Jaké jsou škodlivé účinky nesouměrnosti tří fází v energetických systémech?

Nesouměrnost ve třífázové soustavě v energetických systémech způsobuje mnoho nepříznivých účinků, včetně zvýšených ztrát elektrické energie vedení, zvýšených ztrát elektrické energie distribučních transformátorů, snížení výkonové kapacity distribučních transformátorů, generování nulového proudu v distribučních transformátorech, ohrožení bezpečného provozu elektrických zařízení a snížení účinnosti elektrických motorů. Jak lze omezit nesouměrnost ve třífázové soustavě v energetických systémech? Následující část od společnosti Nantong Zhifeng Electric Technology Co., Ltd. podává podrobné vysvětlení škod způsobených nesouměrností ve třífázové soustavě a přístupů k jejich odstranění.

Škody způsobené nesouměrností ve třífázové soustavě v energetických systémech:

1. Zvýšené ztráty elektrické energie vedení

Ve třífázové čtyřvodičové síti dochází při průchodu proudu vodiči kvůli přítomnosti impedance nezbytně ke ztrátám elektrické energie, a tyto ztráty jsou úměrné druhé mocnině proudu. Když je nízkonapěťová síť napájena třífázovým čtyřvodičovým systémem, přítomnost jednofázových zátěží nezbytně způsobuje nesouměrné zatížení třífázové sítě. Za takových podmínek nesouměrné zátěže proud prochází také středním vodičem. To má za následek nejen ztráty v fazových vodičích, ale také ztráty ve středním vodiči, čímž se zvyšují celkové ztráty v síťových vedeních.

2.Zvýšené ztráty elektrické energie v distribučních transformátorech

Distribuční transformátor je hlavní napájecí zařízení v nízkonapěťové síti. Při provozu za podmínek nesouměrného zatížení třífázové sítě dochází ke zvýšení ztrát transformátoru, protože ztráty transformátoru se mění v závislosti na míře nesouměrnosti zátěže.

3. Snížení výstupu distribučního transformátoru

Při návrhu distribučního transformátoru je jeho vinutí založeno na podmínkách provozu při vyvážené zátěži, přičemž výkon vinutí je v podstatě rovnoměrný a jmenovitá účinnost každé fáze je stejná. Maximální přípustný výkon distribučního transformátoru je omezen jmenovitou účinností každé fáze. Když distribuční transformátor pracuje při nesouměrné zátěži ve třífázovém provozu, má málo zatížená fáze přebytečnou kapacitu, což vede ke snížení výkonu transformátoru. Míra poklesu výkonu souvisí s mírou nesouměrnosti třífázové zátěže. Čím větší je nesouměrnost, tím více klesá výkon distribučního transformátoru. V důsledku toho při provozu za podmínek nesouměrné třífázové zátěže nedosáhne výkonová kapacita distribučního transformátoru jmenovité hodnoty, jeho záložní kapacita se odpovídajícím způsobem sníží a jeho schopnost přetížení se zmenší. Pokud distribuční transformátor pracuje za podmínek přetížení, je velmi pravděpodobné, že dojde k ohřátí transformátoru, což v závažných případech může mít za následek dokonce i poškození transformátoru.

4. Generace nulového proudu distribučním transformátorem

Při provozu distribučního transformátoru za podmínek nesouměrného zatížení v trojfázovém systému se generuje nulová složka proudu. Tento proud se mění v závislosti na míře nesouměrnosti trojfázového zatížení; čím větší je nesouměrnost, tím větší je nulová složka proudu. Pokud v provozujícím distribučním transformátoru existuje nulová složka proudu, bude v jeho jádře generován magnetický tok nulové složky. (Na vysokonapěťové straně neexistuje nulová složka proudu.) Tím je tok nulové složky nucen procházet pouze stěnou olejové nádrže a konstrukčními ocelovými částmi. Protože magnetická propustnost ocelových částí je relativně nízká, při průchodu nulové složky proudu těmito ocelovými částmi vznikají ztráty vířivými proudy a histerezí, což způsobuje lokální zvýšení teploty a ohřev ocelových částí transformátoru. Izolace vinutí distribučního transformátoru se v důsledku přehřátí urychleně stárne, čímž se zkracuje životnost zařízení. Kromě toho přítomnost nulové složky proudu zvyšuje ztráty distribučního transformátoru.

5. Dopad na bezpečný provoz elektrického zařízení

Transformátor je navržen na základě vyvážených trojfázových zatěžovacích podmínek, přičemž odpor, rozptylová reaktance a magnetizační impedance každé fázové cívky jsou v podstatě identické. Pokud transformátor pracuje při vyváženém trojfázovém zatížení, jsou proudy ve všech třech fázích v podstatě stejné a úbytky napětí v každé fázi transformátoru jsou také v podstatě stejné. Proto jsou výstupní napětí transformátoru ve všech třech fázích vyvážené. Pokud transformátor pracuje při nevyváženém trojfázovém zatížení, budou výstupní proudy jednotlivých fází nestejné a vnitřní úbytky napětí fází transformátoru se budou lišit, což nevyhnutelně povede k nevyváženosti napětí ve výstupních fázích transformátoru.

Současně, když distribuční transformátor pracuje při nesouměrné zátěži tří fází, jsou výstupní proudy tří fází nestejné, což způsobuje průtok proudu neutrálním vodičem. To vyvolá úbytek napětí na impedanci v neutrálním vodiči, což vede k posunu neutrálního bodu a následně ke změně fázových napětí jednotlivých fází. Napětí na silně zatížené fázi klesá, zatímco napětí na slabě zatížené fázi stoupá. Napájení za podmínek nesouměrného napětí může snadno poškodit elektrická zařízení připojená na fázi s vyšším napětím, zatímco zařízení připojená na fázi s nižším napětím mohou selhat v provozu. Proto provoz za nesouměrné třífázové zátěže vážně ohrožuje bezpečný provoz elektrických zařízení.

6. Snížení účinnosti elektrického motoru

Když distribuční transformátor pracuje v podmínkách nesouměrného zatížení ve třífázovém systému, způsobuje nesouměrnost ve výstupním napětí. Protože nesouměrné napětí obsahuje kladné, záporné a nulové sekvenční složky napětí, při působení takového nesouměrného napětí na elektrický motor generuje záporná sekvenční složka otáčející se magnetické pole opačného směru než pole vyvolané kladnou sekvenční složkou, čímž vzniká brzdný účinek. Nicméně, protože magnetické pole kladné sekvenční složky je výrazně silnější než magnetické pole záporné sekvenční složky, elektrický motor nadále rotuje ve směru magnetického pole kladné sekvenční složky. V důsledku brzdného účinku magnetického pole záporné sekvenční složky se nevyhnutelně snižuje výkon elektrického motoru, což vede ke snížení účinnosti motoru. Současně se s rostoucím stupněm nesouměrnosti třífázového napětí zvyšuje i teplotní nárůst a ztráty jalového výkonu elektrického motoru. Proto je provoz elektrického motoru v podmínkách nesouměrnosti třífázového napětí velmi neekonomický a nebezpečný.