu SP31-110, ve kterém pro rozvody vstupů zařízení, rozdíl hodnot zatížení mezi fázemi nesmí být větší než 15% a pro rozvodné desky – ne více než 30%.
Nejčastějším problémem, který generuje mnoho destruktivních důsledků, je fázová nerovnováha v třífázové síti (do 1,0 kV) s pevně uzemněným neutrálem. Takový jev může za určitých podmínek poškodit elektrické spotřebiče a ohrozit život. Vzhledem k závažnosti problému bude užitečné zjistit, jaká je nerovnováha proudů a napětí a také důvody jejího vzniku. To vám umožní zvolit nejoptimálnější strategii ochrany.
Co je fázový posun?
Tento termín se používá k popisu stavu sítě, ve kterém dochází k nerovnoměrnému zatížení mezi fázemi, což má za následek zešikmení. Pokud vytvoříte vektorový diagram ideální třífázové sítě, bude vypadat jako na obrázku níže.
Diagram napětí v ideálních třífázových sítích
Jak je vidět z obrázku, v tomto případě jsou jak lineární napětí (AB = BC = CA = 380,0 V), tak fázová napětí (AN = BN = CN = 220,0 V) stejná. Bohužel v praxi je dosažení takové ideální rovnosti nereálné. To znamená, že lineární napětí sítě se zpravidla shodují, zatímco ve fázových napětích existují rozdíly. V některých případech mohou překročit povolený limit, což povede k nouzové situaci.
Příklad zátěžového diagramu, když dojde k nesouososti
Přípustné normy zkreslení hodnot
Protože v třífázových sítích není možné zabránit a zcela odstranit zkreslení, existují normy asymetrie, ve kterých jsou stanoveny přípustné odchylky. Za prvé, toto je GOST 13109 97, níže je výňatek z ní (bod 5.5), aby se předešlo nesrovnalostem v dokumentu.
Normy nesymetrie napětí GOST 13109-97
Protože hlavní důvod fázové nevyváženosti přímo souvisí s nesprávným rozložením zátěže, existují normy pro jejich poměr, předepsané v SP 31 110. Výstřižek z této sady pravidel uvedeme také v originále.
Výstřižek z SP 31-110 (článek 9.5)
Zde je třeba upřesnit terminologii. K popisu asymetrie se používají tři složky, a to přímá, nulová a zpětná posloupnost. První je považován za hlavní, určuje jmenovité napětí. Poslední dva lze považovat za rušení, které vedou k vytvoření odpovídajících EMF v zátěžových obvodech, které se neúčastní užitečné práce.
Příčiny fázové nesymetrie v třífázové síti
Jak bylo uvedeno výše, tento stav elektrické sítě je nejčastěji způsoben nerovnoměrným připojením zátěže k fázím a nulovým zlomem. Nejčastěji se to projevuje v sítích do 1 kV, což je spojeno se zvláštnostmi distribuce elektřiny mezi jednofázovými elektrickými přijímači.
Vinutí třífázových výkonových transformátorů jsou zapojena do hvězdy. Čtvrtý vodič je tažen ze spojení vinutí, nazývaný nulový nebo neutrální. Pokud se nulový vodič přeruší, dojde v síti k asymetrii napětí a šikmost bude přímo záviset na aktuálním zatížení. Příklad takové situace je uveden níže. V tomto případě RН jedná se o zatěžovací odpory, které mají stejnou hodnotu.
Fázová nerovnováha způsobená otevřeným neutrálem
V tomto příkladu napětí na zátěži připojené k fázi A překročí normu a bude mít tendenci k lineárnímu a na fázi C klesne pod povolenou mez. K podobné situaci může vést nerovnováha zátěže nad stanovenou normu. V tomto případě se napětí na nedostatečně zatížených fázích zvýší a na přetížených klesne.
Provoz sítě v režimu otevřené fáze také vede k nerovnováze napětí, kdy je fázový vodič zkratován k zemi. V nouzových situacích je povoleno provozovat síť v takovém režimu, aby poskytovala elektřinu spotřebitelům.
Na základě výše uvedeného můžeme uvést tři hlavní příčiny fázové nerovnováhy:
- Nerovnoměrné zatížení vedení třífázové sítě.
- Když je neutrál přerušený.
- V případě zkratu jednoho z fázových vodičů k zemi.
Nesymetrie v sítích vysokého napětí
Takový stav v síti 6,0-10,0 kV může být někdy způsoben zařízením k ní připojeným, jako typický příklad lze uvést obloukovou pec. Navzdory skutečnosti, že se nevztahuje na jednofázová zařízení, řízení proudu oblouku v něm probíhá fáze po fázi. Nesymetrické zkraty mohou vznikat i během procesu tavení. Vzhledem k tomu, že existují obloukové tavicí instalace napájené napětím 330,0 kV, lze konstatovat, že fázová nesymetrie je možná i v těchto sítích.
Ve vysokonapěťových sítích může být fázová nerovnováha způsobena konstrukčními vlastnostmi elektrického vedení, konkrétně různými odpory ve fázích. Pro nápravu situace se provádí transpozice fázových vedení, k tomu jsou instalovány speciální podpěry. Tyto drahé konstrukce nejsou zvláště odolné. Takové podpěry nejsou zvláště vyhledávány pro instalaci, raději obětují kvalitu elektřiny než spolehlivost elektrického vedení.
Nebezpečí a důsledky
Předpokládá se, že nejvýznamnější důsledky nevyváženosti jsou spojeny se špatnou kvalitou energie. To je jistě pravda, ale neměli bychom zapomínat ani na další negativní dopady. Patří mezi ně vznik cirkulujících proudů, způsobujících zvýšení spotřeby elektrické energie. V případě třífázového autonomního elektrického generátoru to vede i ke zvýšené spotřebě nafty nebo benzínu.
Při rovnoměrném zapojení zátěže by se geometrický součet procházejících proudů blížil nule. Když dojde ke zkreslení, zvýší se rázový proud a předpětí. Zvýšení prvního vede ke zvýšení ztrát, druhé – k nestabilnímu provozu domácích spotřebičů nebo jiných zařízení, provozu ochranných zařízení, rychlému opotřebení elektrické izolace atd.
Uvádíme, jaké důsledky lze očekávat, když se objeví zkreslení:
- Odchylka fázového napětí. V závislosti na rozložení zátěže jsou možné dvě možnosti:
- Napětí je vyšší než jmenovité. V tomto případě je velmi pravděpodobné, že většina elektrických zařízení zapojených do domácích zásuvek selže. Při spuštění ochrany bude výsledek méně tragický.
- Napětí klesne pod normál. Zvyšuje se zatížení elektromotorů, klesá výkon elektrických strojů, zvyšují se rozběhové proudy. Jsou pozorovány poruchy elektroniky, zařízení se mohou vypnout a nezapnout, dokud nebude korekce opravena.
- Spotřeba elektrické energie zařízení roste.
- Abnormální provoz elektrického zařízení vede ke snížení životnosti.
- Snížené technologické zdroje.
Nemělo by se zapomínat, že šikmost může představovat ohrožení života. Při překročení jmenovitého napětí není pravděpodobnost zkratu v elektroinstalaci velká, pokud není zchátralá a kabel je správně vybrán. V tomto případě jsou nebezpečnější elektrické spotřebiče připojené k síti. Když se objeví zešikmení, může dojít ke zkratu na krytu nebo se může vznítit elektrický spotřebič.
Ochrana proti fázové nesymetrii v třífázové síti
Nejjednodušším, ale přesto účinným způsobem, jak minimalizovat negativní důsledky výše popsané odchylky, je instalace relé fázového řízení. Vzhled takového zařízení a příklad jeho připojení (v tomto případě po třífázovém elektroměru) naleznete níže.
Fázové řídicí relé (A) a příklad jeho schéma zapojení (B)
Tento třífázový stroj může mít následující funkce:
- K ovládání amplitudy elektrického proudu. Pokud parametr překročí nastavené meze, zátěž je odpojena od napájení. Rozsah odezvy zařízení lze zpravidla upravit podle vlastností sítě. Tato možnost je dostupná pro všechna zařízení tohoto typu.
- Kontrola sledu připojovacích fází. Pokud je střídání nesprávné, napájení se vypne. Tento typ ovládání může být důležitý pro určitá zařízení. Například při zapojování třífázových asynchronních elektrických strojů záleží na tom, jakým směrem se bude hřídel otáčet.
- Kontrola přerušení jednotlivých fází, pokud je zjištěno, zátěž je odpojena od sítě.
- Funkce hlídá stav sítě, jakmile se objeví zešikmení, spustí se.
Spolu s relé fázového řízení můžete použít třífázové stabilizátory napětí, s jejich pomocí můžete trochu zlepšit kvalitu elektřiny. Tato možnost však není účinná, protože taková zařízení sama o sobě mohou způsobit porušení symetrie, navíc dochází ke ztrátám na stabilizátorech.
Nejlepší způsob, jak vyvážit fáze, je použít pro tento účel speciální transformátor. Tato možnost fázového vyrovnání může přinést výsledky jak v případě nesprávné distribuce jednofázové zátěže na autonomní 3fázový generátor elektrické energie, tak ve vážnějším měřítku.
Ochrana v jednofázové síti
V tomto případě není možné ovlivnit vnější projevy napájecí soustavy, např. při přetížení fází nemohou spotřebitelé elektřiny situaci napravit. Jediné, co lze udělat, je zabezpečit elektrické zařízení instalací napěťového relé a jednofázového stabilizátoru.
Má smysl instalovat společné stabilizační zařízení pro celý byt či dům. V tomto případě je nutné vypočítat maximální zatížení, poté přidat rezervu 15-20%.To je rezerva do budoucna, protože v průběhu času se může zvýšit počet elektrických zařízení.
Ke stabilizátoru sítě není vůbec nutné připojovat všechna zařízení, některé typy zařízení (například elektrické pece nebo kotle) lze připojit přímo k napěťovému relé (přes AB). To ušetří peníze, protože zařízení s nižší spotřebou jsou levnější.
