Трёхфазная система электроснабжения

Трёхфазная система электроснабжения — частный случай многофазных систем электрических цепей, в которых действуют созданные общим источником синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые друг относительно друга во времени на определённый фазовый угол. В трёхфазной системе этот угол равен 2π/3 (120°).

Многопроводная (шестипроводная) трёхфазная система переменного тока изобретена Николой Теслой. Значительный вклад в развитие трёхфазных систем внёс М. О. Доливо-Добровольский, который впервые предложил трёх- и четырёхпроводную системы передачи переменного тока, выявил ряд преимуществ малопроводных трёхфазных систем по отношению к другим системам и провёл ряд экспериментов с асинхронным электродвигателем.

Описание

Каждая из действующих ЭДС находится в своей фазе периодического процесса, поэтому часто называется просто «фазой». Также «фазами» называют проводники — носители этих ЭДС. В трёхфазных системах угол сдвига равен 120 градусам. Фазные проводники обозначаются в РФ латинскими буквами L с цифровым индексом 1…3, либо A, B и C^[1].

Распространённые обозначения фазных проводов:

Россия, EC (выше 1000 В)	Россия, ЕС (ниже 1000 В)	Германия	Дания
А	L1	L1	R
B	L2	L2	S
C	L3	L3	T

Анимированное изображение течения токов по симметричной трёхфазной цепи с соединением типа «звезда»

Векторная диаграмма фазных токов. Симметричный режим.

Графическое представление зависимости фазных токов от времени

Преимущества

Возможная схема разводки трёхфазной сети в многоквартирных жилых домах

• Экономичность.
  • Экономичность передачи электроэнергии на значительные расстояния.
  • Меньшая материалоёмкость 3-фазных трансформаторов.
  • Меньшая материалоёмкость силовых кабелей, так как при одинаковой потребляемой мощности снижаются токи в фазах (по сравнению с однофазными цепями).
• Уравновешенность системы. Это свойство является одним из важнейших, так как в неуравновешенной системе возникает неравномерная механическая нагрузка на энергогенерирующую установку, что значительно снижает срок её службы.
• Возможность простого получения кругового вращающегося магнитного поля, необходимого для работы электрического двигателя и ряда других электротехнических устройств. Двигатели 3-фазного тока (асинхронные и синхронные) устроены проще, чем двигатели постоянного тока, одно- или 2-фазные, и имеют высокие показатели экономичности.
• Возможность получения в одной установке двух рабочих напряжений — фазного и линейного, и двух уровней мощности при соединении на «звезду» или «треугольник».
• Возможность резкого уменьшения мерцания и стробоскопического эффекта светильников на люминесцентных лампах путём размещения в одном светильнике трёх ламп (или групп ламп), питающихся от разных фаз.

Благодаря этим преимуществам, трёхфазные системы наиболее распространены в современной электроэнергетике.

Схемы соединений трехфазных цепей

Звезда

Существующие виды защиты от линейного напряжения, которые можно найти в продаже в электротехнических магазинах. Как и требуют современные стандарты, монтаж происходит на DIN-рейку.

Звездой называется такое соединение, когда концы фаз обмоток генератора (G) соединяют в одну общую точку, называемую нейтральной точкой или нейтралью. Концы фаз обмоток приёмника (M) также соединяют в общую точку. Провода, соединяющие начала фаз генератора и приёмника, называются линейными. Провод, соединяющий две нейтрали, называется нейтральным.

Шины для раздачи нулевых проводов и проводов заземления при подключении звездой. Одно из преимуществ подключения звездой — экономия на нулевом проводе, поскольку от генератора до точки разделения нулевых проводов вблизи потребителя, требуется только один провод.

Трёхфазная цепь, имеющая нейтральный провод, называется четырёхпроводной. Если нейтрального провода нет — трёхпроводной.

Если сопротивления Za, Zb, Zc приёмника равны между собой, то такую нагрузку называют симметричной.

Соотношение между линейными и фазными токами и напряжениями.

Напряжение между линейным проводом и нейтралью (Ua, Ub, Uc) называется фазным. Напряжение между двумя линейными проводами (UAB, UBC, UCA) называется линейным. Для соединения обмоток звездой, при симметричной нагрузке, справедливо соотношение между линейными и фазными токами и напряжениями:

$I_L=I_F; \qquad U_L=\sqrt{3}\times{U_F}$

Последствия отгорания (обрыва) нулевого провода в трехфазных сетях

При симметричной нагрузке в трёхфазной системе питание потребителя линейным напряжением возможно даже при отсутствии нейтрального провода. Однако, при питании нагрузки фазным напряжением, когда нагрузка на фазы не является строго симметричной, наличие нейтрального провода обязательно. При его обрыве или значительном увеличении сопротивления (плохом контакте) происходит так называемый «перекос фаз», в результате которого подключенная нагрузка, рассчитанная на фазное напряжение, может оказаться под произвольным напряжением в диапазоне от нуля до линейного (конкретное значение зависит от распределения нагрузки по фазам в момент обрыва нулевого провода). Это зачастую является причиной вывода из строя бытовой электроники в квартирных домах. Так как сопротивление потребителя остаётся константой, то, согласно закону Ома, при возрастании напряжения сила тока, проходящего через потребительское устройство, окажется гораздо больше максимально допустимого значения, что и вызовет сгорание и/или выход из строя питаемого электрооборудования. Пониженное напряжение также может послужить причиной выхода из строя техники. Иногда отгорание (обрыв) нулевого провода на подстанции может явиться причиной пожара в квартирах.

Проблема гармоник, кратных третьей

Современная техника всё чаще оснащается импульсными сетевыми источниками питания. Импульсный источник без корректора коэффициента мощности потребляет ток узкими импульсами вблизи пика синусоиды питающего напряжения, в момент заряда конденсатора входного выпрямителя. Большое количество таких источников питания в сети создаёт повышенный ток третьей гармоники питающего напряжения. Токи гармоник, кратных третьей, вместо взаимной компенсации, математически суммируются в нейтральном проводнике (даже при симметричном распределении нагрузки) и могут привести к его перегрузке даже без превышения допустимой мощности потребления по фазам. Такая проблема существует, в частности, в офисных зданиях с большим количеством одновременно работающей оргтехники.
Существующие установки компенсации реактивной мощности не способны решить данную проблему, так как снижение коэффициента мощности в сетях с преобладанием импульсных источников питания не связано с внесением реактивной составляющей, а обусловлено нелинейностью потребления тока. Решением проблемы третьей гармоники является применение корректора коэффициента мощности (пассивного или активного) в составе схемы производимых импульсных источников питания.
Требования стандарта IEC 1000-3-2 накладывают ограничения на гармонические составляющие тока нагрузки устройств мощностью от 50 Вт. В России количество гармонических составляющих тока нагрузки нормируется стандартами ГОСТ 13109-97, ОСТ 45.188-2001.

---

Треугольник

Треугольник — такое соединение, когда конец первой фазы соединяется с началом второй фазы, конец второй фазы с началом третьей, а конец третьей фазы соединяется с началом первой.

Соотношение между линейными и фазными токами и напряжениями

Для соединения обмоток треугольником, при симметричной нагрузке, справедливо соотношение между линейными и фазными токами и напряжениями:

$I_L=\sqrt{3}\times{I_F}; \qquad U_L=U_F$

Распространённые стандарты напряжений

	РФ и СНГ	Страны ЕС	Япония	США
Напряжение (фазное/линейное)	220/380	230/400	120/208	(140/240)/(230/400)
Частота	50 Гц	50 Гц	50/60Гц	60 Гц

Маркировка

Проводники, принадлежащие разным фазам, маркируют разными цветами. Разными цветами маркируют также нейтральный и защитный проводники. Это делается для обеспечения надлежащей защиты от поражения электрическим током, а также для удобства обслуживания, монтажа и ремонта электрических установок и электрического оборудования. В разных странах маркировка проводников имеет свои различия. Однако многие страны придерживаются общих принципов цветовой маркировки проводников, изложенных в стандарте Международной Электротехнической Комиссии МЭК 60445:2010.

Фазный проводник 1 Фазный проводник 2 Фазный проводник 3 Нейтральный проводник Защитный проводник США (120/208В)[2] Чёрный Красный Голубой Белый или серый Зелёный США (277/480В) Оранжевый Коричневый Жёлтый Белый или серый Зелёный Канада Красный Чёрный Голубой Белый Зелёный Канада (Изолированные трёхфазные установки) Оранжевый Коричневый Жёлтый Белый Зелёный Великобритания (с апреля 2006) Красный (Коричневый) Жёлтый (ранее Белый) (Чёрный) Голубой (Серый) Чёрный (Голубой) Зелёно-жёлтый Европа (с апреля 2004) Коричневый Чёрный Серый Голубой Зелёно-жёлтый Европа (до апреля 2004, в зависимости от страны) Коричневый или Чёрный Чёрный или Коричневый Чёрный или Коричневый Голубой Зелёно-жёлтый Европа (Обозначение шин) Жёлтый Коричневый Красный Россия (СССР)[3] Жёлтый Зелёный Красный Голубой Зелёно-жёлтый (на старых установках - Черный) Россия (с 1 января 2011 г.)[4] Коричневый Чёрный Серый Голубой Зелёно-жёлтый Австралия и Новая Зеландия Красный Жёлтый Голубой Чёрный Зелёно-жёлтый (на старых установках - Зелёный) Южная Африка Красный Жёлтый Голубой Чёрный Зелёно-жёлтый (на старых установках - Зелёный) Малайзия Красный Жёлтый Голубой Чёрный Зелёно-жёлтый (на старых установках - Зелёный) Индия Красный Жёлтый Голубой Чёрный Зелёный Трёхфазная двухцепная линия электропередачи См. также Метод симметричных составляющих Трёхфазный выпрямитель Фазоуказатель Индикатор фазы Коэффициент мощности Фазометр Реле контроля фаз Двухфазная электрическая сеть Примечания ↑ Действующий в РФ ГОСТ 2.709-89 предписывает обозначение цепей фазных проводников трёхфазного переменного тока: L1, L2, L3, и при этом допускает обозначения A, B, C. ↑ С 1975 года Национальный Электрический Кодекс (США) не регламентируют цветовое обозначение фазных проводов. Приведённые в таблице цвета являются общепринятыми в эксплуатации. ↑ Согласно ПУЭ при переменном трёхфазном токе: шины фазы А обозначают жёлтым цветом, фазы В — зелёным, фазы С — красным цветами (по алфавитному порядку начальных букв в названии цветов: Ж, З, К). ↑ Согласно ГОСТ Р 50462-2009: Базовые принципы и принципы безопасности для интерфейса «человек-машина», выполнение и идентификация. Идентификация проводников посредством цветов и буквенно-цифровых обозначений. Ссылки Школа для электрика. Трёхфазный переменный ток Трёхфазные электрические цепи Трёхфазная система, асинхронный двигатель и великий русский электротехник-изобретатель Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания