Які шкідливі наслідки несиметрії трифазної системи в електромережах?

Трифазна незбалансованість у енергосистемах призводить до численних негативних наслідків, зокрема збільшення втрат електроенергії в лініях, збільшення втрат електроенергії в розподільних трансформаторах, зменшення вихідної потужності розподільних трансформаторів, виникнення струму нульової послідовності в розподільних трансформаторах, порушення безпечного режиму роботи електрообладнання, а також зниження ефективності електродвигунів. Як можна зменшити трифазну незбалансованість у енергосистемах? У наступному розділі компанії Nantong Zhifeng Electric Technology Co., Ltd. детально пояснюється шкода, спричинена трифазною незбалансованістю, і способи її усунення.

Шкоди, спричинені трифазною незбалансованістю у енергосистемах:

1. Збільшення втрат електроенергії в лініях

У мережі живлення трифазного чотирипровідного струм, що протікає через лінійний провідник, неминуче призводить до втрат електроенергії через наявність імпедансу, і ці втрати пропорційні квадрату струму. Коли низьковольтна мережа живиться від трифазної чотирипровідної системи, наявність однофазних навантажень неминуче призводить до дисбалансу трифазного навантаження. У таких умовах дисбалансу навантаження струм протікає через нейтральний провідник. Це призводить не тільки до втрат у фазних провідниках, але й до втрат у нейтральному провіднику, що збільшує загальні втрати в лініях електромережі.

2.Збільшені втрати електроенергії у розподільних трансформаторах

Розподільний трансформатор є основним обладнанням електроживлення в низьковольтній мережі. Під час роботи в умовах дисбалансу трифазного навантаження це призводить до збільшення втрат у трансформаторі, оскільки втрати потужності трансформатора змінюються залежно від ступеня дисбалансу навантаження.

3. Зменшення виходу розподільного трансформатора

При проектуванні розподільчого трансформатора його конструкція обмоток ґрунтується на умовах симетричного навантаження, при яких характеристики обмоток практично однакові, а номінальна потужність кожної фази рівна. Максимально допустима вихідна потужність розподільчого трансформатора обмежена номінальною потужністю кожної фази. Коли розподільчий трансформатор працює в умовах несиметрії трифазного навантаження, фаза з меншим навантаженням має надлишкову потужність, що призводить до зменшення загальної вихідної потужності трансформатора. Ступінь зменшення вихідної потужності залежить від рівня несиметрії трифазного навантаження. Чим більша несиметрія, тим сильніше зменшується вихідна потужність розподільчого трансформатора. Відповідно, при роботі в умовах несиметрії трифазного навантаження, вихідна потужність трансформатора не може досягти своєї номінальної величини, його резервна потужність відповідно зменшується, а здатність витримувати перевантаження падає. Якщо розподільчий трансформатор працює в режимі перевантаження, це може призвести до його перегріву, а в окремих випадках навіть до виходу з ладу трансформатора.

4. Генерація струму нульової послідовності за допомогою розподільного трансформатора

Коли розподільний трансформатор працює в умовах нерівномірного навантаження трифазного струму, виникає струм нульової послідовності. Цей струм змінюється залежно від ступеня нерівномірності трифазного навантаження; чим більше нерівномірність, тим більшим є струм нульової послідовності. Якщо струм нульової послідовності існує під час роботи розподільного трансформатора, у його осерді генерується магнітний потік нульової послідовності. (На високовольтному боці струм нульової послідовності відсутній.) Це змушує магнітний потік нульової послідовності проходити лише через стінки масляного бака та сталеві конструктивні елементи. Оскільки магнітна проникність сталевих елементів порівняно низька, при проходженні через них струму нульової послідовності виникають втрати на гістерезис і вихрові струми, що призводять до локального підвищення температури та нагрівання сталевих елементів трансформатора. Ізоляція обмоток розподільного трансформатора прискорено старіє через перегрівання, що призводить до скорочення терміну служби обладнання. Крім того, наявність струму нульової послідовності збільшує втрати в розподільному трансформаторі.

5. Вплив на безпечну експлуатацію електричного обладнання

Трансформатор розподільної мережі проектується на основі умов збалансованого трифазного навантаження, при яких опір, реактивний опір витоку та магнітний імпеданс кожної фазової обмотки є суттєво однаковими. Коли трансформатор розподільної мережі працює при збалансованому трифазному навантаженні, трифазні струми суттєво рівні, а також однакові спади напруги в кожній фазі трансформатора, тому вихідні напруги трифазного трансформатора є збалансованими. Якщо трансформатор розподільної мережі працює при незбалансованому трифазному навантаженні, вихідні струми кожної фази будуть нерівними, а внутрішні спади напруги фаз трансформатора будуть різними, що неминуче призведе до незбалансованості трифазних напруг на виході трансформатора.

Одночасно, коли розподільний трансформатор працює при нерівномірному навантаженні трифазного споживання, вихідні струми трифазної мережі є нерівними, внаслідок чого струм протікає через нейтральний провідник. Це призводить до падіння напруги на імпедансі нейтрального провідника, що викликає зміщення нейтральної точки, унаслідок чого змінюються фазні напруги кожної фази. Напруга сильно навантаженої фази зменшується, тоді як напруга слабко навантаженої фази збільшується. Експлуатація в умовах несиметрії напруги легко може призвести до пошкодження електричного обладнання, підключеного до фази з вищою напругою, тоді як обладнання, підключене до фази з нижчою напругою, може не працювати. Тому робота в умовах нерівномірного трифазного навантаження серйозно загрожує безпечній експлуатації електричного обладнання.

6. Зниження ефективності електродвигуна

Коли трансформатор розподілу працює в умовах нерівномірного навантаження трифазного струму, це призводить до несиметрії трифазної напруги на виході. Оскільки несиметрична напруга складається з прямосиметричних, зворотних і нульових складових напруги, то при подачі такої несиметричної напруги на електродвигун, зворотна напруга створює обертове магнітне поле, протилежне до того, що утворюється прямосиметричною напругою, чинячи гальмівний ефект. Однак, оскільки магнітне поле прямої послідовності значно сильніше, ніж магнітне поле зворотної послідовності, електродвигун продовжує обертатися в напрямку магнітного поля прямої послідовності. Через гальмівний ефект магнітного поля зворотної послідовності, вихідна потужність електродвигуна неминуче зменшується, що призводить до зниження ефективності двигуна. У той же час, підвищення температури та втрати реактивної потужності електродвигуна також зростають у міру збільшення ступеня несиметрії трифазної напруги. Тому експлуатація електродвигуна в умовах несиметрії трифазної напруги є дуже невигідною та небезпечною.