Алгоритм - Учебный центр

Версия сайта для слабовидящих
Заполните форму ниже! Мы вам перезвоним!

Нажав на кнопку "Отправить", Я даю своё согласие на автоматизированную обработку указанной информации, распространяющейся на осуществление всех действий с ней, включая сбор, передачу по сетям связи общего назначения, накопление, хранение, обновление, изменение, использование, обезличивание, блокирование, уничтожение и обработку посредством внесения в электронную базу данных, систематизации, включения в списки и отчетные формы.


Трехфазная электрическая сеть.

Трехфазная трехпроводная электрическая сеть.

 Трехфазная  электрическая сеть предоставляет энергетикам огромные преимущества, от которых очень трудно отказаться и в обозримом будущем специалисты не видят ей реальной альтернативы. Трехфазная трехпроводная сеть создавалась для трехфазных нагрузок, в этом случае токи, потребляемые в каждой из фаз, одинаковы и все три фазных напряжения также одинаковы. Но если в трехфазную сеть включены однофазные нагрузки (копиры, принтеры, лампы, компьютеры и т. д.), сопротивления нагрузки в разных фазах могут оказаться неодинаковыми. Фазные напряжения в трехфазной сети в этом случае также станут разными. Если две фазы мало нагружены, а третья сильно, то напряжение в сильно нагруженной фазе будет ниже номинального (220В), а напряжение в недогруженных фазах будет больше номинального. Такое явление обычно называют перекосом фаз. Легко понять, что в перегруженной фазе из-за низкого напряжения оборудование может не работать, а в недогруженных фазах из-за перенапряжения оборудование может выходить из строя.

                Для того чтобы выровнять напряжения в трехфазной сети, в схему был введен еще один провод - нейтральный ("нейтраль"). Поэтому нейтральному проводу течет ток, компенсирующий разность токов в отдельных фазах, и благодаря этому напряжения в разных фазах выравниваются. Таким образом, изобретение Доливо-Добровольского доработали и получили четырехпроводную трехфазную электрическую сеть (рис. 1).

QIP Shot - Image: 2016-08-26 14:30:36 

Рис. 1. Четырехпроводная трехфазная электрическая сеть   

 Значительная часть мощности трехфазной электрической сети потребляется трехфазными нагрузками - электродвигателями станков, печами и т. п. Каждая из трехфазных нагрузок одинаково нагружает все три фазы сети. В случае, если основную часть мощности сети потребляют однофазные нагрузки (офисное здание, заводоуправление и прочее), необходимо распределить нагрузку по фазам более или менее равномерно. При трехфазной нагрузке токи в линейных проводах отличаются не более, чем на 25%, и поэтому ток в нейтральном проводе невелик. Он составляет не более 20% от среднего тока в линейных проводах. Типовые эпюры токов в трехфазной сети при трехфазной нагрузке приведены на рис. 2.

QIP Shot - Image: 2016-08-26 14:31:20 

Рис. 2.  Эпюры токов трехфазной сети

                 В расчете на эту типичную картину нейтральный провод обычно делают тоньше остальных проводов трехфазной электрической сети. Например, в трехфазном силовом кабеле, рассчитанном на мощность сети около 75 кВА, линейные провода имеют сечение 35 мм2, а нейтральный провод - 16 мм2. Это позволяет сэкономить много дорогой меди и обычно не представляет опасности, так как ток нейтрального провода невелик. Однако сейчас все больше появляется компьютеров, телевизоров и другой техники, имеющей импульсные источники питания в которых нет трансформаторов, а это в значительной степени ухудшает положение. Что же происходит? Для прояснения проблемы рассмотрим отличие линейных и нелинейных нагрузок в электрической сети.

                В линейных нагрузках зависимость тока от времени и напряжения от времени имеет синусоидальную форму (рис. 3).

QIP Shot - Image: 2016-08-26 14:31:54 

Рис. 3. Форма тока и напряжения в линейных нагрузках.

 Импульсные блоки питания (компьютеры, мониторы, принтеры и др.) являются нелинейными нагрузками, у которых при синусоидальном напряжении зависимость тока от времени не является синусоидальной (рис. 4). На рис. 5 хорошо видно, что импульсный блок питания потребляет ток только в моменты, когда напряжение близко к своему максимуму. В результате, великолепный механизм компенсации дисбаланса токов, на котором построена четырехпроводная трехфазная электрическая сеть, очень плохо работает с несинусоидальными токами. Проблемы, возникающие в этом случае, графически изображены на рис. 6. Действующие значения токов в каждой фазе одинаковы. Несмотря на это, ток в нейтральном проводе не равен нулю, как можно было бы ожидать. Его амплитуда примерно равна амплитуде токов в линейных проводах, а действующее значение существенно превышает действующее значение токов в линейных проводах. А вот теперь уместно вспомнить, что нейтральный провод может иметь меньшее сечение, чем линейные провода. Если трехфазная сеть нагружена импульсными потребителями хотя бы на 50%, то налицо опасная перегрузка нейтрального провода. Однако самое опасное то, что этой перегрузки никто не заметит. На нее не реагирует ни один прибор защиты, так как на нейтральном проводе не устанавливают измерительных и защитных приборов. Нейтральный провод по правилам техники безопасности запрещено защищать плавкими или автоматическими предохранителями.

QIP Shot - Image: 2016-08-26 14:32:29  

Рис. 4. Форма тока и напряжения в нелинейных нагрузках.

 

                Из-за перегрузки нейтрали происходят следующие неприятности:

                1) Повышенное тепловыделение на нейтральном проводе и, как следствие, его обрыв или пожар.

                2) Искажение формы кривой напряжения. Искажение формы напряжения в силовой сети чаще вызывается не перегрузкой линейного провода, как многие ошибочно думают, а перегрузкой более тонкого нейтрального провода. Характерным признаком искажений является плоская вершина синусоиды напряжения. Характерное следствие - искажение изображения на мониторах.

                3) Большое падение напряжения на нейтральном проводе. При значительных токах в нейтральном проводе малого сечения падение напряжение на нейтрали может быть довольно велико. Его амплитуда при этом может достигать десятков вольт.

                Рассмотрим подробнее последствия последнего пункта, так как с первыми двумя, думается, вопросов нет.

QIP Shot - Image: 2016-08-26 14:33:11 

Рис. 5. Действующее значение токов в каждой из фаз трехфазной сети.

QIP Shot - Image: 2016-08-26 14:33:43 

Рис. 6. Механизм подключения земли к нейтральному проводу.

 

В большинстве случаев заземление на предприятиях сводится к подключению "земли" (то есть третьего провода розетки) к нейтрали в силовом щите. Теперь рассмотрим пример организации, занимающей несколько этажей здания, и на каждом этаже есть отдельный щиток со своей землей. В результате токи, протекающие по нейтрали, создают разность потенциалов между "землями" этажей (щитков). Весь этот механизм представлен на рис.6.

                Если компьютеры организации соединены в локальную сеть, то это падение напряжение фактически оказывается приложенным между сетевыми платами компьютеров, расположенных на разных этажах. В результате происходят сбои при передаче информации, т. е. сеть начинает работать нестабильно без видимых причин, и, кроме того, это может приводить к выходу из строя сетевых карт.

                Каким же образом бороться с перегрузкой нейтрали? Самый простой и один из наиболее эффективных способов - применение понижающих разделительных трансформаторов. На вход такого трансформатора подается 380 В и этот трансформатор является линейной нагрузкой. В понижающей обмотке трансформатора получается напряжение 220 В (рис. 7).

QIP Shot - Image: 2016-08-26 14:34:17 

Рис. 7. Схема включения понижающего разделительного трансформатора.

 

                Как следует из рис. 7, ток в нейтраль не идет, так как входная обмотка трансформатора не имеет с ней контакта. Поэтому при использовании нейтральных проводов в качестве заземления помеха (падение напряжения) между землями не возникает. Помимо всего прочего, это решит проблему равномерного распределения нагрузки по фазам, так как оборудование, подключенное к трансформатору, нагружает не одну фазу, а две, причем одинаково.

QIP Shot - Image: 2016-08-26 14:34:47 

Рис. 8. Включение источника бесперебойного питания

 

Самым лучшим и радикальным способом решения проблемы перегрузки нейтрали (и не только этой проблемы) является применение источников бесперебойного питания с трехфазным входом и двойным преобразованием энергии (on-line) (рис. 8).

Центр электромагнитной безопасности в последние годы исследовал состояние систем электроснабжения напряжением 0,4 кВ в крупнейших зданиях Москвы, содержащих компьютерные сети численностью от двадцати до более чем тысячи компьютеров. Анализ результатов измерений, подкрепленный анализом зарубежных научно-технических публикаций IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers) показали, что Россия столкнулась с новой серьезнейшей проблемой. Суть ее состоит в том, что сети электроснабжения 0,4 кВ в зданиях, оснащенных компьютерной техникой, «заражены» высшими по отношению к промышленной частоте (50 Гц) гармониками. Проблема не является чисто российской — все страны на определенном этапе концентрации компьютерной техники столкнулись с ней и были вынуждены принимать решительные меры, включая кардинальное изменение технических регламентов эксплуатации, норм проектирования и разработки соответствующих стандартов. С учетом того, что наша страна, в ближайшем будущем рассчитывает на многократное увеличение компьютерного парка, актуальность проблемы будет возрастать. В недавнем прошлом большая часть электрической энергии потреблялась линейными нагрузками — лампами накаливания, нагревательными элементами (ТЭН), двигателями и другими подобными потребителями электроэнергии. С конца 90-х годов резко возросла доля нелинейных электропотребителей. В первую очередь это персональные компьютеры и файл-серверы, мониторы, копиры, лазерные принтеры, блоки бесперебойного питания (UPS) и прочее офисное оборудование; газоразрядные лампы и другие нелинейные электропотребители. Учитывая, что большинство офисов располагается в зданиях, построенных 15-30 лет назад, спроектированных и смонтированных для эксплуатации линейных электропотребителей, а также учитывая значительный рост нелинейных нагрузок в последнее время, необходим особый и сугубо профессиональный подход к эксплуатации систем электроснабжения таких зданий. Для предупреждения и решения проблем электроснабжения на объектах с большим числом компьютеров необходимо:

 - выделить полную номенклатуру всех электропотребителей общего назначения, относящихся к категории нелинейных и вызывающих генерацию повышенной доли высших гармоник в сетях электроснабжения;

 - сделать прогноз возможных последствий роста компьютерных нагрузок при расширении компьютерных сетей и особенно при использовании существующей системы электроснабжения (без ее модернизации); 

 - при проведении работ по диагностике и анализу систем электроснабжения в дополнение к действующим нормативным документам использовать стандарт США IEEE Recommended Practice for Industrial and Commercial Power System Analysis, IEEE Std 399-1997;

 - на объектах, где доля установленной мощности нелинейных электропотребителей превышает 10-15%, в целях предупреждения пожароопасных и аварийных ситуаций обязательно проводить диагностику состояния и прогнозирование работы сети электропитания с точки зрения оценки доли высших гармоник, качества электроэнергии, токовых нагрузок фазных и нулевых рабочих проводников с учетом несинусоидальности токов и напряжений;

  - необходимо учитывать фактор влияния нелинейности нагрузок электропотребителей и наличия высших гармонических составляющих при выполнении проектов реконструкции существующих систем электроснабжения и разработке новых проектов, в том числе при выполнении расчета условий тепловыделения, уровней падения напряжения в кабельных линиях и оценке влияния нелинейных нагрузок на качество питающего напряжения у конечных электропотребителей.

 

 

 


Лицензия