Hvad er skaderne ved trefase ubalance i elsystemer?

Tre-fase ubalance i elsystemer medfører mange uønskede effekter, herunder øget elektrisk energitab i ledninger, øget elektrisk energitab i fordelingstransformere, reduceret afgangskapacitet for fordelingstransformere, dannelse af nulfølgestrøm i fordelingstransformere, påvirkning af driftssikkerheden for elektrisk udstyr og reduceret effektivitet af elektriske motorer. Hvordan kan tre-fase ubalance i elsystemer afhjælpes? I det følgende afsnit fra Nantong Zhifeng Electric Technology Co., Ltd. gives en detaljeret forklaring på skaderne ved tre-fase ubalance samt løsningsmuligheder.

Skader forårsaget af tre-fase ubalance i elsystemer:

1. Øget elektrisk energitab i ledninger

I et trefaset firesystem med nulleder, opstår energitab uundgåeligt, når strøm løber gennem faselederne, på grund af impedans, og dette tab er proportionalt med kvadratet af strømmen. Når lavspændingsnettet forsynes af et trefaset firesystem, fører tilstedeværelsen af enfasede belastninger uundgåeligt til en ubalance i den trefasede belastning. Under sådanne ubalanceforhold løber strøm gennem nullederen. Dette medfører ikke kun tab i faselederne, men også tab i nullederen, hvilket øger de samlede tab i kraftnettet.

2.Øgede elektricitetstab i distributions-transformere

Transformeren er det primære forsyningsudstyr i lavspændingsnettet. Når den arbejder under forhold med ubalance i den trefasede belastning, medfører det øgede transformertab, fordi tabet i transformatoren varierer med graden af belastningsubalance.

3. Reduktion af fordelingstransformatoroutput

Ved design af en fordelingstransformator er dens viklingsstruktur baseret på balancerede belastningsdriftsbetingelser, med i princippet ensartet viklingseffekt og lige stor mærkeeffekt for hver fase. Den maksimale tilladte outputeffekt for fordelingstransformatoren begrænses af mærkeeffekten for hver fase. Når fordelingstransformatoren arbejder under forudsætning af en ubalance i trefasebelastningen, har den letbelastede fase overskydende kapacitet, hvilket fører til en reduktion af transformatorens output. Graden af outputreduktion afhænger af omfanget af trefasebelastningsubalancen. Jo større ubalance, desto mere reduceres fordelingstransformatorens output. Som følge heraf kan fordelingstransformatorens outputkapacitet ikke nå sin mærkeværdi, når den arbejder under forudsætning af en trefasebelastningsubalance, dens reserverede kapacitet reduceres tilsvarende, og dens overbelastningskapacitet mindskes. Hvis fordelingstransformatoren arbejder under overbelastningsforhold, er der stor sandsynlighed for, at transformatoren opvarmes, og i alvorlige tilfælde kan det endda føre til, at transformatoren brænder sammen.

4. Generering af nulfølgestrøm ved fordelingstransformatoren

Når fordelingstransformatoren arbejder under forhold med ubalance i trefasen, genereres en nulfølgestrøm. Denne strøm varierer med graden af ubalance i trefasen; jo større ubalance, desto større nulfølgestrøm. Hvis der findes nulfølgestrøm i den driftsmæssige fordelingstransformator, vil der genereres nulfølgemagnetisk flux i dens kerne. (Der er ingen nulfølgestrøm på højspændingssiden.) Dette tvinger nulfølgemagnetiske flux til udelukkende at passere gennem oljetankens væg og de stålkonstruktioner. Da den magnetiske permeabilitet i ståldelene er relativt lav, opstår der hysteresetab og virvelstrømstab, når nulfølgestrømmen passerer gennem disse ståldelene, hvilket medfører lokal temperaturstigning og opvarmning af transformatorens ståldelene. Isoleringen af viklingerne i fordelingstransformatoren ældnes hurtigere på grund af overophedning, hvilket resulterer i en reduceret levetid for udstyret. Desuden øger tilstedeværelsen af nulfølgestrøm tabene i fordelingstransformatoren.

5. Virkning på den sikre drift af elektrisk udstyr

Fordelingstransformatoren er designet ud fra afbalancerede trefaset belastningsdriftsbetingelser, hvor modstanden, spredningsreaktansen og magnetiseringsimpedansen i hver fases viklinger i bund og grund er identiske. Når fordelingstransformatoren opererer under afbalancerede trefaset belastninger, er de tre faser strømme i bund og grund ens, og spændingsfaldene inden for hver fase i transformatoren er også i bund og grund de samme. Derfor er transformatorens trefasede udgangsspændinger afbalancerede. Hvis fordelingstransformatoren opererer under trefaset belastningsubalance, vil udgangsstrømmene for hver fase være ulige, og transformatorens indre spændingsfald vil variere fra fase til fase, og dette vil uundgåeligt føre til trefaset spændingsubalance ved transformatorens udgang.

Samtidig, når fordelingstransformatoren arbejder under en trefaset belastningsubalance, er de trefasede udgangsstrømme ulige, hvilket resulterer i strøm, der flyder gennem den neutrale leder. Dette forårsager et impedansspændingsfald i den neutrale leder, hvilket fører til forskydning af nulpunktet og ændrer fasespændingerne for hver fase. Spændingen i den stærkt belastede fase falder, mens spændingen i den svagt belastede fase stiger. At levere strøm under forhold med spændingsubalance kan let føre til, at elektrisk udstyr, der er tilsluttet den højere spændingsfase, bliver skadet, mens udstyr, der er tilsluttet den lavere spændingsfase, måske ikke fungerer. Derfor udgør drift under trefaset belastningsubalance alvorlig fare for den sikre drift af elektrisk udstyr.

6. Reduktion af elmotoreffektivitet

Når en fordelingstransformator arbejder under forudsætning af ubalance i trefasen belastning, medfører det ubalance i udspændingen. Da den ubalancerede spænding består af positiv-følge, negativ-følge og nulfølgespændingskomponenter, opstår et roterende magnetfelt modsat det, der frembringes af positiv-følgespændingen, når en sådan ubalanceret spænding påsættes en elmotor, hvilket udøver en bremsevirkning. Dog, fordi det positiv-følge magnetfelt er væsentligt stærkere end det negativ-følge magnetfelt, fortsætter elmotoren med at rotere i retning af det positiv-følge magnetfelt. På grund af bremsevirkningen fra det negativ-følge magnetfelt, vil elmotorens afgivne effekt uundgåeligt falde, hvilket resulterer i reduceret motor-effektivitet. Samtidig stiger temperaturen og reaktive effekttab i elmotoren også i takt med graden af ubalance i trefasespændingen. Derfor er det at drive en elmotor under forudsætning af ubalance i trefasespændingen meget uøkonomisk og usikkert.