Каковы негативные последствия несимметрии трехфазной системы в электрических сетях?

Несимметрия трехфазной системы в электросетях приводит к множеству негативных эффектов, включая увеличение потерь электроэнергии в линиях, возрастание потерь электроэнергии в распределительных трансформаторах, снижение выходной мощности распределительных трансформаторов, возникновение тока нулевой последовательности в распределительных трансформаторах, нарушение безопасной эксплуатации электрооборудования и уменьшение эффективности электродвигателей. Как можно устранить несимметрию трехфазной системы в электросетях? В следующем разделе компания Наньтонг Чжифэн Электрик Технолоджи Ко., Лтд. подробно объясняет вредные последствия несимметрии трехфазной системы и методы борьбы с ней.

Вредные последствия несимметрии трехфазной системы в электросетях:

1. Увеличение потерь электроэнергии в линиях

В трехфазной четырехпроводной сети электроснабжения при протекании тока по линейным проводникам неизбежно возникают потери электрической энергии, обусловленные наличием импеданса, и эти потери пропорциональны квадрату тока. Когда сеть низкого напряжения питается от трехфазной четырехпроводной системы, наличие однофазных нагрузок неизбежно вызывает дисбаланс трехфазной нагрузки. При таких условиях несимметричной нагрузки ток протекает через нейтральный проводник. Это приводит не только к потерям в фазных проводниках, но и к потерям в нейтральном проводнике, что увеличивает общие потери в линиях электрической сети.

2.Увеличение потерь электрической энергии в распределительных трансформаторах

Распределительный трансформатор является основным оборудованием электроснабжения в сети низкого напряжения. При работе в условиях дисбаланса трехфазной нагрузки это приводит к увеличению потерь в трансформаторе, поскольку потери мощности в трансформаторе изменяются в зависимости от степени дисбаланса нагрузки.

3. Снижение выходной мощности распределительного трансформатора

При проектировании распределительного трансформатора его конструкция обмоток основана на условиях сбалансированной нагрузки, при которых рабочие характеристики обмоток в целом равномерны, а номинальная мощность каждой фазы одинакова. Максимально допустимая выходная мощность распределительного трансформатора ограничена номинальной мощностью каждой фазы. Когда распределительный трансформатор работает в условиях несимметрии трехфазной нагрузки, фаза с малой нагрузкой имеет избыточную мощность, что приводит к снижению выходной мощности трансформатора. Степень снижения выходной мощности связана с уровнем несимметрии трехфазной нагрузки. Чем больше несимметрия, тем сильнее уменьшается выходная мощность распределительного трансформатора. В результате, при работе в условиях несимметрии трехфазной нагрузки, выходная мощность трансформатора не может достичь своего номинального значения, его резервная мощность соответственно уменьшается, а способность выдерживать перегрузку снижается. Если распределительный трансформатор работает в условиях перегрузки, это может привести к нагреву трансформатора, а в тяжелых случаях — даже к его перегоранию.

4. Генерация тока нулевой последовательности распределительным трансформатором

При работе распределительного трансформатора в условиях несимметрии трехфазной нагрузки генерируется ток нулевой последовательности. Этот ток изменяется в зависимости от степени несимметрии трехфазной нагрузки: чем больше несимметрия, тем больше ток нулевой последовательности. Если в работающем распределительном трансформаторе присутствует ток нулевой последовательности, в его магнитопроводе генерируется магнитный поток нулевой последовательности (на высоковольтной стороне ток нулевой последовательности отсутствует). Это заставляет поток нулевой последовательности проходить только через стенки масляного бака и стальные конструктивные элементы. Поскольку магнитная проницаемость стальных компонентов относительно низкая, при прохождении через них тока нулевой последовательности возникают потери на гистерезис и вихревые токи, что вызывает локальное повышение температуры и нагрев стальных компонентов трансформатора. Изоляция обмотки распределительного трансформатора ускоренно стареет из-за перегрева, что приводит к сокращению срока службы оборудования. Кроме того, наличие тока нулевой последовательности увеличивает потери в распределительном трансформаторе.

5. Влияние на безопасную эксплуатацию электрического оборудования

Трансформаторная подстанция спроектирована на основе условий сбалансированной трехфазной нагрузки, при этом сопротивление, реактивное сопротивление утечки и магнитное сопротивление каждой фазной обмотки практически одинаковы. Когда трансформаторная подстанция работает при сбалансированной трехфазной нагрузке, трехфазные токи практически равны, а падения напряжения в каждой фазе трансформатора также практически одинаковы; следовательно, выходные напряжения трех фаз трансформатора сбалансированы. Если трансформаторная подстанция работает при несбалансированной трехфазной нагрузке, выходные токи каждой фазы будут неравны, а внутренние падения напряжения в фазах трансформатора будут различаться, что неизбежно приведет к несбалансированности трехфазного напряжения на выходе трансформатора.

Одновременно, когда силовой трансформатор работает при несимметрии трёхфазной нагрузки, выходные токи трёх фаз не равны, в результате чего ток протекает через нейтральный проводник. Это вызывает падение напряжения на сопротивлении нейтрального проводника, что приводит к смещению нейтральной точки, изменяя фазные напряжения каждой фазы. Напряжение сильно загруженной фазы снижается, тогда как напряжение слабо загруженной фазы повышается. Питание при несимметрии напряжений может легко привести к повреждению электрического оборудования, подключенного к фазе с более высоким напряжением, тогда как оборудование, подключённое к фазе с более низким напряжением, может не работать. Таким образом, работа при несимметрии трёхфазной нагрузки серьёзно угрожает безопасной эксплуатации электрического оборудования.

6. Снижение эффективности электродвигателя

Когда силовой трансформатор работает в условиях несимметричной трехфазной нагрузки, это вызывает несимметрию трехфазного выходного напряжения. Поскольку несбалансированное напряжение состоит из напряжений прямой, обратной и нулевой последовательности, при подаче такого несбалансированного напряжения на электродвигатель, напряжение обратной последовательности создает вращающееся магнитное поле, противоположное полю, создаваемому напряжением прямой последовательности, оказывая тормозящее действие. Однако поскольку магнитное поле прямой последовательности значительно сильнее магнитного поля обратной последовательности, электродвигатель продолжает вращаться в направлении магнитного поля прямой последовательности. Из-за тормозящего действия магнитного поля обратной последовательности выходная мощность электродвигателя неизбежно снижается, что приводит к уменьшению эффективности двигателя. Одновременно повышение температуры и потери реактивной мощности электродвигателя также увеличиваются с увеличением степени несимметрии трехфазного напряжения. Таким образом, эксплуатация электродвигателя в условиях несимметрии трехфазного напряжения является крайне невыгодной и небезопасной.