Welche sind die Schäden durch eine unsymmetrische Belastung in Drehstromsystemen?

Eine unsymmetrische Belastung im Drehstromsystem verursacht zahlreiche negative Auswirkungen, einschließlich erhöhter elektrischer Energieverluste in Leitungen, erhöhter elektrischer Energieverluste in Verteiltransformatoren, verringerter Ausgangskapazität von Verteiltransformatoren, Entstehung von Nullfolgeströmen in Verteiltransformatoren, beeinträchtigter sicherer Betriebsführung elektrischer Geräte und verringerter Effizienz von Elektromotoren. Wie lässt sich eine unsymmetrische Belastung im Drehstromsystem reduzieren? Der folgende Abschnitt von Nantong Zhifeng Electric Technology Co., Ltd. erläutert detailliert die durch eine unsymmetrische Drehstrombelastung verursachten Schäden sowie Verbesserungsmaßnahmen.

Durch unsymmetrische Belastung im Drehstromsystem verursachte Schäden:

1. Erhöhte elektrische Energieverluste in Leitungen

In einem dreiphasigen Vierleiter-Netz entstehen elektrische Energieverluste unvermeidlich, wenn Strom durch den Leiter fließt, da diese Verluste proportional zum Quadrat des Stroms sind und durch das Vorhandensein von Impedanz verursacht werden. Wenn das Niederspannungsnetz über ein dreiphasiges Vierleitersystem gespeist wird, führt das Vorhandensein einphasiger Lasten unweigerlich zu einer Unsymmetrie der dreiphasigen Last. Unter solchen unsymmetrischen Lastbedingungen fließt Strom durch den Neutralleiter. Dies führt nicht nur zu Verlusten in den Phasenleitern, sondern auch im Neutralleiter, wodurch die Gesamtverluste in den Leitungen des Stromnetzes zunehmen.

2.Erhöhte elektrische Energieverluste in Verteiltransformatoren

Der Verteiltransformator ist die primäre Stromversorgungseinrichtung im Niederspannungsnetz. Wenn er unter dreiphasigen Lastunsymmetrien betrieben wird, verursacht dies einen Anstieg der Transformatorverluste, da die Leistungsverluste des Transformators mit dem Grad der Lastunsymmetrie variieren.

3. Reduzierung der Ausgangsleistung des Verteilungstransformators

Bei der Konstruktion eines Verteilungstransformators basiert seine Wicklungsstruktur auf Bedingungen eines ausgewogenen Lastbetriebs, wobei im Wesentlichen gleichmäßige Wicklungsleistungen und gleiche Nennleistungen je Phase vorliegen. Die maximal zulässige Ausgangsleistung des Verteilungstransformators wird durch die Nennleistung je Phase begrenzt. Wenn der Verteilungstransformator unter Bedingungen einer ungleichmäßigen Dreiphasenlast betrieben wird, weist die schwach belastete Phase eine überschüssige Kapazität auf, was zu einem Rückgang der Transformatorausgangsleistung führt. Das Ausmaß dieser Leistungsreduktion hängt von dem Grad der Dreiphasenlastasymmetrie ab. Je größer die Asymmetrie, desto stärker sinkt die Ausgangsleistung des Verteilungstransformators. Folglich kann unter Bedingungen einer ungleichmäßigen Dreiphasenlast die Ausgangsleistung des Transformators ihren Nennwert nicht erreichen, seine Reservekapazität entsprechend reduziert werden und seine Überlastfähigkeit verringert sein. Wenn der Verteilungstransformator unter Überlastbedingungen betrieben wird, kann dies sehr wahrscheinlich zu Erwärmung des Transformators führen, im Extremfall sogar zu einem Transformatorschaden.

4. Erzeugung von Nullstrom durch den Verteilungstransformator

Wenn der Verteiltransformator unter ungleichmäßiger Dreiphasenlast arbeitet, entsteht ein Nullstrom. Dieser Strom variiert je nach Grad der Dreiphasenlastungleichheit; je größer die Ungleichheit, desto höher der Nullstrom. Falls ein Nullstrom im betriebenen Verteiltransformator vorhanden ist, wird in dessen Kern ein Nullfluss erzeugt. (Auf der Hochspannungsseite gibt es keinen Nullstrom.) Dadurch wird der Nullfluss gezwungen, ausschließlich durch die Wände des Öltanks und die Stahlbauteile des Transformators zu fließen. Da die magnetische Leitfähigkeit dieser Stahlkomponenten relativ gering ist, entstehen bei Durchfluss des Nullstroms Hystereseverluste und Wirbelstromverluste, was zu lokalen Temperaturerhöhungen und Erwärmung der Stahlteile des Transformators führt. Die Isolierung der Wicklungen des Verteiltransformators altert aufgrund der Überhitzung schneller, wodurch die Lebensdauer des Geräts verkürzt wird. Zudem erhöht der Nullstrom die Verluste des Verteiltransformators.

5. Auswirkung auf den sicheren Betrieb elektrischer Geräte

Der Verteilungstransformator ist auf der Grundlage von ausgeglichenen dreiphasigen Lastbetriebsbedingungen konzipiert, wobei der Widerstand, die Streuinduktivität und die Magnetisierungsimpedanz jeder Phasenwicklung im Wesentlichen identisch sind. Wenn der Verteilungstransformator unter ausgeglichenen dreiphasigen Lasten betrieben wird, sind die dreiphasigen Ströme im Wesentlichen gleich, und die Spannungsabfälle innerhalb jeder Phase des Transformators sind ebenfalls im Wesentlichen gleich; folglich sind die dreiphasigen Ausgangsspannungen des Transformators ausgeglichen. Wenn der Verteilungstransformator bei einem dreiphasigen Lastungleichgewicht betrieben wird, sind die Ausgangsströme jeder Phase ungleich, und die internen Spannungsabfälle der Transformatorphasen unterscheiden sich, was unweigerlich zu einem dreiphasigen Spannungsungleichgewicht an der Ausgangsseite des Transformators führt.

Gleichzeitig führt der Betrieb des Verteilungstransformators unter ungleichmäßiger Dreiphasenbelastung dazu, dass die Ausgangsströme der drei Phasen unterschiedlich sind. Dadurch fließt Strom durch den Neutralleiter. Dies verursacht einen Spannungsabfall aufgrund des Widerstands (Impedanz) im Neutralleiter, was zu einer Verschiebung des Neutralpunkts führt und somit die Phasenspannungen verändert. Die Spannung der stark belasteten Phase sinkt, während die Spannung der schwach belasteten Phase ansteigt. Der Betrieb unter ungleichmäßiger Spannungsverteilung kann leicht dazu führen, dass elektrische Geräte, die an die Phase mit höherer Spannung angeschlossen sind, beschädigt werden, während Geräte an der Phase mit niedrigerer Spannung möglicherweise nicht funktionieren. Daher gefährdet der Betrieb unter ungleichmäßiger Dreiphasenbelastung erheblich die sichere Funktionsweise der elektrischen Anlagen.

6. Reduzierung der Effizienz von Elektromotoren

Wenn ein Verteilungstransformator unter Bedingungen einer ungleichen Dreiphasenlast arbeitet, verursacht dies eine Dreiphasenungleichheit in der Ausgangsspannung. Da die ungleiche Spannung aus positivsequenziellen, negativsequenziellen und Nullsequenz-Spannungskomponenten besteht, erzeugt die negative Sequenzspannung bei Anwendung einer solchen ungleichen Spannung auf einen Elektromotor ein sich entgegengesetzt zur positiven Sequenzspannung drehendes Magnetfeld, das eine bremsende Wirkung hat. Allerdings ist das positive Magnetfeld deutlich stärker als das negative Magnetfeld, weshalb der Elektromotor weiterhin in Richtung des positiven Magnetfeldes rotiert. Aufgrund des bremsenden Effekts des negativen Magnetfeldes sinkt die Ausgangsleistung des Elektromotors unweigerlich, was zu einer verringerten Motoreffizienz führt. Gleichzeitig steigen die Temperaturerhöhung und die Blindleistungsverluste des Elektromotors mit zunehmender Dreiphasenspannungsungleichheit. Folglich ist der Betrieb eines Elektromotors unter Bedingungen einer Dreiphasenspannungsungleichheit sehr unwirtschaftlich und unsicher.