Porovnání jednofázového a třífázového napájení

Klasickou elektrickou síť do 1 kV s pevně uzemněným neutrálem v ideálním stavu lze znázornit ve tvaru rovnostranného trojúhelníku. Každý vrchol obrázku je fáze A, B nebo C a vzdálenost mezi nimi je lineární vektory napětí 380 V. Ve středu trojúhelníku je neutrální N a vzdálenosti od něj ke každé z fází jsou také stejné. Když se moduly těchto vektorů liší, dochází k negativnímu jevu pro elektrotechniku ​​– fázové nevyváženosti. To znamená, že pokud hodnota fázového napětí podél vektorů AN, BN a CN není 220 V, ale například 200, 180 a 240 V, znamená to nestabilní provoz obvodu. Takový stav sítě je nebezpečný nejen pro elektrické zařízení, ale i pro osobu, která je obsluhuje.

Co je fázová nerovnováha

Fázová nerovnováha je stav elektrické sítě skládající se z několika fází, ve kterých napěťové moduly fázových proudů, stejně jako úhly mezi jejich vektory, mají různé hodnoty. Tento jev způsobuje proudovou asymetrii a nestabilní provoz celé sítě, kdy lineární napětí zůstávají konstantní a fázová napětí mají proměnlivé hodnoty.

Jaké je nebezpečí fázové nerovnováhy

Nepříznivým jevem je napěťová nerovnováha mezi fázemi, jejíž příčinou je nesprávné připojení zařízení. To způsobuje prudký pokles kvality elektřiny a účinnosti spotřebitelů připojených k síti. Fázová asymetrie může způsobit následující negativní důsledky:

• Pokud dojde k přepětí, elektrický spotřebič to nemusí vydržet a shořet. Tomuto scénáři se lze vyhnout, pokud se spustí stroj na ovládacím panelu.
• Při poklesu síťového napětí výkon elektrického zařízení neumožňuje jeho efektivní provoz. Při připojení zařízení k síti se zvyšuje startovací proud, což výrazně zvyšuje zatížení.
• Fázová asymetrie může způsobit zvýšenou spotřebu energie.
• Abyste pochopili nebezpečí fázové nerovnováhy v třífázové síti, měli byste si prostudovat rozsahy napětí, ve kterých budou zařízení připojená k síti fungovat bez přerušení. Zpravidla se při nesprávném seřízení fází sníží jejich zdroj deklarovaný výrobcem.

Kromě uvedených důsledků může velký rozdíl napětí mezi fázemi a neutrálem vést ke zkratu. Důsledky tohoto jevu jsou nepředvídatelné – od běžného provozu proudového chrániče přes vyhoření elektroinstalace a elektrických částí zařízení až po vypuknutí požáru.

Přípustné normy napětí v třífázové síti

Ideální symetrie rozložení napětí mezi fázemi a nulovým vodičem během provozu sítě je nemožná. V tomto ohledu jsou podle GOST 13109-97 povoleny následující odchylky:

• Při standardním provozu zařízení nesmí maximální asymetrie rozložení zátěže překročit 15 %. To znamená, že každá hodnota napěťového modulu AN, BN nebo CN je v rozsahu od 187V do 253V.
• Při instalaci elektrického obvodu pomocí rozvodné desky, která obsahuje několik obvodů, lze indikátory fázové nerovnováhy zvýšit dvakrát – až o 2%.

Většina moderních elektrospotřebičů má vnitřní ochranu nebo stabilizátory, které zabraňují poškození v důsledku asymetrie v rámci standardních hodnot.

Známky nestabilního provozu elektrických spotřebičů způsobené nevyvážeností fází

Známky fázové nerovnováhy v síti můžete odhalit pouhým okem. Elektrická zařízení vám zpravidla okamžitě dají vědět o asymetrii rozložení napětí mezi fázemi:

• Jakákoli světelná indikace zařízení začne blikat nebo se rozsvítí příliš slabě.
• Pokud provoz zařízení zahrnuje provoz topné spirály, tepelná energie neumožňuje výrobci získat výkon deklarovaný výrobcem.
• Slabé otáčky oběžného kola elektromotorů, které snižují frekvenci provozu pohyblivých částí zařízení, například bubnu pračky, lopatek ventilátoru nebo vzduchového čerpadla vysavače.

Co se týče provozu složitých elektronických zařízení – televizorů nebo počítačového vybavení, pokud jsou fáze špatně seřízeny, nemusí vůbec jevit známky života a nemusí reagovat na zapnuté napájení.

Negativní důsledky nesouososti

Fázová nesymetrie v třífázovém obvodu, která má za následek nerovnoměrné rozložení napětí, je negativním faktorem pro provoz celé sítě. Když k takovému jevu dojde, je pozorována řada nepříznivých důsledků:

• Poškození zařízení.
• Přepálení elektroinstalace a vinutí elektromotorů.
• Zkrácení provozní doby nepřetržitého provozu zařízení.
• Neustálé zatížení systémů nouzového odstavení sítě.
• Mechanické poškození zdrojů elektrické energie.
• Zvýšené náklady na placení za elektřinu v důsledku její nekontrolované spotřeby.
• Časté poruchy zařízení, ztráta záruky, náklady na opravy.
• Nebezpečí požáru, zkratu, zranění.

Fázová nerovnováha je havarijní stav, a pokud k tomuto jevu dojde, je nutné přijmout neodkladná opatření k jeho odstranění.

Nerovnoměrné připojení zátěže

Nevyváženost fází je způsobena nerovnoměrným připojením zátěže při sestavování obvodu. Zpravidla to ukazuje na nízkou kvalifikaci a závažné chyby instalátora:

• Pokud je odběratelů elektřiny velký počet, musí být do sítě zařazeni ve skupinách a distribuce energie musí probíhat rovnoměrně. Pokud jsou spotřebiče nerovnoměrně seskupeny, může to způsobit asymetrii v rozložení zátěže.
• V případě náhodného nebo chybného odpojení neutrálu od obecného obvodu.
• Pokud je uzemnění nesprávně připojeno přes fázový vodič.

Všechny uvedené chyby nevyhnutelně znamenají fázovou nerovnováhu s negativními důsledky pro zařízení. Pokud dojde k poklesu napětí na jednom z kabelových jader třífázové sítě, pak jsou zbývající vodiče pod zvýšeným zatížením, což vede k asymetrii.

Spínané zdroje

Mnoho výrobců vyrábějících high-tech zařízení se složitou elektronikou se snaží vyhnout riziku fázové nerovnováhy zahrnutím spínaných zdrojů do obvodu. Tato zařízení umožňují dosáhnout určitých efektů, které mají pozitivní vliv na provoz zařízení:

• UPS mění tvar harmonických elektrických oscilací a přizpůsobují jejich trajektorii ideální sinusoidě. Zařízení pracuje na principu nelineárního rozložení zátěže mezi fázemi.
• Zařízení zvládají spotřebovávat elektrický proud dříve, než se vytvoří maximální potenciálový rozdíl v obvodu. Pokud je rozdíl potenciálů malý, UPS přestane spotřebovávat proud úplně. To vede k vyrovnání zkreslení a stabilizaci provozu elektrického zařízení.

Každý počítač, televizor nebo domácí elektrospotřebič vybavený elektronickým mikroobvodem je vybaven spínaným zdrojem, který může výrazně prodloužit jejich životnost a odstranit poruchy.

Metody ochrany

V praxi existuje několik způsobů, jak chránit zařízení před fázovou nerovnováhou v elektrické síti:

• Při výběru jádra kabelu, které odolá zvýšenému zatížení způsobenému fázovou nerovnováhou.
• Správné připojení spotřebitelů elektřiny k síti s rovnoměrným rozložením zátěže mezi fázemi.
• Zařazení do sítě doplňkového stabilizačního zařízení, které vyrovnává asymetrii při provozu domácích spotřebičů.
• Před organizací domácí sítě byste měli nejprve vypracovat projekt, vytvořit schéma připojení a vzít v úvahu rovnoměrné rozložení zátěže na každý prvek obvodu.
• Zařízení v rozvodném panelu relé, které umožňuje fázové řízení.

Při výstavbě rozšířené sítě se zařízeními pracujícími současně by bylo nejlepším řešením, jak se zbavit fázové nerovnováhy, instalace transformátoru, který dokáže současně stabilizovat provoz sítě a zajistit požadované proudové parametry.

Přerušený nulový vodič

Přerušení nulového vodiče je nejzřejmější a nejběžnější příčinou fázové nerovnováhy. Tento jev se týká nouzového stavu a je charakterizován následujícími znaky:

• Jakékoli jednofázové zařízení téměř okamžitě nefunguje a shoří.
• Napětí 220V generované v domácí síti je okamžitě převedeno na 380V.
• Klasické schéma rovnostranného trojúhelníku s paprskovými vektory připojenými k neutrálu ve středu je porušeno, což způsobuje asymetrii v rozložení fázových napětí.

Pokud se nulový vodič v panelu přeruší, měl by se okamžitě spustit jistič nouzového vypnutí. Pro obnovení normálního provozu obvodu je nutné naléhavé řešení problémů.

Důsledky přerušení nulového vodiče

Když se nulový vodič přeruší, obvykle nastanou následující nepříznivé důsledky:

• Funkci neutrálu přebírá fázový vodič, který je maximálně zatížen.
• Napětí na tomto jádru vzroste na maximálních 380V, přičemž v nejlehčím zatíženém kabelu naopak klesne, až na 127V.
• Při provozu všech spotřebičů v místě připojení zařízení bude na obou fázích pozorováno napětí 380 V bez nuly. To povede k nekonstruovanému zatížení každého elektrického spotřebiče a jeho poruše. Při dlouhodobém provozu sítě s přerušeným nulovým vodičem také selhávají spínané zdroje, což má za následek vyhoření složitých elektronických zařízení.
• Zařízení připojená na konec elektrického obvodu jsou ohrožena požárem, protože při nesprávném seřízení fází na nich RCD často nefunguje.

Nejzávažnější důsledky přerušení nulového vodiče při absenci zemnícího kabelu jsou pozorovány, když dojde ke zkratu a vodivé části zařízení jsou pod napětím. V takových situacích se zvyšuje riziko úrazu elektrickým proudem, což znamená ohrožení zdraví.

Metody ochrany

Aby se zabránilo přerušení nulového vodiče nebo aby byla zajištěna řádná ochrana, je třeba provést následující opatření:

• Všechny kabely v okruhu musí být správně zapojeny v souladu s pořadím. Práce musí provádět odborný montážník, který má přístup k práci s elektroinstalacemi minimálně 3 kategorií.
• Je nutné pravidelně kontrolovat spolehlivost připojení svorek v panelu. Volný kontakt má za následek jiskru, oxidaci kovových částic a v důsledku toho jejich roztavení.
• Pokud je kabel položen vzduchem, musí být chráněn před negativními vlivy prostředí – zatížením větrem a ledem.
• Proudové chrániče zahrnuté v okruhu nouzového vypnutí musí být přesně navrženy pro kritickou zátěž a pracovat v co nejkratším čase.
• Je možné se vyhnout přerušení nulového vodiče, pokud je na vedení instalováno stabilizační zařízení, které umožňuje vyrovnat fázovou nerovnováhu.

Aby se předešlo nehodě, je nutné věnovat zvýšenou pozornost kvalitní instalaci, instalovat další ochranná zařízení a také pravidelně provádět kontrolní a preventivní práce na elektrickém obvodu.

Důvody fázové nesymetrie v jednofázové síti

K fázové nerovnováze přispívá několik důvodů, které se dělí na interní, související se sítí a externí:

1. Vnitřní důvody:

• Nerovnoměrné zatížení mezi fázemi, když jsou k obvodu připojeny spotřebiče.
• Zanedbání koeficientu jednorázového provozu elektrických přijímacích zařízení.
• Chyby v účtování nerovnoměrnosti zatížení v závislosti na jeho typu – indukční nebo kapacitní.

1. Vnější příčiny:

• Porucha na vedení vysokého napětí vedoucího k transformátoru.
• Pokud jsou závady na elektrických izolátorech vnějšího kabelového vedení.
• Pokud jsou do společného vedení vysokého napětí zařazeny spotřebiče s nesrovnatelně větším výkonem.

Příčinou fázové nerovnováhy a potřeby instalace ochranných zařízení jsou nejčastěji kombinace vnějších a vnitřních faktorů. To vyžaduje při výskytu poruchy komplexní kontrolu celého kabelového vedení.

Ochrana proti fázové nesymetrii v jednofázové síti

Pro zajištění ochrany proti fázové nesymetrii v jednofázové síti je nutné zajistit, aby v obvodu byla zahrnuta následující zařízení:

• Napěťové rázy zachycují proudové chrániče, které obvod včas otevřou a zabrání tak poruše zařízení.
• Pro neustálé sledování asymetrického přerozdělení zátěže je v síti instalován stabilizátor napětí. Při instalaci zařízení je dosaženo ochrany proti fázové nesymetrii.
• Pro stabilní provoz jednofázové sítě odborníci také doporučují instalaci speciálních transformátorů, které zajišťují symetrické rozložení zátěže.

V některých případech je povoleno použití kondenzátorů s proměnnou kapacitou a nízkou proudovou vodivostí.

Odstranění fázové nerovnováhy

Fázovou nerovnováhu lze odstranit několika způsoby. Náprava tohoto negativního jevu připojením dalšího zařízení k síti je méně efektivní původně zvolené správné připojení:

• Vzhledem k tomu, že fázová nerovnováha je nouzová situace, lze ji snadno odstranit přerozdělením zátěže. K tomu jsou všichni spotřebitelé připojeni k okruhu tak, aby každý stroj měl rovnoměrné rozložení zátěže.
• Pokud se kabel přetrhne, je nutné závadu opravit.
• Při připojování zařízení je třeba vzít v úvahu koeficient současného použití každého zařízení, aby se zabránilo vytváření špičkových zatížení na jedné fázi.

Pokud jsou splněny všechny výše uvedené podmínky, lze se vyhnout fázové nesymetrii, pokud problém nesouvisí s vnějšími faktory a problémy s fungováním vysokonapěťové sítě.

Důvody fázové nevyváženosti v třífázové síti

Určení příčiny fázové nerovnováhy v třífázové síti je velmi jednoduché, k tomu je třeba zkontrolovat zařízení na jednu ze tří možných poruch spojených s výskytem asymetrie a napěťových rázů:

• Nesprávná distribuce mezi jednofázovými spotřebiči elektřiny v síti se současným zapnutím, což má za následek přetížení jedné fáze a podtížení druhé.
• V případě poruchy nulového kabelu, která způsobí prudký nárůst napětí, když jeden z fázových vodičů začne fungovat jako nulový vodič.
• Když je fázový vodič uzemněn, což má za následek zkrat a aktivaci automatického ochranného zařízení.

Pokud je zjištěn některý z výše uvedených důvodů, je nutné problém odstranit pro normální provoz všech elektrických zařízení připojených k síti.

Ochrana proti fázové nesymetrii v třífázové síti

Aby byla zajištěna ochrana proti fázové nerovnováze, než dojde k negativním nevratným důsledkům, měla by být přijata řada preventivních opatření:

• Integrace relé pro monitorování fázového proudu do sítě. Zařízení zajišťuje nepřetržité čtení napěťových rázů. Zařízení má předem nastavené okrajové podmínky, při jejichž dosažení automaticky odpojí obvod.
• Před připojením zařízení k síti je nutné zkontrolovat fázové vodiče a nulový vodič na přerušení a spolehlivost kontaktů.
• Zařazení 3fázových stabilizačních zařízení do obecné sítě. Před nákupem byste se měli seznámit s technickými vlastnostmi, protože vyrovnání napětí nevyhnutelně znamená ztrátu energie.

Pro zajištění nepřetržitého provozu sítě po celou dobu provozu by měl být instalován transformátor, který zajišťuje symetrii rozložení zátěže bez ohledu na počet a výkon spotřebitelů.

Odstranění fázové nesymetrie v třífázové síti

Chcete-li odstranit fázovou nerovnováhu v třífázové síti, musíte postupně provést určité kroky:

• Změňte schéma připojení elektrických spotřebičů k síti s přerozdělením zátěže na základě jejich jednorázového provozu.
• Prvotní montáž řetězu dle předem vypracovaného projektu, eliminující fenomén asymetrie.
• Zařazení do sítě třífázového stabilizátoru navrženého pro maximální dovolené zatížení daného obvodu.

Pro odstranění následků zkreslení je nutné instalovat stroje se správně zvolenými parametry.

Výpočet fázové nevyváženosti

Výpočet fázové nerovnováhy lze provést v jednom kroku pomocí vzorce:

U_min – minimální napětí na jedné z fází,

U_max – maximální napětí na opačné fázi.

Je to bezrozměrná veličina, která se určuje jako procento jmenovitého napětí v síti.

Přípustná fázová nerovnováha PUE

Podle PUE, což jsou regulační dokumenty, je přípustná fázová nerovnováha v třífázové síti následující hodnoty:

• Pokud je nesouosost zjištěna v rozvodných panelech (DP), maximální poměr napětí nemůže dosáhnout více než 30 %.
• V případě, že je na ASU – vstupních distribučních zařízeních pozorována nerovnováha – 15%.
• Pokud je asymetrie zjištěna v opačném pořadí – 2%.
• Fázová nerovnováha v pozitivní sekvenci by neměla být větší než 4 %.

Pokud jsou zjištěny odchylky ve stanovených rozmezích, provoz elektroinstalace nezpůsobuje poruchu zařízení a eliminuje zkraty, což snižuje riziko úrazu elektrickým proudem. Přípustná fázová nerovnováha v proudu PUE se porovnává se skutečným indikátorem na základě provedených měření, což nám umožňuje vyvodit závěr o provozuschopnosti sítě.

Závěr

Fázová nesymetrie v třífázové síti je negativní jev, ke kterému dochází, když jsou zátěže nesprávně rozděleny mezi pevně uzemněný nulový vodič a fázový kabel. Příčinou těchto problémů může být zpravidla nesprávná montáž obvodu a zanedbání koeficientu sdílení zařízení v něm obsaženého. Veškeré spojovací práce musí být provedeny v přísném souladu s projektem a do sítě musí být integrována stabilizační zařízení. Chcete-li odstranit fázovou nerovnováhu, musíte změnit schéma síťového připojení nebo nainstalovat speciální transformátor na vstup.

Volba mezi jednofázovým a třífázovým vstupem při elektrifikaci soukromého domu

V průběhu času spotřeba elektrické energie obyvatelstvem neustále roste. Objem spotřebované elektřiny na hlavu je v současnosti mnohonásobně větší než před půl stoletím.

V polovině minulého století bylo ze všech elektrických spotřebičů v každém soukromém domě jen pár žárovek a sporák. V současné době se počet spotřebitelů elektřiny v domácnosti v jednom bytě nebo soukromém domě pohybuje v desítkách. Proto se v obytných prostorách místo obvyklé jednofázové sítě stále častěji používají třífázové kabelové průchodky.

Třífázový vstup

Toto řešení má určité výhody, ale není vhodné pro všechny případy.

Je rozšířeným názorem, že k třífázové síti lze připojit více elektrických spotřebičů, protože poskytuje přístup k většímu výkonu. Není to však tak úplně pravda. Maximální přípustný výkon je uveden v technických specifikacích pro připojení. Typicky je to pro jednofázovou síť 10-15 kilowattů na domácnost a pro třífázovou síť – 15 kilowattů. Výkonová výhoda třífázové sítě je tedy zanedbatelná nebo žádná.

Je však třeba vzít v úvahu, že pro třífázovou síť stejného výkonu je možné položit vstupní kabel mnohem menšího průměru. To je způsobeno distribucí energie a elektrického proudu do tří fází, díky čemuž je každý jednotlivý fázový vodič méně zatížen. V důsledku toho bude jmenovitý výkon vstupního jističe v třífázové síti také nižší.

Tyto výhody však nehrají rozhodující roli. Mnohem důležitější je, že vstupní elektrický panel pro třífázovou síť zabírá mnohem více místa.

To je způsobeno tím, že třífázový elektroměr je vždy mnohem větší než jakýkoli jednofázový. Úvodní stroj navíc zabírá tři nebo dokonce čtyři moduly. Zvětšené rozměry mají i třífázové proudové chrániče. Proto vstupní elektrický panel pro třífázovou síť často zabírá několik vrstev, což je nepochybně významná nevýhoda.

Navzdory všemu výše uvedenému vám třífázová síť umožňuje přímo připojit třífázové elektrické spotřebiče – kotle, kamna, asynchronní elektrické pohony atd.

Fázová nerovnováha

Samostatným problémem při použití třífázové sítě je „fázová nerovnováha“. Vzhledem k tomu, že hlavní napájecí síť je vždy třífázová a je téměř nemožné rozložit zátěž rovnoměrně mezi tři fáze, bude se napětí v nich vždy lišit. Tento problém nelze vyřešit provedením třífázového vstupu kvůli velkému počtu spotřebitelů připojených k této síti. Je však možné a nutné zajistit co nejrovnoměrnější rozložení zátěže ve vaší elektrické síti po měřicím zařízení. Úspěch řešení tohoto problému přímo závisí na profesionalitě elektrikáře provádějícího instalační práce.

V jednofázové elektrické síti „fázová nerovnováha“ často vede k tomu, že spotřebitelé připojení k „neúspěšné“ fázi trpí kvůli příliš nízkému napětí. Uživatelé třífázového vstupu se s takovým problémem nepotýkají, protože mohou připojit důležité jednofázové elektrické spotřebiče k fázi, ve které se napětí nesnížilo kvůli výskytu „zešikmení“.

Třífázová síť udržuje napětí 380 V, které je výrazně vyšší než napětí 220 V udržované v jednofázové síti. Z tohoto důvodu je třeba při použití třífázové sítě věnovat zvláštní pozornost dodržování bezpečnostních požadavků.

Z hlediska požární bezpečnosti je třífázový vstup charakterizován zvýšenými riziky, protože při napětí 380 V v případě zkratu bude proud mnohem větší.

Na základě všech výše uvedených skutečností jsou hlavní nevýhody třífázového vstupu při elektrifikaci soukromého domu následující:

1. Velké rozměry úvodního elektrického panelu. Pro majitele prostorných venkovských chat není toto mínus významné, protože netrpí nedostatkem volného prostoru. V malých soukromých domech je však třeba tento faktor vzít v úvahu.
2. Nutnost získat technické podmínky a povolení k připojení k elektrické síti od organizace prodeje energie. To je docela obtížný úkol, který nejen vyžaduje čas a úsilí, ale také ne vždy vede k požadovaným výsledkům.
3. Nutnost vybavit vstupní elektrický panel omezovači přepětí. Jejich instalace je velmi žádoucí pro jednofázový vstup, ale v třífázové síti je naprosto nezbytná. Pokud se totiž jednotlivá pracovní nula rozbije, povede to k přepětí alespoň v jedné fázi.
1. Zvýšené riziko úrazu elektrickým proudem a požáru v důsledku vyššího napětí. Toto riziko není příliš velké, ale je třeba s ním počítat. Aby se snížila pravděpodobnost nežádoucích následků, je nutné před vstupem do domu nainstalovat další třípólový jistič velkého výkonu. Toto opatření může poskytnout ochranu proti zkratům na vstupu. To platí zejména pro dřevostavby.

Mezi výhody třífázového vstupu při elektrifikaci soukromého domu patří:

1. Snížení jmenovitého proudu na vstupním ochranném zařízení a zmenšení průměru vstupního kabelu.
2. Schopnost zabránit vzniku efektu „fázové nerovnováhy“ redistribucí zátěže mezi stávající fáze.
3. V některých případech je se souhlasem organizace prodeje energie možné zvýšit maximální povolenou spotřebu elektrické energie.
4. Možnost připojení třífázových výkonných elektrických spotřebičů přímo do sítě. To je hlavní výhoda třífázového vstupu.

Závěr

Na základě výše uvedených informací můžeme konstatovat, že pro elektrifikaci soukromých domů, ve kterých je obytná plocha alespoň 100 metrů čtverečních, je vhodné použít třífázový vstup. m. V takových domech je počet použitých jednofázových elektrických spotřebičů poměrně velký a je možné zajistit co nejrovnoměrnější rozložení zátěže. Třífázový vstup je navíc vhodný pro připojení výkonných třífázových elektrických spotřebičů k síti.

Ve všech ostatních případech není potřeba třífázový vstup. Mějte prosím na paměti, že při používání mohou nastat další problémy.

Viz též:

• Katalog oficiálních stránek System Electric
• Spínače Schneider Atlas Design
• Rám Schneider Electric