Чем объясняется несимметрия токов холостого хода в трехфазном трансформаторе
Причины возникновения несимметричных режимов в электрических сетях
Симметричная трехфазная система напряжений характеризуется одинаковыми по модулю и фазе напряжениями во всех трех фазах. При несимметричных режимах напряжения в разных фазах не равны.
Несимметричные режимы в электрических сетях возникают по следующим причинам:
1) неодинаковые нагрузки в различных фазах,
2) неполнофазная работа линий или других элементов в сети,
3) различные параметры линий в разных фазах.
Наиболее часто несимметрия напряжений возникает из-за неравенства нагрузок фаз. Поскольку основной причиной несимметрии напряжения является различие по фазам (несимметричная нагрузка), то это явление наиболее характерно для низковольтных электрических сетей 0,4 кВ.
В городских и сельских сетях 0,4 кВ несимметрия напряжений вызывается в основном подключением однофазных осветительных и бытовых электроприемников малой мощности. Количество таких однофазных электроприемников велико, и их нужно равномерно распределять по фазам для уменьшения несимметрии.
В сетях высокого напряжения несимметрия вызывается, как правило, наличием мощных однофазных электроприемников, а в ряде случаев и трехфазных электроприемников с неодинаковым потреблением в фазах. К последним относятся дуговые сталеплавильные печи. Основные источники несимметрии в промышленных сетях 0,38—10 кВ — это однофазные термические установки, руднотермические печи, индукционные плавильные печи, печи сопротивления и различные нагревательные установки. Кроме того, несимметричные электроприемники — это сварочные аппараты различной мощности. Тяговые подстанции электрифицированного на переменном токе железнодорожного транспорта являются мощным источником несимметрии, так как электровозы — однофазные электроприемники. Мощность отдельных однофазных электроприемников в настоящее время достигает нескольких мегаватт.
Различают два вида несимметрии: систематическую и вероятностную, или случайную. Систематическая несимметрия обусловлена неравномерной постоянной перегруз- кой одной из фаз, вероятностная несимметрия соответствует непостоянным нагрузкам, при которых в разное время пе- регружаются разные фазы в зависимости от случайных факторов (перемежающаяся несимметрия).
Неполнофазная работа элементов сети вызывается кратковременным отключением одной или двух фаз при коротких замыканиях либо более длительным отключением при пофазных ремонтах. Одиночную линию можно оборудовать устройствами пофазного управления, которые отключают поврежденную фазу линии в тех случаях, когда действие АПВ оказывается неуспешным из-за устойчивого короткого замыкания.
В подавляющем большинстве устойчивые короткие замыкания однофазные. При этом отключение поврежденной фазы приводит к сохранению двух других фаз линии в работе.
В сети с заземленной нейтралью электроснабжение по неполнофазной линии может оказаться допустимым и позволяет отказаться от строительства второй цепи линии. Неполнофазные режимы могут возникать и при отключении трансформаторов.
В некоторых случаях для группы, составленной из однофазных трансформаторов, при аварийном отключении одной фазы может оказаться допустимым электроснабжение по двум фазам. В этом случае не требуется установка резервной фазы, особенно при наличии двух групп однофазных трансформаторов на подстанции.
Неравенство параметров линий по фазам имеет место, например, при отсутствии транспозиции на линиях или удлиненных ее циклах. Транспозиционные опоры ненадежны и являются источниками аварий. Уменьшение числа транспозиционных опор на линии уменьшает ее повреждаемость и повышает надежность. В этом случае ухудшается выравнивание параметров фаз линии, для которого обычно и применяется транспозиция.
Влияние несимметрии напряжений и токов
Появление напряжений и токов обратной и нулевой последовательности U2, U0, I2, I0 приводит к дополнительным потерям мощности и энергии, а также потерям напряжения в сети, что ухудшает режимы и технико-экономические показатели ее работы. Токи обратной и нулевой последовательностей I2, I0 увеличивают потери в продольных ветвях сети, а напряжения и токи этих же последовательностей — в поперечных ветвях.
Наложение U2 и U0 приводит к разным дополнительным отклонениям напряжения в различных фазах. В результате напряжения могут выйти за допустимые пределы. Наложение I2 и I0 приводит к увеличению суммарных токов в отдельных фазах элементов сети. При этом ухудшаются ус- ловия их нагрева и уменьшается пропускная способность.
Несимметрия отрицательно сказывается на рабочих и технико-экономических характеристик вращающихся электрических машин. Ток прямой последовательности в статоре создает магнитное поле, вращающееся с синхронной частотой в направлении вращения ротора. Токи обратной последовательности в статоре создают магнитное поле, вращающееся относительно ротора с двойной синхронной частотой в направлении, противоположном вращению. Из- за этих токов двойной частоты в электрической машине возникают тормозной электромагнитный момент и дополнительный нагрев, главным образом ротора, приводящие к сокращению срока службы изоляции.
В асинхронных двигателях возникают дополнительные потери в статоре. В ряде случаев приходится при проектировании увеличивать номинальную мощность электродвигателей, если не принимать специальные меры по симметрированию напряжения.
В синхронных машинах кроме дополнительных потерь и нагрева статора и ротора могут начаться опасные вибрации. Из-за несимметрии сокращается срок службы изоляции трансформаторов, синхронные двигатели и батарей конденсаторов уменьшают выработку реактивной мощности.
Несимметрия напряжения в цепи питания осветительной нагрузки приводит к тому, что световой поток светильников одной фазы (фаз) уменьшается, а другой фазы — увеличивается, снижается срок службы ламп. На одно- и двухфазные электроприемники несимметрия воздействует как отклонение напряжения.
Суммарный ущерб, обусловленный несимметрией в промышленных сетях, включает стоимость дополнительных потерь электроэнергии, увеличение отчислений на реновацию от капитальных затрат, технологический ущерб, ущерб, обусловленный снижением светового потока ламп, установленных в фазах с пониженным напряжением, и сокращением срока службы ламп, установленных в фазах с повышенным напряжением, ущерб из-за уменьшения реактивной мощности, генерируемой конденсаторными батареями и синхронными двигателями.
Несимметрия напряжений характеризуется коэффициентом обратной последовательности напряжений и коэффициентом нулевой последовательности напряжений, нормальное и максимальное допустимые значения которых составляют 2 и 4 %.
Симметрирование напряжений в сети сводится к компенсации тока и напряжения обратной последовательности.
При стабильном графике нагрузок снижение систематической несимметрии напряжений в сети может быть достигнуто выравниванием нагрузок фаз путем переключения части нагрузок с перегруженной фазы на ненагруженную.
Рациональное перераспределение нагрузок не всегда позволяет снизить коэффициент несимметрии напряжений до допустимого значения (например когда часть мощных однофазных электроприемников работает по условиям технологии не все время, а также при профилактических и капитальных ремонтах). В этих случаях необходимо применять специальные симметрирующие устройства.
Известно большое число схем симметрирующих устройств, часть из них выполняется управляемыми в зависимости от характера графика нагрузки.
Для симметрирования однофазных нагрузок применяется схема, состоящая из индуктивности и емкости. Нагрузка и включенная параллельно ей емкость включаются на линейное напряжение. На два других линейных напряжения включаются индуктивность и еще одна емкость.
Для симметрирования двух- и трехфазных несимметричных нагрузок применяется схема с неодинаковыми мощностями батарей конденсаторов, включенными в треугольник. Иногда применяют симметрирующие устройства со специальными трансформаторами и автотрансформаторами.
Поскольку симметрирующие устройства содержат батареи конденсаторов, целесообразно применять такие схемы, в которых одновременно симметрируется режим и генерируется Q с целью ее компенсации. Устройства для одновременного симметрирования режима и компенсации Q находятся в стадии разработки.
Снижение несимметрии в четырехпроводных городских сетях 0,38 кВ можно осуществлять путем уменьшения тока нулевой последовательности I0 и снижения сопротивления нулевой последовательности Z0 в элементах сети.
Уменьшение тока нулевой последовательности I0 в первую очередь достигается перераспределением нагрузок. Выравнивание нагрузок достигается использованием сетей, в которых все или часть трансформаторов работают параллельно на стороне низкого напряжения. Снижение сопротивления нулевой последовательности Z 0 можно легко осуществить для воздушных линий 0,38 кВ, которые обычно сооружаются в районах с малой плотностью нагрузки. Целесообразность уменьшения Z0 для кабельных линий, т. е. увеличения сечения нулевого провода, должна быть специально обоснована соответствующими технико-экономическими расчетами.
Существенное влияние на несимметрию напряжений в сети оказывает схема соединения обмоток распределительного трансформатора 6—10/0,4 кВ. Большинство распределительных трансформаторов, установленных в сетях, имеют схему звезда — звезда с нулем (У/Уо). Такие распределительные трансформаторы дешевле, но у них велико сопротивление нулевой последовательности Z0.
Для снижения несимметрии напряжений, вызываемой распределительными трансформаторами, целесообразно применять схемы соединения треугольник— звезда с нулем (Д/Уо) или звезда—зигзаг (У/Z). Наиболее благоприятно для снижения несимметрии применение схемы У/Z. Распределительные трансформаторы с таким соединением более дорогие, и изготовление их очень трудоемко. Поэтому их надо применять при большой несимметрии, обусловленной несимметрией нагрузок и сопротивление нулевой последовательности Z0 линий.
Несимметрия трехфазных напряжений и токов
Несимметричные режимы обусловливаются тремя причинами:
Наиболее частой причиной несимметрии напряжений на практике является неравенство токовых нагрузок фаз. При этом различают два вида несимметрии: систематическую и вероятностную несимметрию. Характерной чертой систематической несимметрии является постоянная перегрузка одной из фаз; в этом случае производят выравнивание нагрузок фаз путем переключения части нагрузок с перегруженной на недогруженную фазу.
Вероятностная несимметрия характеризуется попеременной перегрузкой то одной, то другой фазы (перемежающаяся несимметрия). В сетях 0,4 кВ городов и сельских населенных пунктов несимметрия напряжений вызывается в основном тем, что к этим сетям подключаются бытовые ЭП, являющиеся преимущественно однофазными, а в сетях более высоких напряжений – наличием у потребителей мощных однофазных нагрузок и трехфазных, но с неодинаковым потреблением по фазам. К последним относятся, в частности, дуговые сталеплавильные печи. Ток, проходящий по дуге каждой фазы, определяется расстоянием между электродом и шихтой.
Обвалы шихты в период ее расплава не позволяют поддерживать одинаковые расстояния во всех фазах и их токи оказываются разными. Другим мощным источником несимметрии являются тяговые подстанции 275 U1A U1A а б U1C U1C U1B U2A U0A ϕ2 ϕ0 U2B U U0B 2C U0C U2C U0C UC U2B U1B U0A U0B UA UB железнодорожного транспорта, электрифицированного на переменном токе, так как электровозы являются однофазными электроприемниками.
Система векторов междуфазных (линейных) напряжений UBA, UAC, UCB замкнута (составляется в треугольник), поэтому нулевая последовательность в ней присутствовать не может. Система векторов фазных напряжений UA, UB, UC при наличии нулевой последовательности разомкнута; геометрическая сумма векторов равна утроенному значению напряжения нулевой последовательности.
Воздействие несимметричной системы напряжений на электрооборудование такое же, как трех симметричных систем. Суть этого воздействия на однофазные и трехфазные ЭП различна. Для однофазных ЭП значение имеет лишь напряжение той фазы, к которой они подключены. Так как средства РН в ЦП изменяют напряжения одинаково во всех трех фазах, то соотношение между напряжениями остается неизменным. В результате отклонение напряжения во всех фазах в ряде случаев не удается поддерживать в допустимых пределах.
Рис. 8.2. Разложение несимметричной системы векторов на симметричные составляющие
Это вызывает некоторое снижение скорости вращения асинхронного двигателя (увеличивается скольжение s), скорость же вращения синхронного двигателя, естественно, измениться не может. В обмотках двигателей возникает ток обратной последовательности, значение которого определяется сопротивлением обратной последовательности обмоток.
Сопротивление обмоток двигателя зависит от скольжения ротора относительно статора s и выражается зависимостью, показанной на рис. 8.3.
При нормальной работе асинхронного двигателя скольжение мало (s 
Рис. 8.3. Зависимость сопротивления асинхронного двигателя от скольжения
Для заторможенного двигателя s = 1, а сопротивление резко падает до хк. Отношение xc /хк определяет кратность пускового тока (обычно kп = 4 – 7). При увеличении скольжения до s = 2 (поле статора вращается в одну сторону, а ротора – в другую, что имеет место для токов обратной последовательности) значение хд практически не изменяется по сравнению с хк. А это значит, что для токов обратной последовательности сопротивление двигателя в kп раз меньше, чем для прямой последовательности. Поэтому, например, при возникновении на вводе двигателя с kп = 7 напряжения обратной последовательности U2 = 3 % ток обратной последовательности в его обмотках составит 21 % тока прямой последовательности, что вызовет их дополнительный нагрев.
где множители a и a2 представляют собой операторы поворота векторов на 120° и 240°.
Вектор, как известно, характеризуется двумя параметрами: модулем и углом его расположения на плоскости. Использование формул (8.5) для расчета симметричных составляющих предполагает измерение не только модулей напряжений, но и углов между их векторами. Это осуществляется специальными приборами, фиксирующими моменты перехода мгновенных напряжений фаз через ноль. Погрешности измерения углов добавляются к погрешности измерения модулей напряжений и ухудшают общую точность измерения. Погрешности измерения углов увеличиваются при наличии в сети высших гармоник (иногда в точке, близкой к нулю, возникают многочисленные пересечения нуля) и при резкопеременных нагрузках, приводящих к нестабильности периода основной частоты (см. п. 8.1.1). В метрологических стандартах рекомендуется при измерениях моментов перехода мгновенных напряжений фаз через ноль принимать меры по подавлению высших гармоник. Кроме того, в практике эксплуатации сетей линейные и фазные напряжения измеряют не с помощью дорогих специальных приборов, а с помощью обычных вольтметров. При этом углы расположения векторов на плоскости остаются неизвестными.
Вместе с тем данная проблема кажется искусственной. Измерения углов не являются обязательными, если все параметры симметричных составляющих, включая и углы сдвига между ними, можно определить по строгим алгебраическим формулам на основе измерения только модулей напряжений. Такие формулы приведены ниже (выводы даны в прил. 6).
Параметры напряжений прямой и обратной последовательности междуфазных напряжений определяют по формулам:
После этого параметры напряжения нулевой последовательности определяют по формулам:
Приведенные формулы являются точными алгебраическими выражениями, так как получены без допущений. При компьютерной обработке данных сложность формул не имеет значения, поэтому применять приближенные формулы не рекомендуется. Кроме того, симметричные составляющие приходится рассчитывать и для токов, а в них обратная и нулевая последовательности имеют гораздо более высокие значения, чем в напряжениях. Поэтому допущения, принятые при выводе приближенных формул для напряжений (например, пренебрежение заведомо малыми величинами), могут оказаться неприемлемыми при использовании этих формул для токов.
В оценочных расчетах прямую последовательность можно принимать равной среднему значению трех измеренных напряжений, а обратную – равной 62 % разности наибольшего и наименьшего значений междуфазных напряжений. В фазных напряжениях обычно U0 >> U2ф. В связи с этим величиной U2ф можно пренебречь. Тогда значение U0 можно принимать равным 62 % разности наибольшего и наименьшего фазных напряжений.
При точных расчетах необходимо иметь в виду проблему соответствия фазных и междуфазных напряжений. Три междуфазных напряжения, полученные в результате замера, всегда «складываются» в треугольник, даже если измерены с погрешностью (исключение составляет практически нереальный случай, когда сумма двух напряжений меньше третьего). Следовательно, любым полученным значениям напряжений можно поставить в соответствие физически существующую систему векторов междуфазных напряжений. В связи с неизбежными при измерениях погрешностями она будет отличаться от реальной системы, но тем не менее физически будет существовать. В то же время измеренные фазные напряжения никогда не могут составить вместе с измеренными междуфазными напряжениями физически существующую систему шести напряжений. На рис. 8.4, а приведена ситуация, когда измеренные фазные напряжения не вмещаются в систему междуфазных напряжений, а на рис. 8.4, б – когда они «не дотягиваются» друг до друга. При любой, сколь угодно малой,
Рис. 8.4. Системы несимметричных линейных и фазных векторов
погрешности измерений зона неопределенности расположения нулевой точки (выпуклый или вогнутый треугольник 0AB – 0BC – 0CA) всегда будет существовать. Так как измеряемые напряжения по существу являются случайными величинами в диапазоне погрешности измерений, а вероятность попадания случайной величины в точку тождественно равна нулю, то теоретически невозможен случай такого сочетания погрешностей измерений, чтобы вектора всех трех фазных напряжений точно сошлись в одной точке.
На рис. 8.4, в показано различие положения нулевой точки, определяемого по разным парам фазных напряжений для случая, изображенного на рис. 8.4, б. Очевидно, что вычисление симметричных составляющих для физически несуществующей системы бессмысленно, поэтому необходимо сбалансировать результаты измерений. Формулы для расчета сбалансированных напряжений приведены в прил. 6.
Связь между напряжениями в узлах, токами в линии и сопротивлениями различных последовательностей выражается формулами:
Равенство фазных параметров нарушается при отключении фазы линии или (хотя и в значительно меньшей степени) при отсутствии транспозиции фазных проводов на линии или удлиненных ее циклах. В табл. 8.1 приведены значения взаимных сопротивлений последовательностей для нетранспонированных линий. Напряжение обратной последовательности на приемном конце такой линии составит 8–10 % от потерь напряжения прямой последовательности. Несимметричная система напряжений возникает и на шинах потребителей, питающихся от участков, находящихся внутри полного цикла транспозиции.
Параметры линий 110–750 кВ
* Волновое сопротивление и натуральную мощность определяют по формулам: 2 нат /; /. xb P U ρ
Несимметрия напряжений и токов трехфазной системы.
Несимметрия токов и напряжений — явление в многофазной (например, трёхфазной) сети переменного тока, при котором амплитуды фазных напряжений (токов) и/или углы между ними не равны между собой.
Причины несимметрии напряжений могут быть разными, но основная из них — это несимметрия токов в сети, обусловленная неравенством нагрузки по фазам.
В зависимости от схемы соединения вторичных обмоток трёхфазного трансформатора на питающей подстанции возможны различные последствия несимметрии.
Так при соединении обмоток звездой и четырёхпроводном питании потребителей (с нулевым проводом), возможны следующие ситуации:
• Обрыв нулевого провода — в этом случае линейное напряжение остается неизменным, а фазовые напряжения распределяются между однофазными потребителями пропорционально их электрическому сопротивлению. Пусть, например, в момент обрыва нулевого провода в подъезде многоквартирного дома, в одной из квартир (подключённой, к примеру, к фазе А) работает компьютер мощностью 242 Вт (сопротивление 200 Ом), а в другой квартире (фаза Б) — утюг мощностью 2420 Вт (сопротивление 20 Ом). Такая ситуация является перекосом фаз. Пока ток протекает по нулевому проводу, не возникает разбаланса фазных напряжений — у обоих потребителей напряжение останется равным 220 В. При обрыве нулевого провода, линейное напряжение между фазами А и Б остаётся таким же, как и до обрыва, — равным 380 В, но в связи с отсутствием тока в оборванном нулевом проводе напряжения между электроприёмниками распределятся так: компьютер получит 380 * 200 / (200 + 20) = 345 В, а утюг — 34,5 В. В результате такой аварии компьютер выйдет из строя.
· Короткое замыкание фазного провода на нулевой — в этом случае, если не сработает защита от коротких замыканий, напряжение между оставшимися фазами и нулевым проводом также увеличится. Значение напряжений в этом случае трудно предсказать, так как они сильно зависят от сопротивления проводов и внутреннего сопротивления трансформатора.
Обычно целью расчета несимметрии (перекоса фаз) является разложение несимметричного трехфазного напряжения на 3 симметричные составляющие: нулевой, прямой и обратной последовательности фаз. Расчет удобно выполнять на векторной плоскости, изображая напряжение каждой фазы в виде вектора с модулем (величиной) и аргументом (фазой).
Расчет можно выполнить по результатам измерения фазных и линейных напряжений сети, построив предварительно векторную диаграмму. Определить каждую из симметричных составляющих можно посредством такого сложения векторов напряженности, при котором сумма векторов двух оставшихся составляющих равна нулю.
Сумма мгновенных значений симметричного трехфазного напряжения равна нулю. Поэтому сумма 3-х векторов несимметричного фазного напряжения равна утроенному значению напряжения нулевой последовательности фаз.
ГОСТ 32144-2013 определяет два показателя качества электрической энергии для расчёта несимметрии напряжений трёхфазной сети:
· K2U — коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности (%);
· K0U — коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности (%).
Колебание частоты.
Колебание частоты- разность между наибольшим и наименьшим значениями основной частоты в процессе достаточно быстрого изменения параметров режима, когда скорость изменения частоты не меньше 0,2Гц в секунду. Колебания частоты не должны превышать 0,2Гц сверх допустимых отклонений 0,1Гц.
Колебания частоты – это серия единичных изменений частоты, происходящих со скоростью 0,2Гц/с.
или 
Основная причина возникновения колебаний частоты – это мощные электропотребители с резкопеременной активной нагрузкой (например, преобразователи главных электродвигателей прокатного стана). Возможность подключения таких электропотребителей к энергосистеме с мощностью короткого замыкания Sкз проверяют по допустимой скорости изменения активной мощности
из условия 
1,56Sкз
Одним из путей снижения колебаний частоты является увеличение мощности короткого замыкания Sкз в точке присоединения электропотребителей с резкопеременной и спокойной нагрузками. Если это не дает результатов, то применяют раздельное питание резкопеременных нагрузок от отдельных трансформаторов или отдельных ветвей расщепленных обмоток трансформатора.
Основной причиной возникновения колебаний частоты являются мощные приемники электроэнергии с резкопеременной активной нагрузкой (тиристорные преобразователи главных приводов прокатных станов). Активная мощность этих приемников изменяется от нуля до максимального значения за время менее 0,1с, вследствие чего колебания частоты могут достигать больших значений.
Изменения частоты даже в небольших пределах влияют на работу эллектросетей и приемников электроэнергии. Понижение частоты тока приводит к увеличению потерь мощности и напряжения в электросетях и к недовыработке продукции. Влияние снижения частоты на потребляемую мощность электроприемников различно:
1) потребляемая мощность приемниками электроосвещения, электропечами
сопротивления и дуговыми электропечами практически незначительно
зависит от частоты;
2) мощность забираемая механизмами с постоянным моментом на валу (металлорежущие станки, поршневые насосы, компрессоры и др.),
пропорциональна частоте;
3) потери мощности в сети пропорционально квадрату частоты;
4) потребляемая механизмами с вентиляторным моментом сопротивления (центробежные насосы, вентиляторы, дымососы и др.) мощность
пропорциональна частоте в третьей степени;
5) у центробежных насосов, работающих на сеть с большим статическим
напором (противодавлением), например у питательных насосов котельных,
потребляемая мощность пропорциональна частоте в степени выше третьей.
Изменение частоты существенно влияет на работу приборов и аппаратов применяемых в телевидении, вычислительной технике.