Сущность явления перекоса фаз

Перекос фаз довольно распространенное явление в неравномерно нагруженных трехфазных сетях. Практически все, кто так или иначе сталкивался с проблемами, связанными с потреблением электроэнергии, знают об этом нежелательном явлении. Перекос фаз проявляется в трехфазных четырех- (пяти-) проводных сетях с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В.

Рис. 1. Векторная диаграмма напряжений

В идеальном состоянии фазное напряжение (напряжение между каждой из трех фаз и нулевым рабочим проводником) составляет 220 В. Векторная диаграмма напряжений генератора (модель, отображающая взаимосвязь и взаиморасположение фазных и линейных напряжений) показана на рисунке 1.

Линейные напряжения образуют равносторонний треугольник с вершинами UA, UB, UC. Фазные напряжения 0A, 0B и 0C равны между собой и сдвинуты друг относительно друга на угол 120°. Данная модель является идеальной и перекос фазных напряжений в ней отсутствует.

При подключении на разные фазы нагрузок, которые всегда отличаются по величине и по характеру - резистивная и реактивная (индуктивная и емкостная), в питающей сети возникает перекос фазных напряжений. Помимо вреда, который наносит электроэнергия низкого качества непосредственно электрооборудованию / электроприборам, возникают уравнительные токи, вызывающие дополнительные затраты электроэнергии, и, соответственно, топлива, масла, охлаждающей жидкости при питании от генератора.

Рис. 2. Схема, иллюстрирующая условия возникновения перекоса фаз

RA, RB, RC - активные сопротивления нагрузок по фазам, причем RA > RB > RC ≠ 0.

Если бы сопротивления нагрузки были равны, то протекающие через них токи так же были равны между собой. Учитывая то, что угол сдвига между ними равен 120°, то их геометрическая сумма равнялась бы нулю.

Однако при их неравенстве в результате суммирования возникает ток I00', который называется уравнительным и, следовательно, напряжение U00', которое называется напряжением смещения.

Рис. 3. Напряжение смещения

Графически напряжение смещения показано на рисунке 3 белой сплошной линией. Оранжевыми линиями обозначены фазные напряжения, сдвинутые друг относительно друга на произвольный угол и отображающие перекос фаз. Треугольник на фоне иллюстрирует идеальную ситуацию без перекоса фазных напряжений.

Чем больше уравнительный ток, тем больше потери электроэнергии в Вашей сети. Чем больше напряжение смещения, тем выше риск повреждений, отключений, отказов, неустойчивой работы электрооборудования / электроприборов, генератора электроэнергии, тем быстрее они изнашиваются и тем больше потребляют ресурсов.

Последствия перекоса фаз

Последствия перекоса фаз проявляются в увеличении электропотребления от сети, в неправильной работе электрооборудования / электроприборов, их сбоях, отказах, отключениях, перегорании предохранителей, износе изоляции. Для трехфазных автономных источников неравномерность загрузки их фаз чревата механическими повреждениями подшипников валов, подшипниковых щитов генератора и приводного двигателя, закоксовыванию форсунок и т.д.

Условно негативные последствия перекоса фаз можно разделить на три группы:

1) последствия для электрооборудования / электроприборов, связанные с их повреждениями, отказами, увеличением износа, сокращением периода эксплуатации;

2) последствия для источников электроэнергии (увеличение износа, повреждения, увеличение энергопотребления при питании от сети; повышенный расход топлива, масла, охлаждающей жидкости при питании от генератора; повреждения генератора; уменьшение назначенного срока эксплуатации);

3) последствия для потребителей, связанные с безопасностью, так как ухудшение качества изоляции может привести к:

• электротравматизму,
• возгоранию электропроводки или электрооборудования / электроприборов,
• короткому замыканию из-за повреждения изоляции,

а также последствия, связанные с увеличением затрат на:

• электроэнергию;
• расходные материалы для генератора;
• ремонт электрооборудования / электроприборов, поврежденных вследствие перекоса фаз;
• приобретение нового электрооборудования / электроприборов, отказавших вследствие перекоса фаз.

Традиционные способы решения проблем, связанных с электроэнергией низкого качества

Для обеспечения заданного напряжения на каждой из фаз традиционно используются стабилизаторы напряжения. В бытовых условиях применяют однофазные стабилизаторы напряжения, которые обеспечивают защиту отдельных электроприборов или их небольших групп. В промышленных условиях используются трехфазные стабилизаторы напряжения различной мощности, которые конструктивно состоят из трех однофазных стабилизаторов напряжения.

Принцип их действия таков, что они реагируют на отклонения на каждой отдельно взятой фазе и поднимают или опускают напряжение до необходимого уровня на своей фазе, провоцируя изменение напряжений на двух других фазах и являясь, таким образом, вторичной причиной возникновения перекоса фаз.

Из изложенного выше следует, что трехфазные стабилизаторы напряжения фактически не решают поставленную перед ними задачу, так как сами провоцируют несимметрию трехфазной системы. Помимо своего основного недостатка трехфазные стабилизаторы напряжения потребляют значительное количество электроэнергии и требуют значительных сервисных расходов, так как обладают низкой надежностью. И электромеханические, и электронные стабилизаторы напряжения имеют быстроизнашивающиеся и часто отказывающие детали.

Стабилизатор фаз (СФТСЗ)

Для решения задачи по устранению перекоса фаз и обеспечению заданного фазного напряжения необходимо использовать технологию, позволяющую выравнивать напряжение не на каждой из фаз по отдельности, а симметрировать фазы между собой, то есть симметрировать всю трехфазную систему. Такая технология может быть реализована на базе стабилизатора фаз, который обладает высокой эффективностью, малым потреблением электроэнергии и, при этом, обеспечивает существенное снижение потребления электроэнергии.

Стабилизатор фаз решает широкий спектр задач в части обеспечения устойчивой работы трехфазных сетей, повышения их энергоэффетивности и экономичности, а именно:

• повышение качества электроэнергии за счет устранение перекоса напряжений (фаз) и фазных нагрузок;
• снижение потребления электроэнергии и снижение соответствующих финансовых расходов;
• защита источника питания (генератора) и потребителей электроэнергии от отказов, вызванных негативным влиянием перекоса напряжений (фаз) и фазных нагрузок;
• предотвращение преждевременного выхода из строя источника питания (генератора), электрооборудования и электроприборов;
• снижение затрат на ремонт, сервисное обслуживание и замену электрооборудования / электроприборов;
• снижение затрат на топливо, масло, охлаждающую жидкость при питании сети потребителей от генератора;
• снижение затрат на генератор, так как универсальный стабилизатор фаз позволяет использовать генератор меньшей мощности;
• возможность подключения фазных потребителей мощностью до 50% трехфазной мощности.

Преимущества использования СФТСЗ

Экономичность:

Стабилизатор фаз обеспечивает:

• снижение потребления электроэнергии при сохранении нагрузки;
• снижение затрат на электроэнергию для питания электропотребителей;
• снижение расхода электроэнергии и других ресурсов на обеспечение необходимой величины фазных напряжений;
• снижение затрат на топливо, масло, охлаждающую жидкость при питании от генератора;
• снижение затрат на генератор, т.к. такая технология позволяет использовать генератор меньшей мощности для той же группы электропотребителей;
• снижение затрат на ремонт, сервисное обслуживание и замену электрооборудования / электроприборов, поврежденных вследствие перекоса фаз;
• снижение затрат на ремонт, сервисное обслуживание, приобретение устройств, предназначенных для обеспечения заданной величины напряжения и обладающих низкой надежностью и низкой эффективностью;
• возможность подключения фазных потребителей мощностью до 50% трехфазной мощности.

Диапазон изменения фазных напряжений

Представленная технология допускает 100%-ый перекос нагрузки и устраняет перекос фазных напряжений во всем диапазоне их изменения независимо от причины перекоса: (1) перекос в подводящей питающей сети, вызванный неисправностями в распределительной сети, (2) неравномерное распределение фазных нагрузок, (3) подключение мощного потребителя, (4) комбинированные причины.

На рисунке 4 показаны различные диапазоны перекоса фазных напряжений.

Рис. 4. Диапазон перекоса фазных напряжений

Прикладные задачи, решаемые с помощью применения представленной технологии:

• Устранение перекоса фазных напряжений, т.е. выравнивание фаз сети друг относительно друга.
• Равномерное распределение нагрузок по фазам.
• Обеспечение заданной величины линейных напряжений.
• Обеспечение заданной величины фазных напряжений.
• Преобразование трехфазной трехпроводной сети в трехфазную четырехпроводную (т.е. формирование нулевого рабочего проводника для возможности подключения фазной нагрузки).
• Преобразование трехфазной сети в однофазную или двухфазную:

• с гальванической развязкой,
• без гальванической развязки питающей сети и потребителя,
• с изменением (увеличением или уменьшением) выходного напряжения.

Ниже на рисунках представлены варианты подключения нагрузки без использования представленной технологии и с использованием представленной технологии.

Рис. 5. Подключение нагрузки напрямую к сети. Максимальная нагрузка на одну фазу составляет треть от трехфазной мощности источника электроэнергии

Подключение мощного однофазного электроприемника вызывает перекос фаз и повышает риск его повреждений и повреждений других электроприемников. Если мощность такого фазного потребителя превышает треть трехфазной мощности, это вызывает его неправильную работу (сбой, отключение, отказ).

Рис. 6. Подключение более мощной нагрузки к тому же (см. рис. 4) источнику электроэнергии с использованием представленной технологии

Максимальная нагрузка на одну фазу может составлять 50% от трехфазной мощности источника электроэнергии. Источник электроэнергии воспринимает нагрузку как равномерно распределенную по фазам.

Рис. 7. Подключение той же нагрузки (см. рис. 4) к генератору меньшей мощности с использованием представленной технологии

Представленная технология позволяет подключать ту же группу электроприемников к генератору электроэнергии меньшей мощности, при этом источник электроэнергии будет воспринимать нагрузку как равномерно распределенную по фазам.

Оборудование, производимое на основе данной технологии, сертифицировано и соответствует ТУ.

Результат повышения энергоэффективности при массовом внедрении

Массовое внедрение такой технологии позволит более рационально использовать электроэнергию, снизить ее потери; обеспечивать тех же потребителей (группы электроприемников) меньшим количеством электроэнергии; снизить затраты на электроэнергию, затраты на топливо, масло, охлаждающую жидкость при питании от генератора; продлить срок службы электроприемников, уменьшить их износ, обеспечить безотказную работу электроприемников; снизить расходы на источники электроэнергии, так как для той же группы электроприемников возможно использование генератора меньшей мощности.