Перекос фаз в трехфазной сети — чем опасен и когда возникает

Классическая электрическая сеть до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью в идеальном состоянии может быть изображена в виде равностороннего треугольника. Каждая вершина фигуры – фаза А, В или С, а расстояние между ними – векторы линейного напряжения 380 В. В центре треугольника располагается нейтраль N, и расстояния от неё до каждой из фаз также одинаковы. Когда модули данных векторов отличаются, возникает негативное для электротехники явление – перекос фаз. То есть, если значение фазного напряжения по векторам AN, BN и СN составляет не 220 В, а, например, 200, 180 и 240 В, это говорит о нестабильной работе контура. Подобное состояние сети опасно не только для электрического оборудования, но и для человека, который его эксплуатирует.

Что такое перекос фаз

Перекос фаз – это такое состояние электрической сети, состоящей из нескольких фаз, при котором модули напряжений фазных токов, а также углы между их векторами имеют разные значения. Такое явление вызывает асимметрию токов и нестабильную работу всей сети, когда линейные напряжения остаются константами, а фазовые имеют переменные значения.

В чём опасность перекоса фаз

Перекос напряжения по фазам, причины которого заключаются в неправильном подключении оборудования, является неблагоприятным явлением. Это вызывает резкое снижение качества электроэнергии и эффективность работы включённых в сеть потребителей. Асимметрия фаз может вызвать следующие негативные последствия:

• Если наблюдается скачок напряжения, электроприбор может его не выдержать и сгореть. Такого сценария можно избежать, при условии срабатывания автомата в щитке.
• Когда напряжение в сети падает, мощность работы электрооборудования не позволяет добиться эффективности его работы. При включении приборов в сеть, возрастает пусковой ток, что значительно увеличивает нагрузку.
• Асимметрия фаз может вызвать повышенный расход электроэнергии.
• Чтобы понять, чем опасен перекос фаз в трехфазной сети, следует изучить диапазоны напряжений, при котором приборы, включённые в сеть, будут работать бесперебойно. Как правило, при перекосе фаз, снижается их ресурс, заявленный производителем.

Помимо перечисленных последствий, большая разница в напряжениях между фазами и нейтралью может привести к возникновению короткого замыкания. Последствия данного явления непредсказуемы – от штатного срабатывания УЗО до выгорания проводки и электрических частей оборудования, вплоть до возникновения пожара.

Допустимые нормы напряжения в трёхфазной сети

Идеальная симметрия распределения напряжения между фазами и нейтралью при работе сети невозможно. В связи с этим, согласно ГОСТ 13109-97, допускаются следующие отклонения:

• При стандартной работе оборудования предельный показатель асимметрии распределения нагрузок не может превышать 15%. То есть, каждое значение модуля напряжения AN, BN или CN находится в пределах от 187В до 253В.
• При монтаже электрической схемы с использованием распределительного щита, включающим несколько контуров, показатели перекоса фаз могут быть увеличены в 2 раза – до 30%.

Большинство современных электроприборов имеют внутреннюю защиту, либо стабилизаторы, позволяющие исключить поломку при асимметрии в пределах нормативных значений.

Признаки нестабильной работы электрических приборов, вызванные перекосом фаз

Определить признаки перекоса фаз в сети можно невооружённым глазом. Как правило, электрооборудование сразу даёт знать об асимметрии распределения напряжений между фазами:

• Любая световая индикация приборов начинает мерцать, либо горит слишком тускло.
• Если эксплуатация оборудования подразумевает работу нагревающейся спирали, тепловая энергия не позволяет набрать заявленную производителем мощность.
• Слабый набор оборотов крыльчатки электромоторов, что снижает частоту работы движущихся частей оборудования, например, барабана стиральной машины, лопастей вентилятора или воздушного насоса пылесоса.

Что касается работы сложных электронных приборов – телевизоров или компьютерной техники, при перекосе фаз они и вовсе могут не подавать признаков жизни, не реагировать на включение питания.

Негативные последствия перекоса

Перекос фаз в трехфазной цепи, влекущий неравномерное распределение напряжений, является негативным фактором для работы всей сети. При возникновении подобного явления, наблюдается ряд неблагоприятных последствий:

• Повреждение оборудования.
• Выгорание проводки и обмотки электромоторов.
• Снижение эксплуатационного периода бесперебойной работы техники.
• Постоянная нагрузка на системы аварийного отключения сети.
• Механические повреждения источников электрической энергии.
• Увеличение затрат на оплату электроэнергии в связи с её неконтролируемым расходом.
• Частая поломка приборов, потеря гарантии, расходы на ремонт.
• Риск возгорания, короткого замыкания, получения травмы.

Перекос фаз является аварийной ситуацией, и, при возникновении данного явления необходимо предпринять срочные меры по его устранению.

Неравномерное подключение нагрузки

Перекос фаз вызывается неравномерным подключением нагрузки при сборке цепи. Как правило, это свидетельствует о низкой квалификации монтажника и совершении грубых ошибок:

• При большом количестве потребителей электроэнергии, они должны быть включены в сеть по группам, а распределение мощности, при этом, должно происходить равномерно. Если потребители сгруппированы неравномерно, это может вызвать асимметрию в распределении нагрузок.
• При случайном или ошибочном отсоединении нейтрали от общей цепи.
• При ошибочном подключении заземления через фазный провод.

Все перечисленные ошибки неизбежно влекут за собой перекос фаз с негативными последствиями для оборудования. Если на одной из кабельных жил трёхфазной сети наблюдается снижение напряжения, то остальные провода находятся под действием повышенной нагрузки, что и приводит к асимметрии.

Импульсные блоки питания

Многие производители, выпускающие высокотехнологичное оборудование со сложной электроникой, пытаются избежать риска перекоса фаз путём включения в цепь импульсных блоков питания. Данные устройства позволяют добиться определённых эффектов, положительно влияющих на работу оборудования:

• ИБП изменяют форму гармонических электрических колебаний, выравнивая их траекторию до состояния идеальной синусоиды. Устройство работает по принципу нелинейного распределения нагрузки между фазами.
• Устройства успевают потреблять электрический ток до создания предельной разности потенциалов в цепи. Если же разность потенциалов невелика, то ИБП вообще перестаёт потреблять ток. Это приводит к выравниванию перекоса и стабилизации работы электрооборудования.

Каждый компьютер, телевизор или бытовой электроприбор, оснащённый электронной микросхемой, снабжается импульсным блоком питания, что позволяет существенно продлить их ресурс и исключить сбои в работе.

Методы защиты

На практике существует несколько способов защиты оборудования от перекоса фаз в электрической сети:

• При выборе кабельной жилы, выдерживающей повышенную нагрузку, вызываемую перекосом фаз.
• Корректное включение потребителей электроэнергии в сеть с равномерным распределением нагрузки между фазами.
• Включение в сеть дополнительного стабилизирующего оборудования, выравнивающего асимметрию при эксплуатации бытовых приборов.
• Перед организацией бытовой сети следует предварительно разработать проект, создать схему подключения и учесть равномерное распределение нагрузки на каждый элемент цепи.
• Устройство в распределительном щитке реле, позволяющего вести контроль фаз.

При устройстве протяжённой сети с приборами, работающими одновременно, лучшим решением избавиться перекоса фаз будет устройство трансформатора, способного одновременно стабилизировать работу сети и выдавать нужные параметры тока.

Обрыв нейтрального проводника

Обрыв нейтрального проводника является самой явной и частой причиной возникновения перекоса фаз. Данное явление относится к аварийному состоянию и характеризуется следующими особенностями:

• Любое однофазное оборудование почти сразу даёт сбой в работе и сгорает.
• Формирующееся в бытовой сети напряжение в 220В мгновенно преобразуется в 380В.
• Классическая схема равностороннего треугольника с лучевыми векторами, соединённым с нейтралью в центре нарушается, вызывая асимметрию при распределении фазных напряжений.

При обрыве нейтрального проводника в щитке должен немедленно сработать автомат аварийного отключения питания. Для возобновления нормальной работы схемы требуется срочно устранение неполадки.

Последствия обрыва нулевого проводника

При обрыве нулевого проводника, как правило, возникают следующие неблагоприятные последствия:

• Функция нейтрали перенимается фазной жилой, которая подвержена максимальной нагрузке.
• Напряжение на данной жиле возрастает до предельных 380В, в то время, как в самом слабо нагруженном кабеле она, наоборот, падает, вплоть до 127В.
• При работе всех потребителей в точке подключения приборов будет наблюдаться напряжение 380В на обеих фазах без нуля. Это приведёт к непроектной нагрузке на каждый электроприбор, и их поломке. При эксплуатации сети с оборванным нулевым проводником длительное время, импульсные блоки питания также выходят из строя, что влечёт за собой выгорание сложных электронных приборов.
• Приборы, включённые в конец электрической цепи, подвергаются риску возгорания, так как при перекосе фаз на них часто наблюдается некорректная работа УЗО.

Самые тяжёлые последствия обрыва нулевого провода при отсутствии заземляющего кабеля наблюдаются, когда возникает КЗ, и проводниковые части оборудования находятся под напряжением. В таких ситуация возрастает риск поражения электрическим током, что влечёт за собой угрозу здоровью.

Методы защиты

Чтобы избежать обрыва нулевого проводника или обеспечить должную защиту, следует провести следующие мероприятия:

• Все кабели в схеме должны быть подключены корректно, с соблюдением последовательности. Работа должна выполняться профессиональным монтажником, имеющим доступ к работе с электроустановками не ниже 3 разряда.
• Необходимо периодически контролировать надёжность соединения клемм в щитке. Неплотный контакт влечёт за собой искру, окисление металлических частиц и, как следствие, их оплавление.
• Если кабель прокладывается воздушным способом, его необходимо защитить от негативных воздействий окружающей среды – ветровых и гололёдных нагрузок.
• УЗО, включённые в цепь для аварийного отключения должны быть точно рассчитаны на критическую нагрузку и срабатывать в кратчайшее время.
• Избежать обрыва нулевого проводника удаётся, если на линии устанавливается стабилизирующее устройство, позволяющее выравнивать перекос фаз.

Таким образом, чтобы избежать аварии, требуется уделить повышенное внимание качественному монтажу, установке дополнительных защитных устройств, а также периодически проводить контрольные и профилактические работы электрической цепи.

Причины перекоса фаз в однофазной сети

Перекосу фаз способствуют несколько причин, которые классифицируются на внутренние, связанные с работой сети и внешние:

1. Внутренние причины:

• Неравномерная нагрузка по фазам при включении потребителей в цепь.
• Пренебрежение коэффициентом единовременной работы электроприёмных устройств.
• Ошибки учёта неравномерности нагрузок, в зависимости от её типа – индуктивной или ёмкостной.

2. Внешние причины:

• Поломка на линии высокого напряжения, подходящей к трансформатору.
• При наличии дефектов на электроизоляторах внешней кабельной линии.
• Если в общую высоковольтную линию включаются потребители с несравнимо большей мощностью.

Чаще всего, причиной перекоса фаз и необходимостью установки защитных устройств являются комбинации внешних и внутренних факторов. Это требует комплексного обследования всей кабельной линии при возникновении неисправности.

Защита от перекоса фаз в однофазной сети

Для обеспечения защиты перекоса фаз в однофазной сети необходимо обеспечить включение в цепь следующих устройств:

• Скачки напряжения улавливаются автоматами защитного отключения, которые вовремя размыкают цепь, предотвращая выход оборудования из строя.
• Для постоянного контроля асимметричного перераспределения нагрузок, в сеть устанавливается стабилизатор напряжения. При установке прибора достигается защита от перекоса фаз.
• Для стабильности работы однофазной сети, профессионалы также рекомендуют устанавливать специальные трансформаторы, обеспечивающие симметричное распределение нагрузок.

В отдельных случаях допускается применение конденсаторов с переменной ёмкостью и малой проводимостью тока.

Устранение перекоса фаз

Перекос фаз может быть устранён несколькими методами. Исправление данного негативного явления путём включения в сеть дополнительного оборудования менее эффективно, изначально выбранное корректное подключение:

• Учитывая, что перекос фаз является аварийной ситуацией, его легко можно устранить путём перераспределения нагрузок. Для этого все потребители включаются в цепь таким образом, чтобы на каждый автомат приходилось равномерное распределение нагрузки.
• При обрыве кабеля необходимо устранить неисправность.
• Во время подключения оборудования следует учитывать коэффициент одновременного использования каждого прибора, чтобы исключить образование пиковых нагрузок на одной фазе.

При выполнении всех приведённых выше условий, перекоса фаз можно избежать, если проблема не будет касаться внешних факторов и проблем с функционированием высоковольтной сети.

Причины перекоса фаз в трехфазной сети

Определить причину перекоса фаз в трехфазной сети очень просто для этого необходимо проверить оборудование на наличие одной из трёх возможных неисправностей, связанных с возникновением асимметрии и скачками напряжения:

• Неправильное распределение между однофазными потребителями электроэнергии в сети с одновременным включением, что влечёт за собой перегрузку одной фазы и недогрузку другой.
• В случае дефекта нулевого кабеля, что вызывает резкий скачок напряжения, когда одна из фазных жил начинает выполнять роль нейтрали.
• При заземлении фазного провода, что влечёт за собой КЗ и срабатывание автоматического защитного устройства.

При выявлении любой из перечисленных выше причин, необходимо устранить проблему для нормальной работы всех электрических приборов, включённых в сеть.

Защита от перекоса фаз в трехфазной сети

Для обеспечения защиты от перекоса фаз до возникновения негативных необратимых последствий, следует провести ряд профилактических мероприятий:

• Интеграция в сеть реле контроля фазного тока. Устройство обеспечивает непрерывное считывание показателей скачков напряжения. На приборе заранее выставлены граничные условия, при достижении которых он автоматически обеспечивает расцепление цепи.
• Перед включением в сеть оборудования необходимо провести проверку фазных жил и нейтрали на предмет обрыва и надёжности контактов.
• Включение в общую сеть 3-фазных стабилизирующих приборов. Перед приобретением следует ознакомиться с техническими характеристиками, так как выравнивание напряжения неизбежно влечёт за собой потерю мощности.

Для обеспечения бесперебойной работы сети на весь период эксплуатации, следует установить трансформатор, обеспечивающий симметрию распределения нагрузок, вне зависимости от количества и мощности потребителей.

Устранение перекоса фаз в трехфазной сети

Чтобы устранить перекос фаз в трёхфазной сети, необходимо последовательно выполнить определённые шаги:

• Изменить схему подключения электроприборов в сеть с перераспределением нагрузок, исходя из их единовременной эксплуатации.
• Изначальная сборка цепи по заранее разработанному проекту, исключающему явление асимметрии.
• Включение в сеть трёхфазного стабилизатора, рассчитанного на предельно допустимую на данном контуре нагрузку.

Для устранения последствий перекоса, требуется установка автоматов с корректно подобранными параметрами.

Расчет перекоса фаз

Расчёт перекоса фаз можно выполнить в одно действие по формуле:

U_min / U_max * 100%,

U_min – минимальное напряжение на одной из фаз,

U_max – максимальное напряжение на противоположной фазе.

Является безразмерной величиной, который определяется в % от номинального значения напряжения в сети.

Допустимый перекос по фазам ПУЭ

Согласно ПУЭ, которые являются нормативной документацией, допустимый перекос фаз в трехфазной сети составляет следующие величины:

• Если перекос определяется в распределительных щитках (РЩ), предельное отношение напряжений не может достигать более 30%.
• В случае, когда дисбаланс наблюдается на ВРУ – вводно-распределительных устройствах – 15%.
• При выявлении асимметрии на обратной последовательности – 2%.
• Перекос фаз на прямой последовательности должен быть не более 4%.

При выявленных отклонениях в пределах указанных диапазонов, эксплуатация электроустановок не влечёт за собой поломку оборудования и исключает КЗ, что снижает риск поражения током. Допустимый перекос фаз по току ПУЭ сравнивается с фактическим показателем на основании проведённых замеров, что позволяет дать заключение о работоспособности сети.

Заключение

Перекос фаз в трехфазной сети – это негативное явление, возникающее при некорректном распределении нагрузок между глухозаземлённой нейтралью и фазным кабелем. Как правило, причиной таких неполадок может быть неправильная сборка цепи и пренебрежение коэффициентом совместного использования оборудования, включенного в неё. Все работы по подключению необходимо вести в строгом соответствии с проектом, а в сеть интегрировать стабилизирующие устройства. Для устранения перекоса фаз следует изменить схему подключения сети, либо установить на вводе специальный трансформатор.