Jakie są skutki asymetrii trójfazowej w systemach energetycznych?

Nierównowaga trójfazowa w systemach energetycznych powoduje wiele negatywnych skutków, w tym zwiększone straty energii elektrycznej w liniach, zwiększone straty energii elektrycznej w transformatorach dystrybucyjnych, zmniejszoną zdolność przesyłową transformatorów dystrybucyjnych, generowanie prądu składowej zerowej w transformatorach dystrybucyjnych, utrudnienia w bezpiecznej pracy urządzeń elektrycznych oraz zmniejszenie sprawności silników elektrycznych. Jak można ograniczyć nierównowagę trójfazową w systemach energetycznych? W poniższym artykule firma Nantong Zhifeng Electric Technology Co., Ltd. szczegółowo wyjaśnia szkodliwe skutki nierównowagi trójfazowej oraz metody jej poprawy.

Skutki nierównowagi trójfazowej w systemach energetycznych:

1. Zwiększone straty energii elektrycznej w liniach

W sieci zasilającej trójfazowej czteroprzewodowej, gdy prąd przepływa przez przewód linii, strata energii elektrycznej nieuchronnie występuje z powodu występowania impedancji, a ta strata jest proporcjonalna do kwadratu prądu. Gdy sieć niskiego napięcia jest zasilana systemem trójfazowym czteroprzewodowym, obecność obciążeń jednofazowych nieuchronnie powoduje nierównowagę obciążeń trzech faz. W takich warunkach nierównomiernego obciążenia, prąd przepływa przez przewód neutralny. Powoduje to nie tylko straty w przewodach fazowych, ale również straty w przewodzie neutralnym, zwiększając ogólną stratę energii w liniach sieci elektroenergetycznej.

2.Zwiększone straty energii elektrycznej w transformatorach rozdzielczych

Transformator rozdzielczy jest głównym urządzeniem zasilającym w sieci niskiego napięcia. Gdy pracuje on w warunkach nierównowagi obciążeń trójfazowych, powoduje wzrost strat transformatora, ponieważ strata mocy transformatora zmienia się w zależności od stopnia nierównowagi obciążenia.

3. Redukcja mocy wyjściowej transformatora dystrybucyjnego

W projektowaniu transformatora dystrybucyjnego jego struktura uzwojeniowa oparta jest na warunkach pracy obciążenia zrównoważonego, przy czym osiąga się zasadniczo jednolite właściwości uzwojenia oraz jednakową znamionową moc dla każdej fazy. Maksymalne dopuszczalne wyjście transformatora dystrybucyjnego ograniczone jest przez znamionową moc każdej fazy. Gdy transformator dystrybucyjny pracuje w warunkach niesymetrycznego obciążenia trójfazowego, faza lekko obciążona posiada nadmiarowej mocy, co prowadzi do zmniejszenia wyjścia transformatora. Stopień redukcji wyjścia jest związany z poziomem asymetrii obciążenia trójfazowego. Im większa asymetria, tym bardziej zmniejsza się wyjście transformatora dystrybucyjnego. W konsekwencji, gdy transformator pracuje przy niesymetrycznym obciążeniu trójfazowym, jego dostępna moc nie osiąga wartości znamionowej, jego moc rezerwowa odpowiednio maleje, a zdolność przeładowania jest ograniczona. Jeżeli transformator dystrybucyjny pracuje w warunkach przeciążenia, bardzo prawdopodobne jest wystąpienie nadmiernego nagrzewania się transformatora, co w skrajnych przypadkach może nawet spowodować jego uszkodzenie.

4. Generacja prądu składowej zerowej przez transformator rozdzielczy

Gdy transformator dystrybucyjny pracuje w warunkach niesymetrii obciążenia trójfazowego, generowany jest prąd składowej zerowej. Ten prąd zmienia się wraz z poziomem niesymetrii obciążenia trójfazowego; im większa niesymetria, tym większy prąd składowej zerowej. Jeżeli w pracującym transformatorze dystrybucyjnym występuje prąd składowej zerowej, w jego rdzeniu zostanie wygenerowany strumień magnetyczny składowej zerowej. (Na stronie wysokiego napięcia nie występuje prąd składowej zerowej). Powoduje to, że strumień ten musi przechodzić wyłącznie przez ścianki zbiornika olejowego i elementy konstrukcyjne ze stali. Ze względu na stosunkowo niską przenikalność magnetyczną elementów stalowych, przy przepływie przez nie prądu składowej zerowej powstają straty histerezy i prądów wirowych, co prowadzi do lokalnego wzrostu temperatury i nagrzewania się elementów stalowych transformatora. Izolacja uzwojenia transformatora dystrybucyjnego ulega przyśpieszonemu starzeniu się wskutek przegrzewania, co skraca czas eksploatacji urządzenia. Ponadto obecność prądu składowej zerowej zwiększa straty w transformatorze dystrybucyjnym.

5. Wpływ na bezpieczną eksploatację urządzeń elektrycznych

Transformator dystrybucyjny jest projektowany na podstawie warunków pracy przy zrównoważonym obciążeniu trójfazowym, przy czym oporność, reaktancja rozproszenia oraz impedancja magnesowania każdej fazy uzwojenia są w zasadzie identyczne. Gdy transformator dystrybucyjny pracuje przy zrównoważonym obciążeniu trójfazowym, prądy trójfazowe są w zasadzie równe, a spadki napięcia w każdej fazie transformatora są również w zasadzie takie same; w związku z tym napięcia wyjściowe trójfazowe transformatora są zrównoważone. Jeżeli transformator dystrybucyjny pracuje przy niesymetrycznym obciążeniu trójfazowym, prądy wyjściowe każdej fazy będą nierówne, a wewnętrzne spadki napięcia faz transformatora będą różne, co nieuchronnie prowadzi do niesymetrii napięć trójfazowych na wyjściu transformatora.

Równocześnie, gdy transformator dystrybucyjny pracuje przy niesymetrycznym obciążeniu faz, prądy wyjściowe faz są nierówne, co powoduje przepływ prądu przez przewód neutralny. Skutkuje to spadkiem napięcia impedancyjnego w przewodzie neutralnym, prowadząc do przesunięcia punktu neutralnego, co zmienia napięcia fazowe każdej fazy. Napięcie fazy silnie obciążonej maleje, podczas gdy napięcie fazy lekko obciążonej rośnie. Zasilanie przy niesymetrii napięć może łatwo spowodować uszkodzenie urządzeń elektrycznych podłączonych do fazy o wyższym napięciu, podczas gdy urządzenia podłączone do fazy o niższym napięciu mogą nie działać poprawnie. Dlatego praca przy niesymetrii obciążenia fazowego poważnie zagraża bezpieczeństwu działania urządzeń elektrycznych.

6. Obniżenie sprawności silnika elektrycznego

Gdy transformator dystrybucyjny pracuje w warunkach niesymetrycznego obciążenia fazowego, powoduje niesymetrię napięcia wyjściowego. Ponieważ niesymetryczne napięcie składa się ze składowych napięcia kolejności dodatniej, ujemnej i zerowej, gdy takie napięcie niesymetryczne jest przyłożone do silnika elektrycznego, składowa napięcia ujemnej kolejności generuje pole magnetyczne wirujące w kierunku przeciwnym do pola wytworzonego przez składową dodatnią, co powoduje efekt hamowania. Jednak ponieważ pole magnetyczne składowej dodatniej jest znacznie silniejsze niż pole składowej ujemnej, silnik elektryczny nadal obraca się w kierunku wyznaczonym przez składową dodatnią. W wyniku efektu hamowania wywołanego przez pole magnetyczne składowej ujemnej, moc wyjściowa silnika nieuchronnie maleje, co prowadzi do obniżenia jego sprawności. Jednocześnie wzrost temperatury oraz strat mocy biernej silnika elektrycznego również wzrastają wraz z poziomem niesymetrii napięcia trójfazowego. Dlatego eksploatacja silnika elektrycznego w warunkach niesymetrii napięcia trójfazowego jest bardzo nieekonomiczna i niebezpieczna.