Что такое перекос фаз, почему он возникает и как его исправить?

Для энергоснабжения большинства современных зданий используется трехфазная четырех- (или пяти-) проводная сеть с глухозаземленной нейтралью.

В сети с 5 проводами - 3 провода это фазы, четвёртый провод это нулевой рабочий проводник (НРП), пятый провод - нулевой защитный проводник (НЗП).

В сети с 4 проводами - 3 провода это фазы, а четвёртый объединяет в себе НРП и НЗП.
 

Фазы соединяются в звезду с выведенным нулевым проводом.

Фазные потребители подключаются между соответствующей фазой и нулевым рабочим проводником (НРП). При этом нулевой защитный проводник (НЗП) служит для выполнения защитной меры "зануления".
 

В идеальной трехфазной сети напряжение каждой из трёх фаз равно 220В, а линейные напряжения равны друг другу и составляют 380В.

Отобразить взаимосвязь линейных и фазных напряжений нагляднее всего через векторную диаграмму.

На диаграмме слева мы видим идеальную ситуацию:

• напряжение каждой из трёх фаз равно 220В,
• их векторы сдвинуты на 120°,
• линейные напряжения равны друг другу и составляют 380В.

Перекос фаз (перекос напряжения, несимметрию, ассимметрию напряжения) в этой векторной диаграмме будет выглядеть следующим образом:

• линейные напряжения U_A'B', U_B'C', U_C'A' равны друг другу и составляют 380 В,
• напряжения каждой из трех фаз, U_0'A', U_0'B', U_0'C' не равны между собой,
• их векторы сдвинуты на произвольные углы.

Перекос фаз вызывает появление напряжения смещения U₀-U_0', которое значительно снижает КПД фазных потребителей, вызывает нарушение их работоспособности и отказы.

Существует как "внешний" перекос фаз, генерируемый госсетью (1), так и "внутренний", вызываемый собственными электропотребителями (2).

Фазный перекос неизбежно возникнет если неравномерно распределить потребителей электроэнергии по фазам. Но даже при равномерном распределении нагрузки по номинальной мощности, невозможно сохранить равномерность нагрузки из-за следующих факторов:

• несовпадение времени включения электропотребителей,
• длительность включения,
• потребляемая мощность электропотребителя в данный момент (техника может работать на разной мощности, в момент запуска могут возникать пусковые токи и т.д.),
• различные типы нагрузок (емкостная, индуктивная).

Поэтому перекос фаз в трёхфазной сети (без применения симметрирующего трансформатора) будет иметь место практически всегда. Вопрос лишь в его степени. Небольшой перекос (А) приводит к уменьшению срока службы приборов. Сильный перекос (Б) приводит к отключению приборов и даже отказу оборудования.

• Увеличение уровня потребления электроэнергии
• Уменьшение срока службы электроприборов
• Повышенный износ техники
• Непредсказуемое отключение потребителей
• Временный отказ оборудования
• Полный выход оборудования из строя
• Отключение резервного генератора
• Повышенное потребление топлива генератором
• Перегрев обмоток электродвигателей, замыкания

Основные функции симметрирующего трансформатора ТСТ:

• симметрирование фазных напряжений (устранение перекоса фаз) при электроснабжении потребителей от Госсети;
• равномерное распределение нагрузки по фазам при при электроснабжении потребителей от Госсети;
• равномерное распределение нагрузки по фазам для устранения перекоса фаз при электроснабжении потребителей от автономного источника ограниченной мощности (газо-, бензо-, дизель-генератора).

Диапазон мощностей модельного ряда:
от 10 кВА до 1000 кВА

Принцип действия ТСТ основан на эффекте симметрирования – за счет электромагнитного перераспределения нагрузки по фазам. Перераспределение осуществляется таким образом:

• 50% мощности остается на той фазе, к которой подключена нагрузка,
• по 25% мощности распределяется на две оставшиеся фазы.

Нагрузки подключаются на все три фазы, такое перераспределение позволяет сделать загрузку трехфазной сети значительно более равномерной.

 
Эффект от применения ТСТ:

• снижение уровня потребления электроэнергии;
• снижение расходов на ремонт и обслуживание электроприборов;
  уменьшение износа подключенного к сети оборудования;
• увеличение срока службы оборудования;
  обеспечение безотказной работы оборудования;
• обеспечение устойчивой работы дизель-генератора при работе на однофазную нагрузку;
• возможность подключения к генератору однофазных потребителей, мощность которых превышает мощность фазы генератора (на иллюстрации справа);
• возможность подключения мощных однофазных / двухфазных потребителей даже при наличии ограничений на потребляемую мощность (до 50% трехфазной мощности).

Внешний перекос фаз, генерируемый госсетью. Электроэнергия, поступающая от госсети на вводной распределительный щит предприятия, характеризуется значительным перекосом напряжений (фаз), который вызван неравномерной загрузкой фаз и потерей электроэнергии на стороне госсети. Это приводит к нарушению работоспособности и отказам электроприемников.
Решение: установка симметрирующего трансформатора между вводным распределительным щитом и потребителями, при этом одновременно устраняется влияние неравномерности загрузки фаз.

Внутренний перекос фаз, генерируемый собственными электроприемниками по причине неравномерного распределения нагрузки по фазам, либо даже при равномерном распределении невозможности учёта одновременности и длительности включения потребителей, разных типов нагрузки и т.д.
Решение: установка симметрирующего трансформатора между госсетью и потребителями.

Неустойчивая работа и отключение резервного источника питания (дизель-генератора) по причине отличия процентного соотношения загрузки фаз от номинального значения. Способность генератора работать на неравномерную нагрузку по фазам характеризуется коэффициентом нессиметрии. Если неравномерность нагрузки превосходит коэффициент несимметрии генератора, то он отключается.
Решение: установка симметрирующего трансформатора между дизель-генератором и потребителями.

Неисправности и отказы в работе устройств (компьютеры, оргтехника, устройства защиты, автоматизированные линии и прочие потребители электроэнергии) по причине значительного (на 10-15%) отличия напряжения фаз госсети от номинального. При этом отдельные потребители могут получать напряжение значительно ниже (выше) требуемого.
Решение: установка симметрирующего трансформатора между госсетью и потребителями.

Необходимость прямого подключения мощного двухфазного потребителя в сеть (например, в металлургии при подключения сталеплавильной ванны, в строительстве при подключении сварочных аппаратов). Прямое подключение мощных двухфазных потребителей в сеть вызывает значительный перекос напряжения в сети и возникновение большого тока в нулевом проводе. Также подключение мощной двухфазной техники бывает невозможно по причине различных требований потребителей по величине напряжения, что практически исключает нормальную работу других потребителей.
Решение: преобразование трехфазной сети в двухфазную с помощью симметрирующиего трансформатора.

Необходимость подключения более мощной однофазной нагрузки при наличии ограничений на потребляемую мощность.
Решение: установка симметрирующиего трансформатора ТСТ позволит включать однофазные электропотребители мощностью до 50% от трёхфазной.

Необходимость отогрева конструкций (например, в предприятиях водоканалов для отогрева трубопроводов; в аэропортах при подключении агрегатов тепловой обработки взлетной полосы).
Решение: отогрев электрическим током с помощью специальной модификациии трансформатора ТСТ-ОР