Дисбаланс фаз в трехфазных сетях переменного тока

Одна из самых распространенных проблем трехфазных сетей переменного тока – дисбаланс фаз. С этим связанна значительная часть поломок и аварий электрооборудования. Рассмотрим, что такое перекос фазных токов, основные причины его возникновения, влияние на параметры и срок службы электрических двигателей, особенности применения устройств плавного пуска для защиты.

Что такое дисбаланс фаз

Трехфазные сети характеризует 3 переменных напряжения, сдвинутых относительно друг друга по фазе на угол 120°. В большинстве промышленных систем электроснабжения напряжение между одним из фазных проводников и нулевой точкой составляет 220 В, между двумя фазами – 380 В. В идеальной сети напряжения между всеми фазами равны по величине, при равномерной нагрузке токи, протекающие по фазам также равны.

Дисбалансом называют неравенство токов, протекающих в фазных проводниках или несимметрию напряжений между ними. Под определение также попадает отклонение углов между фазам от 120°.

Перекос фаз вызывает ряд явлений в электрических цепях оборудование и установок, негативно сказывающихся на работе оборудования.

Основные причины дисбаланса

К несимметрии напряжений и токов могут приводить ряд причин. Самая распространенная – разная нагрузка на фазах. Дисбаланс такого типа обычно возникает при наличии однофазных потребителей значительной общей мощности.

На втором месте – ненормальная работа электрической сети. Это могут быть неравномерная нагрузка фаз питающего силового трансформатора, некорректные коэффициенты трансформации, неполадки генераторов.

Еще одна причина дисбаланса фаз – неисправности в системе электроснабжения. К перекосу приводят:

• обрыв нулевого проводника,
• высокое переходное сопротивление контактного соединения одного из фазных проводов,
• неравное сопротивление или замыкания,
• аварийные режимы на линии электропередач.

Несимметрия также может возникнуть:

• При разнице сопротивлений обмоток трансформатора или контактов коммутационных электроаппаратов, фазных проводников.
• При наличии мощных гармоник и электромагнитных помех.

Причинами дисбаланса также могут быть неисправности электрооборудования и возникновение резонансных колебаний в электрических цепях с выраженной емкостной и индуктивной нагрузкой.

Чем опасен дисбаланс фаз

Электрические двигатели очень чувствительны к несимметрии. Даже отклонение около 10% по току, от 4% по напряжению оказывают значительное негативное влияние на рабочие параметры, надежность и срок службы.

Главные признаки дисбаланса:

• Повышенный шум и вибрации при работе электропривода.
• Нетипичное увеличение частоты срабатывания тепловой защиты.
• Неравномерная скорость вращения вала.
• Повышение нагрева корпуса двигателя.

Перекос изменяет электромагнитные параметры и общее тепловидение двигателя. Рассмотрим процессы, происходящие при несимметрии подробнее.

При дисбалансе в обмотках двигателей возникают токи обратной последовательности, индуцирующие появление магнитного поля, вращающегося в противоположном направлении. При незначительных отклонениях общий момент остается положительным, однако наложение делает круговое магнитное поле эллиптическим. Кроме того, при прямом взаимодействии полей обратной последовательности и статора двигателя возникает пульсирующий момент, который вызывает вибрации, особенно заметные при перекосе фаз в цепях с синхронными двигателями.

Это:

• Уменьшает пусковой и максимальный момент.
• Значительно снижает кпд.
• Увеличивает потери и скольжение.

Ассиметрия фаз также превышает нагрев обмоток электродвигателя, наводит дополнительные вихревые токи в роторе и подшипниках, что значительно повышает общее тепловыделение.

При отсутствии специальных мер, компенсирующих перекос, требуется закладывать в проект избыточную мощность электродвигателей. Повышенный нагрев ускоряет старение изоляции обмоток, срок службы электрических машин уменьшается на 10-65% (в зависимости от значения коэффициента несимметрии). Кроме того, вихревые токи увеличивают износ подшипников.

Таким образом, дисбаланс увеличивает вероятность аварий, уменьшает промежутки между ремонтами двигателей, повышает стоимость и расходы на содержание электропривода.

Как УПП защищает от дисбаланса фазных токов

Идеальной симметрии токов и напряжений в реальных электрических сетях добиться нельзя, так как невозможно полностью устранить причины дисбаланса. ГОСТ 32144-2013 года в редакциях 2023-2024 года устанавливает требования к допустимой несимметрии.

Тип асимметрии	Определение	Нормативные значения
Дисбаланс тока по фазам	Разные значения токов в каждой фазе.	Рекомендованная разность – не более 10%
Асимметрия напряжений по фазе	Отклонение углов между фазами от 120°	Оценивается косвенно через коэффициент несимметрии
Несимметрия значения напряжений	Разные фазные напряжения	Рекомендуемое значение – 2%. Предельно допустимое значение 4%.

Для защиты от несимметрии(дисбаланса) принимают организационные меры: оптимальное распределение нагрузок между фазами при проектировании сетей, внедрение систем непрерывного мониторинга электрических параметров, регулярное проведение планово-предупредительного ремонта, введение стандартов энергетического менеджмента.

Наряду с организационными мероприятиями используют технические решения: устанавливают симметрирующие трансформаторы и электронные устройства, внедряют системы автоматического разделения нагрузок и т.д.

Самый недорогой способ защиты от асимметрии токов электродвигателя – установка устройства плавного пуска. Базовые функции УПП – плавный пуск, разгон и остановка электродвигателя. Это достигается регулированием напряжения или тока при старте и остановке. Запуск осуществляется на пониженном напряжении, которое постепенно повышают до достижения номинальной. Остановка осуществляется в обратном порядке – устройство плавного пуска постепенно уменьшает напряжение до заданного значение напряжения.

Защита от дисбаланса фазных токов – одна из дополнительных функций. УПП контролирует его значение по всем управляемым фазам, при недопустимом перекосе устройство выдает сигнал на отключение.

Процент дисбаланса для срабатывания защиты и его время устанавливаются в настройках УПП. Такие опции необходимы для предотвращения ложных срабатываний при допустимом перекосе фазных токов и длительности их протекания.

Таким образом, устройства плавного пуска отключают электропривод при асимметрии фаз, чтобы не допустить работы в ненормальном режиме. УПП не устраняет причины перекоса. При отключении с кодом ошибки «дисбаланс токов двигателя» необходимо:

• Измерить напряжения в каждой фазе сети.
• Проверить изоляцию обмоток электрического двигателя, качество контактных соединений.
• Провести диагностику силовой схемы устройства плавного пуска.

Если обнаруживается разница фазных напряжений в сети необходимо провести балансировку нагрузок или установить симметрирующие оборудование. При обнаружении межвитковых замыканий или обрыва фазы в электродвигателе– отремонтировать двигатель. При неисправностях УПП – заменить или отремонтировать устройство.