Соединение в звезду трехфазного генератора
Расположим на чертеже изображения трех обмоток ax, by и cz трехфазного генератора под углами 120° так, как это сделано на рисунке 1, а. Присоединим к каждой обмотке нагрузку. В данном случае это сопротивления za, zb и zc. На практике нагрузкой могут быть лампы, печи, электродвигатели и другие электроприемники. Для соединения обмоток генератора с нагрузками потребовалось шесть проводов. В каждый момент времени три из них являются прямыми – ток по ним идет от генератора к нагрузке. Другие три провода – обратные.
Векторы Ea, Eb и Ec расположены параллельно обмоткам и изображают их электродвижущие силы (э. д. с.). Напряжения Ua, Ub и Uc меньше соответствующих э. д. с. на величину падения напряжения в обмотках. Направления токов Ia, Ib и Ic изображены стрелками.
Объединение трех обратных проводов в один дает четырехпроводную схему (рисунок 1, б). В ней провода, присоединенные к выводам генератора а, b и с, называются линейными (или просто фазами). Общий провод называют либо нейтральным на том основании, что он в равной степени принадлежит любой фазе, либо нулевым, так как в ряде случаев ток в нем I0 равен нулю.
Естественно, возникает вопрос: может ли равняться нулю ток в проводе, по которому в генератор должны возвращаться токи трех фаз? Ответ дает рисунок 1, в, где векторами изображены токи Ia, Ib и Ic (сумма которых образует ток I0) и произведено их сложение. Сначала сложены токи двух фаз, затем их сумма сложена с током третьей фазы. В итоге получен нуль, так как геометрическая сумма токов двух фаз, что отчетливо видно на рисунке 1, в, по величине равна току третьей фазы b и направлена прямо противоположно.
Рисунок 1. Соединение в звезду трехфазного генератора.
Физический смысл полученного результата состоит в том, что благодаря сдвигу фаз между токами в каждый момент времени токи в одних линейных проводах идут от генератора, в других – к генератору. Иными словами, одни из них являются прямыми, другие – обратными. Роль линейных проводов в качестве прямых и обратных, понятно, непрерывно меняется, но так или иначе при равномерной (одинаковой) нагрузке фаз на долю нулевого провода тока не остается.
При равномерной нагрузке фаз нулевого провода не делают, получая, таким образом, трехпроводную схему (рисунок 1, г).
При неравномерной нагрузке в четырехпроводной схеме по нулевому проводу идет только небаланс токов. Поэтому сечение нулевого провода не больше сечения линейных проводов, а, как правило, вдвое меньше. Подробнее вопрос о сечении нулевого провода рассмотрен ниже.
Независимо от того, выполнена схема с шестью, четырьмя или тремя проводами (что для практики, конечно, не безразлично, во-первых, потому что трехпроводные схемы дешевле и, во-вторых, потому что каждая схема обладает определенными свойствами и предназначена для определенных условий), система не перестает быть трехфазной.
Электродвижущие силы Ea, Eb и Ec, напряжения Ua, Ub и Uc и токи Ia, Ib и Ic каждой фазной обмотки называют фазными. Напряжения Uab, Ubc и Uca, действующие между линейными проводами, а также токи в линейных проводах Ia, Ib и Ic называют линейными.
Основные соотношения:
1. При соединении в звезду линейные и фазные токи одинаковы, потому что для тока, проходящего через фазную обмотку, нет иного пути, кроме линейного провода.
2. Линейные напряжения больше фазных √3 = 1,73 раза, откуда вытекают известные соотношения 127 / 220 В (127 х 1,73 = 220); 220 / 380 В (220 х 1,73 = 380), 6,6 / 11 кВ (6,6 х 1,73 = 11) и так далее.
Как доказать, что линейные напряжения √3 = 1,73 раза больше фазных? Для этого придется начать с простого, но хорошо понятного примера. Две батареи с э. д. с. E1 = 5 В и E2 = 7 В можно соединить либо как на рисунке 2, а, либо как на рисунке 2, б. В первом случае соединены разноименные выводы: плюс (начало) одной батареи с минусом (концом) другой, и э. д. с, действующая между свободными разноименными выводами, равна сумме E1 + E2 = 5 + 7 = 12 В. Во втором – соединены одноименные выводы: плюс одной батареи с плюсом другой, и э. д. с, действующая между свободными одноименными выводами, равна разности E1 – Е2 = 5 – 7 = –2 В. Знак минус указывает на изменение направления напряжения на обратное по сравнению с тем, которое было только от одной э. д. с. E1. Короче говоря, результирующая э. д. с. при соединении разноименных выводов равна сумме, а при соединении одноименных выводов – разности составляющих э. д. с. и направлена в сторону большей э. д. с.
Рисунок 2. Определение линейных напряжений при соединении в звезду.
Теперь можно возвратиться к соединению в звезду. Так как в этом случае соединяют одноименные выводы (либо начала, либо концы), то результирующее линейное напряжение находится вычитанием. Сообразуясь со схемой на рисунке 2, в, на которой указано направление вращения фаз и обозначены разности Ua – Ub, Ub – Uс и Uс – Uа (вычитание ведут всегда в одном и том же направлении, то есть из напряжения опережающей фазы вычитают напряжение следующей за ней), на рисунке 2, д выполнено вычитание. Непосредственно измеряя длины векторов либо пользуясь формулами геометрии, легко убедиться, что линейные напряжения (Ua – Ub, Ub – Uc, Uc – Ua) в √3 = 1,73 раза больше фазных Ua, Ub, Uc.
К решению этого же вопроса, то есть к доказательству того, что линейные напряжения определяются вычитанием, можно подойти и иначе. Действительно, если включить лампу так, как показано на рисунке 2, г, то нетрудно видеть, что в лампе токи, созданные действием фазных напряжений Ua и Ub, направлены навстречу. Значит, линейное напряжение Uab надо находить вычитанием, но, понятно, геометрическим.
Из рисунка 2, д отчетливо видно, что векторная диаграмма симметричных линейных напряжений (Ua – Ub, Ub – Uc и Uc – Ua) сдвинута на 30° в сторону вращения векторов относительно диаграммы фазных напряжений Ua, Ub и Uc. Иными словами, напряжение Ua – Ub опережает на 30° Ua, Ub – Uc опережает на 30° Ub и Uc – Ua опережает на 30° Uc.
Сделаем еще один шаг. Перенесем с рисунка 2, д векторы Ua – Ub, Ub – Uc и Uc – Ua параллельно самим себе, так, чтобы их концы и начала оказались у концов векторов Ua, Ub и Uc, образующих звезду. При этом получится треугольник (рисунок 2, е).
Из него непосредственно следует, что:
для определения величин линейных напряжений достаточно около звезды фазных напряжений построить треугольник;
для определения направлений линейных напряжений у векторов, образующих стороны треугольника, нужно расставить стрелки в направлении вращения фаз.
Обозначение линейных напряжений
На рисунке 2, е линейные напряжения обозначены не только как разность соответствующих фазных напряжений, но также и одной буквой с двумя индексами, в нашем примере Uab (Ubc и Uca). Порядок индексов непроизволен: он показывает, в каком направлении производилось вычитание.
Итак, мы из одного фазного напряжения вычли равное ему по величине, но получили не нуль, а величину, в 1,73 раза большую. Этот результат не является неожиданным, так как производилось не алгебраическое, а геометрическое вычитание.
Воспользуемся случаем, чтобы подчеркнуть еще одно важное обстоятельство, с которым в дальнейшем мы неоднократно столкнемся. Оно состоит в том, что при геометрическом вычитании одной величины из другой, равной ей по модулю1 в отличие от алгебраического вычитания можно получить не только нуль, но и любую величину в пределах от нуля до удвоенного значения. Сказанное здесь иллюстрируется на рисунке 3 несколькими примерами. Слева произведено вычитание векторов, совпадающих по фазе (сдвиг 0°), и, естественно, получен нуль. Правее вычитаются векторы, сдвинутые на 45°: разность равна 0,707 длины любого из них и так далее. И, наконец, на рисунке 3 справа – разность оказалась вдвое больше уменьшаемого.
Рисунок 3. Разность векторов зависит от величины угла между ними.
Соединение в звезду электроприемников
Электроприемники могут представлять либо сосредоточенную, либо рассредоточенную нагрузку. Кроме того, она может быть равномерной, как, например, обмотки трехфазных электродвигателей, так и неравномерной, как, например, освещение домов, улиц и тому подобного.
Сосредоточенной нагрузкой являются: электродвигатель (рисунок 4, а), конденсаторная батарея (рисунок 4, б), театральная люстра (рисунок 4, в), где все три фазы расположены в непосредственной близости.
Распределенной нагрузкой являются: осветительные сети домов (рисунки 4, г и д), где от вводного ящика 1 по лестничным клеткам расходятся стояки 2, а от них в свою очередь сделаны ответвления 3 в квартиры. Очень важно понять, что в осветительных сетях не на всех участках существует трехфазная нагрузка.
Действительно, до вводного ящика идут четыре питающих провода: А, В, С и 0. Это настоящая трехфазная сеть – в ней по нулевому проводу проходит только ток небаланса всего дома, определяющийся неравномерностью нагрузки фаз. Это же относится к стоякам 2 на рисунке 4, г, где по нулевому проводу проходит ток небаланса в пределах данной лестничной клетки.
Что же касается стояков на рисунке 4, д, в каждом из которых только одна фаза и нуль, а также ответвлений в квартиры, то они хоть и питаются от трехфазной сети, но представляют собой однофазную нагрузку, так как и по фазному и по нулевому проводам проходит один и тот же ток (других путей нет). Поэтому сечения фазного и нулевого проводов должны быть одинаковы.
Рисунок 4. Соединение в звезду электроприемников.
Заметьте: при равномерной нагрузке (рисунок 4, а – в) применена трехпроводная схема. При неравномерной нагрузке (рисунки 4, г и д) – четырехпроводная.
Чтобы понять, почему делают именно так, обратимся к рисунку 5. На рисунке 5, а показаны три группы одинаковых ламп (то есть имеющих равные номинальные напряжения, в нашем примере 127 В, и равные мощности). При этих условиях и линейном напряжении сети 220 В лампы горят нормальным накалом. Но количество одновременно включенных ламп, а также их мощность в сетях освещения зависят от желания потребителей. В частном случае нагрузка одной из фаз, например фазы с, может быть на некоторое время совсем отключена (рисунок 5, б). И тогда нагрузки двух других фаз окажутся соединенными последовательно. Если они равны, то линейное напряжение разделится между ними поровну и лампы будут гореть с недокалом, так как 220 В / 2 = 110 В – меньше номинального напряжения 127 В.
Значительно хуже, если часть ламп, присоединенных к одной из фаз, например к фазе b, будет отключена, например так, как показано на рисунке 5, в. Действительно, сопротивление одной лампы в 3 раза больше сопротивления группы из трех таких же ламп, соединенных параллельно. Значит, напряжение 220 В разделится между ними неравномерно: на большее сопротивление придется 165 В (¾ от 220 В) и лампа может перегореть; на меньшее сопротивление придется 55 В (¼ от 220 В) 2.
При четырехпроводной схеме (рисунок 5, г) неравномерность нагрузки фаз не сказывается столь сильно на накале ламп благодаря тому, что нагрузка каждой фазы непосредственно присоединена к обоим выводам фазной обмотки генератора или вторичной обмотки трансформатора.
Следует, однако, отметить, что неравномерность нагрузки фаз даже и при наличии нулевого провода – явление нежелательное, особенно в тех случаях, когда нагрузка питается от вторичной обмотки трансформатора, соединенной в звезду, так как при неравномерной нагрузке в трансформаторе нарушается его магнитное равновесие. Этот важный вопрос рассмотрен в статье "Понятие о магнитном равновесии трансформатора".
Рисунок 5. Особенности соединений в звезду осветительной нагрузки.
Распределение нагрузки между фазами
Итак, мы всегда стремимся равномерно нагрузить фазы, то есть присоединить к каждой из них одинаковую мощность. При освещении лампами накаливания для этого достаточно правильно распределить лампы между фазами. При люминесцентном освещении надо выполнить еще одно условие, а именно: присоединить лампы, расположенные рядом, к разным фазам. Это объясняется следующим образом: люминесцентные лампы 100 раз в секунду зажигаются и гаснут, так как переменный ток частотой 50 Гц 100 раз в секунду проходит через нуль. Хотя мы не замечаем этих пульсаций света, но они вредно действуют на зрение. Если же рядом расположены лампы, присоединенные к разным фазам, то они будут гаснуть и загораться неодновременно, что значительно снизит глубину изменения светового потока.
Кроме того, глубокое изменение светового потока может исказить действительную картину движения предметов. Пусть, например, вращающийся предмет за время погасания лампы успеет сделать полное число оборотов. Значит, при каждом очередном освещении предмет будет виден в одном и том же положении, то есть будет казаться неподвижным. Если вращающийся предмет успеет за время погасания сделать немного меньше полного оборота, то будет казаться, что вращение происходит в обратную сторону. В производственных условиях, где имеются механизмы с вращающимися деталями, это крайне опасно.
Почему в нулевой провод не разрешается включать предохранитель?
Допустим, в начале стояка установлен предохранитель, но он перегорел (на рисунок 5, г он перечеркнут).
В этом случае четырехпроводная схема превращается в трехпроводную со всеми рассмотренными выше недостатками, присущими ей при неравномерной нагрузке фаз.
Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) в начале стояка в нулевой провод не разрешается включать предохранитель (рубильник, автомат). На этажных щитках лестничных клеток, откуда питание расходится по квартирам, предохранители (автоматы) устанавливают только в фазном проводе (рисунок 5, д) либо предохранителей вообще нет. В этом случае, однако, обязателен выключатель В или автомат А, которым вся квартира может быть отсоединена от стояка.
 |
| Рисунок 6. Установочный автомат типа ПАР–10 (предохранитель автоматический резьбовой на ток 10 А), ввертывающийся в предохранитель вместо пробки. 1 – кнопка для включения; 2 – кнопка для отключения. На корпусе автомата написаны его номинальные данные: предельное напряжение сети, например 250 В (эти же автоматы пригодны для сетей 127 и 220 В), и номинальный ток, например 10 А. Номинальный ток может проходить через автомат неограниченно долго. Но при перегрузке (превышении номинального тока) автомат отключается, причем тем скорее, чем перегрузка больше. Короткое замыкание автомат отключает мгновенно. |
Но в квартирах, где к предохранителям П имеют доступ лица, не имеющие специальной электротехнической подготовки, из-за чего не исключено недостаточно хорошее состояние предохранителей, их обязательно устанавливают на обоих проводах, чтобы повысить пожарную безопасность. Не противоречит ли это сказанному выше о недопустимости включать предохранитель в нулевой провод? Нисколько. Потому что нагрузка в пределах квартиры является однофазной, так как по обоим проводам и предохранителям проходит один и тот же ток. Значит перегорание предохранителя в любом проводе (фазном или нулевом – безразлично) не может привести к перекалу ламп: они просто погаснут.
Предохранители в осветительных сетях уступают место установочным автоматам благодаря тому, что автоматы обеспечивают более совершенную защиту и не требуют замены. В новых домах предохранители не применяют. В старых квартирах вместо пробок в предохранители можно установить автоматы (рисунок 6) с резьбовым цоколем, не производя каких-либо монтажных работ.
Сечение нулевого провода в четырехпроводных сетях
обычно меньше сечения фазных проводов. Поэтому в кабелях для четырехпроводных сетей три жилы толще, а одна, предназначенная для нулевого провода, тоньше. Такой кабель обозначается, например, так: 3×16+1×10 (три жилы сечением 16 мм² и одна–сечением 10 мм²). Однако в практике нередко возникает необходимость увеличить сечение нулевого провода. Рассмотрим два примера.
На рисунке 7 показаны три группы I, II, III ламп аварийного освещения, питающиеся в нормальном режиме от вторичной обмотки трансформатора Т (контактор К включен). При исчезновении напряжения переменного тока контактор отключается и лампы автоматически переключаются на аккумуляторную батарею АБ. При этом к проводу 1 (который ранее был нулевым) присоединяется "минус", а к трем проводам 2, 3 и 4 (которые раньше были фазными) присоединяется "плюс". Пока лампы питались от трансформатора, в проводе 1 был небольшой ток, равный геометрической сумме токов в проводах 2, 3 и 4. Когда же лампы переключились на аккумуляторную батарею, ток в проводе 1 стал равен арифметической сумме токов, то есть превысил ток в проводе 2, 3 или 4 примерно в 3 раза. Значит, сечение провода 1 должно быть не меньше, а значительно больше сечения провода 2, 3 или 4.
Рисунок 7. Сечение нулевого провода в схеме аварийного освещения, переключаемого с переменного тока на постоянный, должно быть больше сечения фазного провода.
Приведенный на рисунке 7 пример относится к сравнительно небольшому числу специальных электроустановок (например, к освещению театров и концертных залов).
Следующий пример имеет весьма широкое распространение. Речь идет о питании люминесцентных ламп по четырехпроводной системе. В этих условиях даже при совершенно равномерной нагрузке фаз по нулевому проводу проходят токи высших гармоник, в основном ток третьей гармоники. Этот ток столь значителен, что сечение четвертой жилы обычного четырехжильного кабеля оказывается недостаточным. Рассмотрим этот вопрос подробнее.
На рисунке 8, а показан синусоидальный ток (кривая 1) в фазе А. Такой ток был бы при нагрузке лампами накаливания. При нагрузке люминесцентными лампами дополнительно возникает ток третьей гармоники (кривая 2). Сложение кривых 1 и 2 дает кривую 3, которая показывает, что ток в фазе А несинусоидален. На рисунках 8, б и в изображены кривые для фаз В и С. Сравнивая кривые 2 на рисунках 8, а, б и в, видим, что токи третьих гармоник совпадают по фазе. Поэтому в нулевом проводе они арифметически суммируются, образуя кривую 4 тройной частоты 150 Гц (рисунок 8, г).
Рисунок 8. В нулевом проводе четырехпроводной трехфазной сети, питающей люминисцентные лампы, токи третьих гармоник всех трех фаз алгебраически суммируются, поэтому сечение нулевого провода должно быть увеличено.
В зависимости от схемы включения люминесцентных ламп, их типа, способа компенсации индуктивности балластных дросселей и тому подобного ток в нулевом проводе имеет большую или меньшую величину, но во всяком случае он велик и может даже превысить ток в фазном проводе.
Соединение в звезду обмоток трансформаторов
На рисунке 9, а дан пример соединения генератора Г, трех трансформаторов Т1, Т2, Т3, электродвигателя Д и однофазных нагрузок Н. В данном примере обмотки генератора, трансформаторов и электродвигателя соединены в звезду. Нетрудно видеть, что первичная обмотка трансформатора Т1 является электроприемником для генератора Г, вторичная обмотка трансформатора Т1 служит источником тока для первичной обмотки трансформатора Т2. Вторичная обмотка трансформатора Т2 – источник тока для первичной обмотки трансформатора Т3. Его вторичная обмотка – источник тока для электродвигателя Д и нагрузок Н.
Рисунок 9. Соединение в звезду трансформаторов.
Сравнение схем трансформаторов Т1, Т2 и ТЗ показывает, что они неодинаковы. Так, нейтральная точка первичной обмотки трансформатора Т1 заземлена и, следовательно, соединена с заземленной нейтральной точкой генератора Г. Нейтральные точки обмоток трансформатора Т2 не выведены. У трансформатора ТЗ выведена нейтральная точка вторичной обмотки, но от земли она изолирована. Конечно, соединения, показанные на рисунке 9, а, вовсе не обязательны, они даны здесь только для иллюстрации типичных случаев соединений в звезду.
Рисунки 9, б и в соответственно показывают, что в звезду можно соединить как три однофазных трансформатора, так и один трехфазный трансформатор.
На рисунке 9, г даны примеры различных соединений обмоток трансформаторов в звезду. Здесь буквы A, B, C – начала, а X, Y, Z – концы обмоток высшего напряжения (ВН); a, b, c и x, y, z – начала и концы обмоток низшего напряжения (НН). Рисунок 9, д иллюстрирует соединения в звезду с выведенной нейтралью обмотки ВН (слева), обмотки НН (в центре) и обеих обмоток (справа).
Ограничимся пока общим замечанием о том, что не все способы соединения трансформаторов в звезду равноценны. Различие в них определяется рядом причин, которые нельзя объяснить сразу, и поэтому они выяснятся в ходе дальнейшего изложения.
Заземление нейтрали
В старых выпусках ПУЭ указывалось, что городские электрические сети напряжением выше 1000 В должны выполняться трехфазными с изолированной нейтралью, а распределительные сети в новых городах – трехфазными четырехпроводными с наглухо заземленной нейтралью при напряжении 380 / 220 В. Однако существуют также сети напряжением 220 / 127 В, причем их нейтраль изолирована. При изолированной нейтрали применяют пробивные предохранители.
Обмотки силовых трансформаторов отечественных заводов напряжением 110 кВ и выше выполняют для работы с заземленной нейтралью, так как они имеют неполную изоляцию со стороны нулевых выводов.
Заземление нейтрали и безопасность
Поясним вкратце, зачем в сетях до 1000 В заземляют нейтраль, по каким причинам иногда отдают предпочтение изолированной нейтрали, для чего служат пробивные предохранители.
На рисунке 10, а показаны вторичные обмотки трансформатора Т, питающие четырехпроводную сеть напряжением 380 / 220 В, нейтраль которой изолирована. Пусть в рассматриваемый момент изоляция совершенно исправна. Тем не менее на рисунке показаны три сопротивления r, соединенные в звезду. Ее нейтралью является земля. Эти сопротивления условно изображают несовершенство изоляции проводов, которая в какой-то степени все же проводит ток. На этом же рисунке показаны три конденсатора C, соединенные в звезду. Ее нейтралью также служит земля. Конденсаторы условно изображают электрическую емкость проводов относительно земли, что в электроустановках переменного тока весьма важно, так как емкость проводит ток.
Рисунок 10. Потенциал нейтрали. Заземления в трехфазных системах.
Какие же напряжения имеются в рассматриваемой электроустановке? Между линейными проводами 380 В, между каждым линейным проводом и нейтралью трансформатора 220 В, между каждым линейным проводом и землей 220 В. Почему? Потому что земля оказалась нейтралью звезд из трех равных сопротивлений r и трех равных емкостей C. А если линейный провод относительно нейтрали трансформатора имеет такое же напряжение, как и относительно земли, то ясно, что между нейтралью трансформатора и землей напряжение равно нулю 3.
Прикосновение человека, стоящего на земле, к одному из линейных проводов небезопасно, так как через несовершенную изоляцию, емкости проводов и тело человека проходит ток. В один из моментов времени его направление показано на рисунке 10, б. Сила тока, а следовательно, и степень опасности определяются значениями сопротивлений, емкостей и фазным напряжением. Иными словами, в данном случае человек находится под напряжением 220 В.
Но что произойдет, если один из линейных проводов заземлится, а человек, стоящий на земле, прикоснется к другому линейному проводу? Из рисунка 10 в, видно, что человек окажется теперь не под фазным, а под линейным напряжением 380 В, что значительно опаснее.
В сетях с заземленной нейтралью человек, стоящий на земле и прикоснувшийся к линейному проводу, попадает под фазное напряжение (рисунок 10, г). Если при этом заземлится другой линейный провод (рисунок 10, д), то предохранитель перегорит, но повышения напряжения с фазного до линейного (как в сетях с изолированной нейтралью) не будет.
Это значит, что как в сети 380 / 220 В с заземленной нейтралью, так и в сети 220 / 127 В с изолированной нейтралью человек, касающийся оголенного провода, может попасть под напряжение 220 В. Но сети 380 / 220 В выгоднее сетей 220 / 127 В, так как для передачи одинаковой мощности при 380 / 220 В нужны провода меньшего сечения.
Предупреждение. Для обеспечения безопасности заземления следует выполнять, строго соблюдая, ряд требований. Этому специальному вопросу уделено особое внимание в ПУЭ, посвящен ряд книг, и в их числе книги М. Р. Найфельда "Заземление и другие защитные меры" и П. А. Долина "Действие электрического тока на тело человека и первая помощь пострадавшему".
Пробивной предохранитель
Нарушение изоляции между обмотками высшего и низшего напряжений (ВН и НН) трансформатора может привести к массовому пробою изоляции в сетях низшего напряжения и поражению людей. Чтобы предотвратить эти опасные явления в сетях с изолированной нейтралью, применяют пробивные предохранители. Пробивной предохранитель включают между нейтралью трансформатора и землей при соединении в звезду (рисунки 11, а и в) или между одним из фазных проводов и землей при соединении в треугольник (смотрите статью "Схема соединения "Треугольник"), как показано на рисунке 11, б.
Рисунок 11. Пробивные предохранители в сетях с изолированной нейтралью.
В пробивном предохранителе одна токоведущая деталь присоединена к нейтрали (фазе) трансформатора, другая заземлена, но между ними помещена слюдяная прокладка с отверстиями. При нормальном напряжении прокладка надежно изолирует нейтраль (фазу) от земли. Однако при переходе высшего напряжения на обмотку низшего напряжения пробивной предохранитель пробивается и заземляет обмотки.
При глухом заземлении нейтрали пробивной предохранитель не нужен.
Заземление нейтрали и бесперебойность электроснабжения
Кроме условий безопасности есть и другой важный вопрос, а именно: бесперебойность электроснабжения потребителей, при решении которого небезразлично, заземлять нейтраль или ее изолировать. Существо дела сводится к следующему.
В сети с изолированной нейтралью при заземлении линейного провода предохранители не перегорают (автомат не отключается), так как короткого замыкания нет. Между линейными проводами, а также между линейными проводами и нейтралью трансформатора сохраняются нормальные напряжения и потребители электроэнергии могут некоторое время продолжать работу.
В сети с заземленной нейтралью нарушение изоляции линейного провода приводит к короткому замыканию, предохранители перегорают или отключается автомат, работа потребителей нарушается. Значит, бесперебойность электроснабжения выше в сетях с изолированной нейтралью.
Необходимо особо подчеркнуть следующие важнейшие обстоятельства:
а) Хотя в сетях с изолированной нейтралью возможна работа потребителей, но такой режим опасен для изоляции других фаз и присоединенного к ним оборудования. Дело в том, что при металлическом замыкании на землю одной из фаз напряжение других фаз по отношению к "земле" возрастает в 1,73 раза по сравнению с нормальным напряжением, а напряжение нулевой точки смещается и становится равным фазному напряжению относительно земли. Действительно, при заземлении провода (рисунок 12, а) линейные напряжения AB, BC, CA остаются теми же; не изменяются и фазные напряжения A0, B0, C0. Но по отношению к "земле" напряжения изменяются. Для фаз A и C они повышаются до величин AB и BC соответственно. Для фазы B напряжение по отношению к земле снижается до нуля. Напряжение нейтрали относительно земли возрастает от нуля до величины 0B, равной фазному напряжению.
Рисунок 12. Смещение нейтрали в сети с изолированной нейтралью при аварийных режимах.
а – заземление фазы; б – короткое замыкание на нагрузке одной из фаз; в – обрыв фазы.
Если замыкание происходит через дугу, то перенапряжения могут в 2–2,5 раза превысить фазное напряжение. Через место замыкания пойдут емкостные токи всех фаз, которые при протяженных кабельных линиях велики и могут вызвать нагревы в местах нарушения изоляции. Поэтому на электрических станциях и подстанциях нередко имеются устройства, непрерывно контролирующие состояние изоляции относительно земли. Принцип их действия рассмотрен в статьях "Разомкнутый треугольник. Открытый треугольник" и "Примеры соединений измерительных трансформаторов".
б) Если нейтраль нагрузки 0' не соединена с нейтралью 0 вторичной обмотки трансформатора (рисунок 12, б), то при коротком замыкании одной фазы потенциал линейного провода B попадает в нейтраль 0' нагрузки. Это значит, что нагрузка, присоединенная к фазам A и C, окажется под значительно повышенным напряжением (линейным вместо фазного).
в) Если нейтраль нагрузки 0' не соединена с нейтралью 0 вторичной обмотки трансформатора (рисунок 12, в) и в одной фазе, например в фазе B, перегорит предохранитель (перечеркнут), то на нагрузках фаз A и C напряжение понизится и станет 220 В / 2 = 110 В вместо 220 / √3 = 127 В (рассматривается сеть 220 / 127 В). Напряжение на зажимах перегоревшего предохранителя будет в 1,5 раза больше фазного, то есть составит 127 × 1,5 = 190 В.
Смещение нейтрали нагрузки
Рассмотренный выше рисунок 12 иллюстрирует аварийные случаи смещения нейтрали (заземление, короткое замыкание, обрыв фазы). Но нейтраль может смещаться и в нормальных режимах из–за неравномерности нагрузки фаз.
Рассмотрим несколько примеров.
Рисунок 13. Смещение нейтрали при различных видах нагрузки.
При однородной 4, но неравномерной нагрузке нейтраль из точки 0 (рисунок 13, а) смещается в точку 0’ причем направление смещения и его величина зависят от соотношения нагрузок фаз. Но так или иначе отрезок 0 – 0’ в определенном масштабе изображает напряжение между нейтралью трансформатора и нейтралью нагрузки. Именно это напряжение и создает ток в нулевом проводе, если соединены нейтрали:
а) нагрузки Н и вторичной обмотки трансформатора Т3 (смотрите рисунок 9, а);
б) первичной обмотки повышающего трансформатора Т1 и генератора Г (смотрите рисунок 9, а).
А если нейтрали не соединены? Тогда в трансформаторе нарушается магнитное равновесие. Причины и последствия этого нарушения рассмотрены в статье "Понятие о магнитном равновесии трансформатора".
Особенно значительно нейтраль нагрузки смещается при разнородной нагрузке, даже если по модулю (по абсолютной величине) нагрузки всех фаз равны. На рисунке 13, б, например, к фазам C и B присоединены лампы (активная нагрузка), а к фазе A – конденсатор С. Нейтраль при этом настолько сместится, что одна из ламп будет гореть тускло (50 В), а другая – ярко (190 В). Аналогична картина при замене конденсатора катушкой индуктивности L, но теперь ярко будет гореть другая лампа (рисунок 13, в). Объясняется это тем, что ток в конденсаторе опережает, а ток в индуктивности отстает от напряжения своей фазы.
Еще более разительное смещение нейтрали изображено на рисунке 13, г, где присоединены: к фазе A – конденсатор, к фазе B – индуктивность, к фазе C – активная нагрузка. Нейтральная точка нагрузки 0’ вышла за пределы треугольника, а напряжения на нагрузке 423 и 220 В во много раз превысили фазное напряжение 127 В.
Важное замечание. В рассмотренных на рисунке 13, б – г примерах речь шла о смещении нейтрали нагрузки, а вовсе не генератора или вторичной обмотки трансформатора. На конденсаторе, индуктивности и активном сопротивлении, соединенных в звезду (рисунки 13, б – г), напряжения действительно сильно изменились по сравнению с фазными. Но влияет ли это на работу других потребителей, присоединенных к этой же сети? Чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к рисунку 13, д, предположив, что соединение, изображенное штриховой линией, отсутствует. Нетрудно видеть, что каждая группа потребителей (R – C – L, лампы Л, электродвигатель Д) имеет свою нейтраль. Три одинаковые лампы являются равномерной однородной нагрузкой, поэтому их нейтраль не смещена; следовательно, напряжения на лампах одинаковы и равны в нашем примере 127 В. То же можно сказать о напряжениях на обмотках двигателя.
Иное дело, если нейтрали потребителей соединены (штриховая линия). Тогда взаимное влияние нагрузок безусловно, но его степень определяется соотношением нагрузок. И ясно, что чем крупнее сеть и чем мощнее генераторы и трансформаторы, тем меньше на смещение нейтрали влияет каждый потребитель.
Разнородность нагрузки оказывает влияние на работу других потребителей лишь в том случае, если она относительно настолько велика, что может существенно нарушить магнитное равновесие трансформатора.
Приведенные примеры при рассмотрении рисунков 12 и 13 цифры определяют, например, по топографическим 5 диаграммам и вычисляют по способам, с которыми читатели могут ознакомиться в любом курсе электротехники. Однако эти цифры определены в предположении, что напряжения на зажимах генератора или трансформатора сохраняются неизменными независимо от нагрузки. На самом деле это не всегда так. И в этом смысле далеко не безразлично, как соединены обмотки (в звезду, зигзаг или треугольник). Важно также, производится трансформация тремя однофазными (рисунок 9, б) или одним трехфазным трансформатором (рисунок 9, в), смотрите статьи "Понятие о магнитном равновесии трансформатора" и "Зигзаг".
Видео 1. Перекос фаз
1 Вектор определяется как длиной, так и направлением. Длина вектора называется его модулем
2 Строго говоря, напряжение разделится несколько иначе. Дело в том, что чем горячее нить лампы, тем больше ее сопротивление, и так как одна лампа горит с перекалом, а три с недокалом, то разница в их сопротивлениях будет еще значительнее.
3 Напряжение между изолированной нейтралью трансформатора и землей равно нулю лишь в тех случаях, когда сеть не нагружена или если нагрузка всех фаз совершенно одинакова. При неравномерной нагрузке фаз происходит смещение нейтрали.
4 Нагрузка всех фаз либо активная (лампы, печи), либо индуктивная, либо емкостная.
5 Топографическая диаграмма представляет собой такую векторную диаграмму, в которой каждая точка диаграммы соответствует определенной точке цепи. Поэтому вектор, проведенный из начала координат в любую точку топографической диаграммы, выражает по величине и фазе потенциал соответствующей точки цепи, а отрезок, соединяющий две любые точки диаграммы – напряжение между соответствующими точками цепи.
Источник: Каминский Е. А., "Звезда, треугольник, зигзаг" – 4-е издание, переработанное – Москва: Энергия, 1977 – 104с.