Ποιες είναι οι επιπτώσεις της μη ισορροπίας των τριών φάσεων στα ηλεκτρικά συστήματα;

Η ανισορροπία τριών φάσεων στα ηλεκτρικά συστήματα προκαλεί πολλές αρνητικές επιπτώσεις, όπως την αύξηση των απωλειών ηλεκτρικής ενέργειας στις γραμμές, την αύξηση των απωλειών ηλεκτρικής ενέργειας στους μετασχηματιστές διανομής, τη μείωση της εξόδου ισχύος των μετασχηματιστών διανομής, τη δημιουργία ρεύματος μηδενικής ακολουθίας στους μετασχηματιστές διανομής, την υπονόμευση της ασφαλούς λειτουργίας των ηλεκτρικών συσκευών και τη μείωση της απόδοσης των ηλεκτροκινητήρων. Πώς μπορεί να αντιμετωπιστεί η ανισορροπία τριών φάσεων στα ηλεκτρικά συστήματα; Η επόμενη ενότητα από την Nantong Zhifeng Electric Technology Co., Ltd. παρέχει μια λεπτομερή εξήγηση των επιπτώσεων που προκαλούνται από την ανισορροπία τριών φάσεων και των τρόπων για τη βελτίωσή της.

Επιπτώσεις που προκαλούνται από την ανισορροπία τριών φάσεων στα ηλεκτρικά συστήματα:

1. Αύξηση των απωλειών ηλεκτρικής ενέργειας στις γραμμές

Σε ένα τριφασικό τετρασύρματο δίκτυο παροχής ηλεκτρικής ενέργειας, όταν το ρεύμα διέρχεται από τον αγωγό της γραμμής, η ηλεκτρική απώλεια ενέργειας εμφανίζεται αναπόφευκτα λόγω της ύπαρξης σύνθετης αντίστασης (impedance), και αυτή η απώλεια είναι ανάλογη του τετραγώνου του ρεύματος. Όταν το δίκτυο χαμηλής τάσης τροφοδοτείται από ένα τριφασικό τετρασύρματο σύστημα, η παρουσία μονοφασικών φορτίων προκαλεί αναπόφευκτα ανισορροπία φορτίου στις τρεις φάσεις. Υπό τέτοιες συνθήκες μη ισορροπημένου φορτίου, το ρεύμα διέρχεται από τον ουδέτερο αγωγό. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα όχι μόνο απώλειες στους αγωγούς των φάσεων, αλλά και απώλειες στον ουδέτερο αγωγό, αυξάνοντας έτσι τις συνολικές απώλειες στις γραμμές του ηλεκτρικού δικτύου.

2.Αύξηση των απωλειών ηλεκτρικής ενέργειας στους μετασχηματιστές διανομής

Ο μετασχηματιστής διανομής είναι ο βασικός εξοπλισμός παροχής ηλεκτρικής ενέργειας στο δίκτυο χαμηλής τάσης. Όταν λειτουργεί υπό συνθήκες ανισορροπίας φορτίου τριών φάσεων, προκαλεί αύξηση των απωλειών του μετασχηματιστή, διότι η απώλεια ισχύος του μετασχηματιστή μεταβάλλεται με τον βαθμό ανισορροπίας φορτίου.

3. Μείωση της Έξοδος του Μετασχηματιστή Διανομής

Στη σχεδίαση ενός μετασχηματιστή διανομής, η δομή των τυλιγμάτων του βασίζεται σε συνθήκες λειτουργίας ισορροπημένου φορτίου, με ουσιαστικά ομοιόμορφη απόδοση των τυλιγμάτων και ίση ονομαστική ισχύ για κάθε φάση. Η μέγιστη επιτρεπόμενη έξοδος του μετασχηματιστή διανομής περιορίζεται από την ονομαστική ισχύ κάθε φάσης. Όταν ο μετασχηματιστής διανομής λειτουργεί υπό συνθήκες ανισορροπίας τριφασικού φορτίου, η ελαφρώς φορτισμένη φάση διαθέτει περιθώριο ισχύος, γεγονός που οδηγεί σε μείωση της εξόδου του μετασχηματιστή. Το βαθμό της μείωσης σχετίζεται με το βαθμό της ανισορροπίας του τριφασικού φορτίου. Όσο μεγαλύτερη είναι η ανισορροπία, τόσο περισσότερο μειώνεται η έξοδος του μετασχηματιστή διανομής. Κατά συνέπεια, όταν λειτουργεί υπό συνθήκες ανισορροπίας τριφασικού φορτίου, η έξοδος του μετασχηματιστή διανομής δεν μπορεί να φτάσει στην ονομαστική τιμή της, η αντίστοιχη αποθεματική ισχύς μειώνεται και η δυνατότητα υπερφόρτωσης περιορίζεται. Εάν ο μετασχηματιστής διανομής λειτουργεί υπό συνθήκες υπερφόρτωσης, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να προκληθεί θέρμανση του μετασχηματιστή, η οποία σε σοβαρές περιπτώσεις μπορεί ακόμη και να οδηγήσει σε καύση του μετασχηματιστή.

4. Δημιουργία ρεύματος μηδενικής ακολουθίας από τον μετασχηματιστή διανομής

Όταν ο μετασχηματιστής διανομής λειτουργεί υπό συνθήκες ανισορροπίας τριφασικού φορτίου, παράγεται μηδενική ακολουθία ρεύματος. Αυτό το ρεύμα μεταβάλλεται με τον βαθμό της ανισορροπίας του τριφασικού φορτίου. Όσο μεγαλύτερη είναι η ανισορροπία, τόσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα μηδενικής ακολουθίας. Εάν υπάρχει ρεύμα μηδενικής ακολουθίας στον μετασχηματιστή διανομής κατά τη λειτουργία, τότε η μαγνητική ροή μηδενικής ακολουθίας θα παραχθεί στον πυρήνα του. (Δεν υπάρχει ρεύμα μηδενικής ακολουθίας στην πλευρά της υψηλής τάσης.) Αυτό αναγκάζει τη μαγνητική ροή μηδενικής ακολουθίας να διέρχεται μόνο διαμέσου του τοιχώματος του δοχείου λαδιού και των σιδηροτσιμεντένιων δομικών εξαρτημάτων. Δεδομένου ότι η μαγνητική διαπερατότητα των σιδηροτσιμεντένιων εξαρτημάτων είναι σχετικά χαμηλή, όταν το ρεύμα μηδενικής ακολουθίας διέρχεται διαμέσου αυτών των σιδηροτσιμεντένιων εξαρτημάτων, προκαλούνται απώλειες υστέρησης και κυκλοφοριακού ρεύματος, με αποτέλεσμα την τοπική αύξηση της θερμοκρασίας και τη θέρμανση των σιδηροτσιμεντένιων εξαρτημάτων του μετασχηματιστή. Η μόνωση των περιελίξεων του μετασχηματιστή διανομής επιταχύνει τη γήρανση λόγω υπερθέρμανσης, με αποτέλεσμα τη μείωση της διάρκειας ζωής του εξοπλισμού. Επιπλέον, η παρουσία ρεύματος μηδενικής ακολουθίας αυξάνει τις απώλειες του μετασχηματιστή διανομής.

5. Επίδραση στην Ασφαλή Λειτουργία Ηλεκτρικών Εξαρτημάτων

Ο μετασχηματιστής διανομής σχεδιάζεται με βάση τις συνθήκες λειτουργίας ενός ισορροπημένου τριφασικού φορτίου, με την αντίσταση, την ανεπιθύμητη επαγωγική αντίσταση και την εγκάρσια αντίσταση των πηνίων κάθε φάσης να είναι ουσιαστικά πανομοιότυπες. Όταν ο μετασχηματιστής διανομής λειτουργεί υπό συνθήκες ισορροπημένου τριφασικού φορτίου, οι τριφασικές έντασης είναι ουσιαστικά ίσες και οι πτώσεις τάσης σε κάθε φάση του μετασχηματιστή είναι επίσης ουσιαστικά ίδιες. Επομένως, οι τριφασικές τάσεις εξόδου του μετασχηματιστή είναι ισορροπημένες. Εάν ο μετασχηματιστής διανομής λειτουργεί υπό συνθήκες ανισορροπίας τριφασικού φορτίου, οι έντασης εξόδου της κάθε φάσης θα είναι άνισες και οι εσωτερικές πτώσεις τάσης των φάσεων του μετασχηματιστή θα διαφέρουν, με αποτέλεσμα αναπόφευκτα την ανισορροπία της τριφασικής τάσης στην έξοδο του μετασχηματιστή.

Παράλληλα, όταν ο μετασχηματιστής διανομής λειτουργεί υπό συνθήκες ανισορροπίας τριφασικού φορτίου, οι τριφασικές έξοδοι των ρευμάτων είναι άνισες, με αποτέλεσμα τη διέλευση ρεύματος μέσω του ουδέτερου αγωγού. Αυτό προκαλεί πτώση τάσης στον ουδέτερο αγωγό λόγω της σύνθετης αντίστασης, οδηγώντας σε μετατόπιση του ουδέτερου σημείου, γεγονός που μεταβάλλει τις φασικές τάσεις κάθε φάσης. Η τάση της φάσης με μεγάλο φορτίο μειώνεται, ενώ η τάση της φάσης με μικρό φορτίο αυξάνεται. Η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας υπό συνθήκες ανισορροπίας τάσεων μπορεί εύκολα να προκαλέσει βλάβη στον ηλεκτρικό εξοπλισμό που είναι συνδεδεμένος στη φάση της υψηλότερης τάσης, ενώ ο εξοπλισμός που είναι συνδεδεμένος στη φάση της χαμηλότερης τάσης μπορεί να μην λειτουργήσει. Επομένως, η λειτουργία υπό συνθήκες ανισορροπίας τριφασικού φορτίου θέτει σοβαρά σε κίνδυνο την ασφαλή λειτουργία του ηλεκτρικού εξοπλισμού.

6. Μείωση της Απόδοσης Ηλεκτροκινητήρα

Όταν ένας μετασχηματιστής διανομής λειτουργεί υπό συνθήκες ανισορροπίας φορτίου σε τριφασικό κύκλωμα, προκαλεί ανισορροπία στην τάση εξόδου στις τρεις φάσεις. Εφόσον η μη ισορροπημένη τάση αποτελείται από συστατικά θετικής ακολουθίας, αρνητικής ακολουθίας και μηδενικής ακολουθίας, όταν τέτοια μη ισορροπημένη τάση εφαρμόζεται σε ηλεκτροκινητήρα, η τάση αρνητικής ακολουθίας δημιουργεί ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο αντίθετο προς εκείνο που παράγεται από την τάση θετικής ακολουθίας, ασκώντας πεδητική επίδραση. Ωστόσο, επειδή το μαγνητικό πεδίο θετικής ακολουθίας είναι σημαντικά ισχυρότερο από το μαγνητικό πεδίο αρνητικής ακολουθίας, ο ηλεκτροκινητήρας συνεχίζει να περιστρέφεται προς την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου θετικής ακολουθίας. Λόγω της πεδητικής επίδρασης του μαγνητικού πεδίου αρνητικής ακολουθίας, η έξοδος ισχύος του ηλεκτροκινητήρα μειώνεται αναπόφευκτα, με αποτέλεσμα τη μείωση της απόδοσης του κινητήρα. Ταυτόχρονα, η αύξηση της θερμοκρασίας και οι απώλειες άεργης ισχύος του ηλεκτροκινητήρα επίσης αυξάνονται με το βαθμό ανισορροπίας της τριφασικής τάσης. Ως εκ τούτου, η λειτουργία ενός ηλεκτροκινητήρα υπό συνθήκες ανισορροπίας τριφασικής τάσης είναι εξαιρετικά ασύμφορη και ανασφαλής.