Tác hại của sự mất cân bằng ba pha trong hệ thống điện là gì?

Mất cân bằng ba pha trong hệ thống điện gây ra nhiều tác động tiêu cực, bao gồm làm tăng tổn thất điện năng trên đường dây, tăng tổn thất điện năng trong máy biến áp phân phối, giảm dung lượng đầu ra của máy biến áp phân phối, phát sinh dòng điện thứ tự không trong máy biến áp phân phối, ảnh hưởng đến vận hành an toàn của thiết bị điện và giảm hiệu suất của động cơ điện. Làm thế nào để khắc phục tình trạng mất cân bằng ba pha trong hệ thống điện? Phần dưới đây của Công ty TNHH Công nghệ Điện Zhifeng Nantong cung cấp giải thích chi tiết về các tác hại do mất cân bằng ba pha gây ra cũng như các biện pháp cải thiện.

Các tác hại do mất cân bằng ba pha trong hệ thống điện gây ra:

1. Tăng tổn thất điện năng trên đường dây

Trong mạng lưới cung cấp điện ba pha bốn dây, khi dòng điện chạy qua dây dẫn, tổn thất năng lượng điện chắc chắn sẽ xảy ra do sự tồn tại của tổng trở, và tổn thất này tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện. Khi mạng điện áp thấp được cấp điện bởi hệ thống ba pha bốn dây, sự tồn tại của các tải một pha chắc chắn sẽ gây ra mất cân bằng tải ba pha. Trong điều kiện tải không cân bằng như vậy, dòng điện sẽ chạy qua dây trung tính. Điều này không chỉ gây ra tổn thất trên các dây pha mà còn gây tổn thất trên dây trung tính, từ đó làm tăng tổng tổn thất trên đường dây mạng điện.

2.Tổn thất năng lượng điện tăng lên trong máy biến áp phân phối

Máy biến áp phân phối là thiết bị cung cấp điện chủ yếu trong mạng điện áp thấp. Khi vận hành trong điều kiện tải ba pha không cân bằng, nó sẽ làm tăng tổn thất của máy biến áp vì tổn thất công suất của máy biến áp thay đổi theo mức độ mất cân bằng tải.

3. Giảm đầu ra của máy biến áp phân phối

Trong thiết kế của một máy biến áp phân phối, cấu trúc dây quấn của nó được dựa trên điều kiện vận hành tải cân bằng, với hiệu suất dây quấn về cơ bản là đồng đều và dung lượng định mức bằng nhau cho mỗi pha. Dung lượng đầu ra tối đa cho phép của máy biến áp phân phối bị giới hạn bởi dung lượng định mức của từng pha. Khi máy biến áp phân phối vận hành trong điều kiện mất cân bằng tải ba pha, pha có tải nhẹ sẽ có dung lượng dư thừa, dẫn đến việc giảm đầu ra của máy biến áp. Mức độ giảm đầu ra liên quan đến mức độ mất cân bằng tải ba pha. Mức độ mất cân bằng càng lớn thì đầu ra của máy biến áp phân phối càng giảm nhiều. Do đó, khi vận hành trong điều kiện mất cân bằng tải ba pha, dung lượng đầu ra của máy biến áp phân phối không thể đạt đến giá trị định mức, dung lượng dự phòng tương ứng cũng bị giảm theo và khả năng chịu quá tải bị suy giảm. Nếu máy biến áp vận hành trong điều kiện quá tải, rất dễ gây ra hiện tượng máy biến áp bị phát nóng, trong trường hợp nghiêm trọng thậm chí có thể dẫn đến cháy máy biến áp.

4. Phát sinh dòng điện thứ tự không bởi máy biến áp phân phối

Khi máy biến áp phân phối hoạt động trong điều kiện mất cân bằng tải ba pha, dòng điện thứ tự không sẽ được sinh ra. Dòng điện này thay đổi tùy theo mức độ mất cân bằng tải ba pha; mức độ mất cân bằng càng lớn thì dòng điện thứ tự không càng cao. Nếu tồn tại dòng điện thứ tự không trong máy biến áp phân phối đang vận hành, từ thông thứ tự không sẽ được sinh ra trong lõi của nó. (Không có dòng điện thứ tự không ở phía điện áp cao.) Điều này làm cho từ thông thứ tự không chỉ có thể đi qua thành bình dầu và các bộ phận cấu trúc bằng thép. Do độ từ thẩm của các bộ phận thép tương đối thấp, khi dòng điện thứ tự không đi qua các bộ phận này, sẽ phát sinh tổn thất trễ từ và dòng điện xoáy, gây ra hiện tượng tăng nhiệt độ cục bộ và làm nóng các bộ phận bằng thép của máy biến áp. Cách điện của cuộn dây máy biến áp phân phối bị lão hóa nhanh do quá nhiệt, dẫn đến tuổi thọ thiết bị bị giảm. Ngoài ra, sự tồn tại của dòng điện thứ tự không làm tăng tổn thất của máy biến áp phân phối.

5. Ảnh hưởng đến vận hành an toàn của thiết bị điện

Máy biến áp phân phối được thiết kế dựa trên điều kiện tải ba pha cân bằng, với điện trở, điện kháng tản và tổng trở từ hóa của mỗi cuộn dây pha về cơ bản là giống nhau. Khi máy biến áp phân phối vận hành với tải ba pha cân bằng, các dòng điện ba pha sẽ cơ bản bằng nhau, đồng thời độ sụt áp trong mỗi pha của máy biến áp cũng gần như giống nhau; do đó, điện áp đầu ra ba pha của máy biến áp là cân bằng. Nếu máy biến áp phân phối vận hành trong tình trạng tải ba pha mất cân bằng, dòng điện đầu ra của mỗi pha sẽ không bằng nhau, độ sụt áp bên trong các pha máy biến áp sẽ khác nhau, dẫn đến tình trạng mất cân bằng điện áp ba pha tại đầu ra của máy biến áp.

Đồng thời, khi máy biến áp phân phối hoạt động trong điều kiện mất cân bằng tải ba pha, các dòng điện đầu ra ba pha sẽ không bằng nhau, dẫn đến dòng điện chạy qua dây trung tính. Điều này gây ra hiện tượng sụt áp trở kháng trên dây trung tính, làm cho điểm trung tính bị lệch, dẫn đến thay đổi điện áp pha của từng pha. Điện áp của pha có tải nặng sẽ giảm, trong khi điện áp của pha có tải nhẹ sẽ tăng. Việc cung cấp điện trong điều kiện mất cân bằng điện áp có thể dễ dàng làm hỏng các thiết bị điện nối với pha có điện áp cao hơn, trong khi các thiết bị nối với pha có điện áp thấp hơn có thể không hoạt động được. Do đó, việc vận hành trong tình trạng mất cân bằng tải ba pha sẽ đe dọa nghiêm trọng đến vận hành an toàn của thiết bị điện.

6. Giảm hiệu suất động cơ điện

Khi một máy biến áp phân phối hoạt động trong điều kiện mất cân bằng tải ba pha, nó gây ra hiện tượng mất cân bằng ba pha ở điện áp đầu ra. Vì điện áp mất cân bằng bao gồm các thành phần điện áp thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không, khi điện áp mất cân bằng như vậy được áp dụng lên một động cơ điện, thì thành phần điện áp thứ tự nghịch sẽ tạo ra một từ trường quay ngược chiều với từ trường do điện áp thứ tự thuận tạo ra, gây ra hiệu ứng phanh hãm. Tuy nhiên, do từ trường thứ tự thuận mạnh hơn đáng kể so với từ trường thứ tự nghịch, động cơ điện vẫn tiếp tục quay theo hướng của từ trường thứ tự thuận. Vì hiệu ứng phanh hãm của từ trường thứ tự nghịch, công suất đầu ra của động cơ điện chắc chắn sẽ giảm, dẫn đến hiệu suất động cơ suy giảm. Đồng thời, mức độ tăng nhiệt độ và tổn thất công suất phản kháng của động cơ điện cũng gia tăng theo mức độ mất cân bằng điện áp ba pha. Do đó, việc vận hành động cơ điện trong điều kiện mất cân bằng điện áp ba pha là hoàn toàn không kinh tế và không an toàn.