Перекос фаз: возможные причины и способы защиты

Стабильная подача электроэнергии – залог корректной работы производственного оборудования и бытовых приборов различного назначения. Основной причиной образования сбоев и поломок называют перекос фаз, или асимметрию напряжений и нагрузки. Для эффективной борьбы с подобным явлением необходимо четкое понимание правил работы и функционирования 3-фазной электрической сети.

Немного теории электротехники для понимания проблемы

Уже более века прошло с того времени, как в практическое использование была официально внедрена 3-фазная система переменного тока. На сегодняшний день она сохранилась практически в том же виде, что и была первоначально. Статус главного разработчика такой системы закрепился за отечественным научным деятелем Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским. В своей работе он черпал идеи из великого научного труда Никола Тесла, основываясь на его опыт и полученные результаты.

Трехфазная сеть обладает уникальными преимуществами, которые трудно не заметить – в процессе раскручивания магнитного поля на 3-полюсной обмотке генератора ток появляется последовательно и симметрично, тогда его форма может быть легко использована для преобразования полученной электрической энергии во вращение. Начиная с этапа зарождения научно-технического прогресса и по сей день, беспрепятственное использование и непосредственная эксплуатация электрических машин является весьма важным и удобным дополнением.

Как и многие другие изобретенные системы, 3-фазная форма получения электроэнергии также имеет некоторые негативные стороны. При помощи коэффициента симметрии взаимосвязаны все напряжения на каждой из доступных фаз. Сеть 3-фазного типа предусматривает задействование двух видов электрического напряжения:

• Линейное – действует непосредственно между взаимосвязанными фазами.
• Фазное – определяется путем измерения в промежутке между нулевым проводом и конкретной фазой. 

 Соответственно, получаем: если на каждой из фаз нагрузка одинакова, т.е симметрична, общее линейное напряжение системы будет в √3 больше, чем показатель фазного. Значительное распределение неравномерных нагрузок между фазами может привести к некорректной и нестабильной работе целостной системы. Связано это с тем, что смена полярности напряжения на каждой последующей фразе идет в процессе чередования с остальными, и приводит к частичному пересечению по временным отрезкам.

Ключевые причины и возможные последствия образования перекоса фаз

При образовании перекоса фаз общее линейное напряжение остается неизменным, однако изменяется конкретное фазовое. Показатели на одной из фаз резко падают, что сказывается на работе всей системы. Схема соединения при 3-фазной системе может выступать в качестве разделителя напряжения между фазами. Что это значит: падение показателей напряжения на наиболее загруженной фазе достигнет максимальной отметки в связи с низким сопротивлением, одновременно с другим процессом – на наименее нагруженной фазе отметка напряжения будет резко расти и стремиться к числу линейного. Если говорить более простыми словами, распределение напряжения на фазах соразмерно нагрузке электрической сети, которая подключена в конкретный момент времени.

Такой процесс можно наблюдать при подключении электрических сетей бытового назначения. Нет никакой гарантии равномерного распределения нагрузки и подачи напряжения, несмотря на то, что все потребители энергии подключены к разным фазам. Связано это с уникальными особенностями электрического оборудования, как мощность и индивидуальный порядок использования. Исходя из такого расклада событий, наиболее распространен тип соединения различных нагрузок в 3-фазной сети так называемой «звездой». Систему при этом дополняют специальным проводом с нейтральным зарядом, который подключают к центральной точке цепи и электрически связывают с конструкцией заземления проводов. Благодаря использованию такого значимого дополнения, риск образования несимметричных и неравномерных нагрузок на фазы системы значительно снижается. Важно отметить, что уровень эффективности сравнивания нагрузки напрямую зависит от степени проводимости нулевого провода.

В том случае, если у подключенного нулевого провода плохая проводимость, или же по каким-либо причинам он оборвался и контакт утрачено, в системе появляется резкий скачок напряжения и несимметричное распределение нагрузок между фазами, что может привести к серьезным последствиям:

• Для каждого активно подключенного потребителя энергии с поднятием напряжения возрастает до максимально допустимых значений сила тока.
• Емкостные фильтры оборудования для преобразования электрической энергии выход из строя.
• Значительно повышаются риски появления пробоев изоляции.
• Двигатели 3-фазного типа перегреваются и получают увеличенное количество паразитных токов.

Такие серьезные срывы в системе городской сети электричества сразу же вызывают поток неполадок и порчу электрических приборов, работающих от незащищенной ветки, вне зависимости от того, были они в активном положении в данный момент или нет. Такие неполадки и сбои в большинстве случаев наносят непоправимый вред технике и устройствам. Кроме того, появляются большие риски возникновения пожаров. Перекос фаз в системе негативным образом влияет также на источники 3-фазного электропитания – понижающие силовые трансформаторы и 3-фазные генераторы.

Как восстановить нулевой провод в систему

Учитывая тот факт, что для стабильной передачи электроэнергии на больших расстояниях используются высокие показатели напряжения, можно и необходимо постараться максимально сократить значения сечения проводников до разумно допустимых отметок. Чем ближе расстояние к непосредственному потребителю, тем ниже напряжение, обеспечиваемое ступенчатым типом благодаря силовым трансформаторам, электрическая сеть постепенно разветвляется. Объединять такие трансформаторы при помощи нулевого провода нет совершенно никакой необходимости, так как с таким ответственным заданием запросто справляется сила земной коры. С этим связан тот факт, что резкий обрыв нулевых проводов возможен только на окончательной стадии трансформации около понижающей подстанции или же в конкретной точке низковольтной сети распределения.

Для лучшего понимания, где и на каком именно участке системы может произойти обрыв нулевого провода, следует обратиться к классической ситуации для примера – 3-фазной электросети для снабжения многоквартирного жилого дома. Площадки между этажами соединены при помощи специального технического канала. Внутри него может быть проложена шина общедомового заземления или же 3-жильный кабель. Возможный и такой вариант – нулевая шина подключается к контуру заземления подстанции благодаря использованию 4-й жилы кабеля. В любом из приведенных случаев определить точное месторасположение обрыва нулевого провода элементарно – измеряем электрический потенциал между землей и шиной при помощи вольтметра. Если прибор остановился на отметке, приближенной к отклонению от нормального значения фазного напряжения, место разрыва стоит искать в другой части системы, ближе к расположению подстанции.

В случае рассмотрения воздушной линии электропередач, тут ситуация обстоит несколько иначе. Нулевой провод проходит совместно с фазными кабелями по всей протяженности сети распределения, начиная от самой подстанции или же трансформатора. Само собой, что самостоятельное измерение напряжения на каждом отдельном столбе ВЛЭП между землей и нулевым проводом не имеет никакого смысла. Обрыв на такой линии определяется чисто визуально, или же лучшим методом – путем задействования аварийной службы. Кроме того, стоит также отметить важную деталь: самостоятельное заземление нулевого провода работник в зоне его ответственности недопустима и не имеет значения, так как разгрузка всей системы будет происходить через проводник потребителя, соответственно, ток протекать через прибор учета.

Использование инверторных стабилизаторов фаз

Помимо потребителей с 1-фазным подключением, от образования перекоса фаз и асимметрии тока и напряжения страдают также и 3-фазные абонентские сети, включительно с промышленными. Установка стабилизатора фаз считается одним из наиболее эффективных методов разрешения проблемы с перекосом фаз. Фазный стабилизатор способен устранить неполадки и образование симметрии путем перераспределения или усиления нагрузки, в отличие от бытовых стабилизаторов напряжения.

Если разобраться, сборка из трех 1-фазных стабилизаторов напряжения может легко выполнять функцию симметрирующего стабилизатора многофазного типа. Однако объединение сразу 3-х устройств в одно целое имеет некоторые нюансы работы и функционирования. Основной принцип действия 3-фазного устройства – 1 прибор для запаса и преобразования энергии, роль которого выполняет трансформатор импульсного типа. Если разобраться в общих чертах, выходит так: 1-фазный стабилизатор напряжения, который установлен на наиболее просаженной фазе, вынуждается к компенсированию скачков напряжения за счет увеличения показателей потребляемой мощности, что, в свою очередь, вызывает сильное падение КПД преобразователя.

Если же рассматривать 3-фазные стабилизаторы напряжения, они черпают энергию, необходимую для выравнивания показателей, с фаз с отметкой напряжения выше номинального. За счет такого процесса масштаб потерь на преобразование энергии значительно уменьшается. При этом происходит распределение дополнительных нагрузок на самые незагруженные фазы, за счет чего стабилизируется потребительская сеть, и в какой-то мере питающая. При временном отсутствии напряжения на 1 из фаз питания, наличие общего инвертора способно поддерживать работу 3-фазной системы в норме.

Такой метод стабилизации напряжения в случае образования перекоса фаз имеет и некоторые недостатки, как и любая другая система. Наиболее значимый из них – сложность установленного вспомогательного устройства и высокая стоимость на оборудование для 3-фазной стабилизации напряжения. Если разобраться, такие приспособления преимущественно используются для снабжения электричеством предприятий небольшого масштаба, которые оснащены электрическим оборудованием суммарной потребляемой мощностью до 80-100 кВА. К таким можно отнести базовые станции мобильной связи, котельни или же мебельные цеха. Для более мощных и глобальных потребителей электроэнергии предусмотрены несколько иные методы стабилизации напряжения.

Принцип работы симметрирующих трансформаторов

Симметрирующие трансформаторы – совершенно другой тип вспомогательных устройств для стабилизации напряжения и тока. Примечательная особенность такого оборудования – расширенный диапазон подключаемой мощности. Для систем мощностью потребления до 400 кВА рекомендуется применение трансформаторов ТСТ низковольтного типа, а для более мощных конструкций – трансформаторов для симметрии напряжения типа ТМГСУ.

Оба типа представленных трансформаторов отличаются от обычных силовых стабилизаторов наличием дополнительной обмотки, которая расположена параллельно с первичными обмотками и включена в промежуток между контуром заземления среднего положения трансформатора и рабочим нулевым проводником. Принцип действия устройств довольно простой, происходит все следующим образом: при образовании перекоса фаз в нулевом проводе появляется ток, он передается к магнитному сердечнику трансформатора, после чего подтягивается наиболее загруженная фаза системы. Компенсация показателей напряжения происходит за счет использования разницы в периодах колебаний различных фаз в автоматическом режиме.

Низковольтные трансформаторы и типа ТМГСУ практически не различимы. Размещение оборудования для стабилизации фазного напряжения на этапе понижающей трансформации позволяет исключить появление дополнительной цепочки преобразования, и, как следствие, избежать появления дополнительного количества потерь в магнитопроводе. Симметрирующие трансформаторы – лучшее решение проблем с перекосом фаз для систем с заниженными требованиями к чистоте синусоиды благодаря низкой стоимость оборудования, простоте работы и высоким показателям надежности. Однако, в отличие от устройств инверторного типа, такие трансформаторы не обладают достаточно широким комплексом методов защиты и стабилизации сети. 

Как защитить сеть от перенапряжения

Как же защититься от возникновения перенапряжений в случае работы сети с 1-фазным подключением? К великому сожалению, предотвратить появление перекоса фаз и последующих скачков напряжения в данной ситуации не представляется возможным. Подобные явления случаются регулярно, что вызвано недостаточной степенью оснащенности магистральных систем электроснабжения, полным отсутствием проводимых работ для прогнозирования возможных нагрузок фаз и неблагоприятным общим техническим состоянием систем снабжения электричеством.

Однако, положительные новости все же есть – защитить собственную систему электрических приборов от неполадок все-таки возможно. Один из наиболее распространенных и простых методов – отключение электроснабжения устройств при возникновении предельных показателей в системе, что обеспечивается за счет установки реле напряжения. Если же на конкретных электрических устройствах не представляется возможным получение временного отсутствия напряжения, есть 2 других способа защиты от асимметрии фазового напряжения: оснащение вводно-распределительной группы АВР с использованием автономного источника электропитания, или же применение 1-фазного стабилизатора напряжения.