Схема з'єднання "Зірка"

1. З'єднання в зірку трифазного генератора Розташуємо на кресленні зображення трьох обмоток ax, by і...
2. З'єднання в зірку електроприймачів
3. Розподіл навантаження між фазами
4. Чому в нульовий провід не дозволяється включати запобіжник?
5. Перетин нульового проводу в чотирьох провідних мережах
6. З'єднання в зірку обмоток трансформаторів
7. заземлення нейтрали
8. Заземлення нейтрали і безпеку
9. пробивний запобіжник
10. Заземлення нейтрали і безперебійність електропостачання
11. Зсув нейтрали навантаження

З'єднання в зірку трифазного генератора

Розташуємо на кресленні зображення трьох обмоток ax, by і cz трифазного генератора під кутами 120 ° так, як це зроблено на малюнку 1, а. Приєднаємо до кожної обмотці навантаження. В даному випадку це опору z a, z b і z c. На практиці навантаженням можуть бути лампи, печі, електродвигуни та інші електроприймачі. Для з'єднання обмоток генератора з навантаженнями потрібно шість проводів. У кожен момент часу три з них є прямими - струм по ним йде від генератора до навантаження. Інші три дроти - зворотні.

Вектори E a, E b і E c розташовані паралельно обмоток і зображують їх електрорушійні сили (е. Д. С.). Напруги U a, U b і U c менше відповідних е. д. з. на величину падіння напруги в обмотках. Напрямки струмів I a, I b і I c зображені стрілками.

Об'єднання трьох зворотних проводів в один дає чьотирьох схему (рисунок 1, б). У ній дроти, приєднані до висновків генератора а, b і с, називаються лінійними (або просто фазами ). Загальний провід називають або нейтральним на тій підставі, що він в рівній мірі належить будь-якій фазі, або нульовим, так як в деяких випадках струм в ньому I 0 дорівнює нулю.

Природно, виникає питання: чи може дорівнювати нулю ток в проводі, по якому в генератор повинні повертатися струми трьох фаз? Відповідь дає малюнок 1, в, де векторами зображені струми I a, I b і I c (сума яких утворює струм I 0) і проведено їх складання. Спочатку складені струми двох фаз, потім їх сума складена з струмом третьої фази. В результаті отримано нуль, так як геометрична сума струмів двох фаз, що чітко видно на малюнку 1, в, за величиною дорівнює току третьої фази b і спрямована прямо протилежно.

Малюнок 1. З'єднання в зірку трифазного генератора.

Фізичний сенс отриманого результату полягає в тому, що завдяки зрушенню фаз між струмами в кожен момент часу струми в одних лінійних проводах йдуть від генератора, в інших - до генератора. Іншими словами, одні з них є прямими, інші - зворотними. Роль лінійних проводів в якості прямих і зворотних, зрозуміло, безперервно змінюється, але так чи інакше при рівномірній (однаковою) навантаженні фаз на частку нульового проводу струму не залишається.

При рівномірному навантаженні фаз нульового проводу не роблять, отримуючи, таким чином, трьохпровідний схему (рисунок 1, г).

При нерівномірному навантаженні в чьотирьох схемою по нульовому проводу йде тільки небаланс струмів. Тому перетин нульового дроти не більше перетину лінійних проводів, а, як правило, вдвічі менше. Детальніше питання про перетині нульового проводу розглянуто нижче.

Незалежно від того, виконана схема з шістьма, чотирма або трьома проводами (що для практики, звичайно, не байдуже, по-перше, тому що трипровідні схеми дешевше і, по-друге, тому що кожна схема має певні властивості і призначена для певних умов ), система не перестає бути трифазної.

Електрорушійні сили E a, E b і E c, напруги U a, U b і U c і струми I a, I b і I c кожної фазної обмотки називають фазними. Напруги U ab, U bc і U ca, що діють між лінійними проводами, а також струми в лінійних проводах I a, I b і I c називають лінійними.

Основні співвідношення:
1. При з'єднанні в зірку лінійні і фазні струми однакові, тому що для струму, що проходить через фазну обмотку, немає іншого шляху, крім лінійного проводу.
2. Лінійні напруги більше фазних √3 = 1,73 рази, звідки випливають відомі співвідношення 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) і так далі.

Як довести, що лінійні напруги √3 = 1,73 рази більше фазних? Для цього доведеться почати з простого, але добре зрозумілого прикладу. Дві батареї з е. д. з. E 1 = 5 В і E 2 = 7 В можна з'єднати або як на малюнку 2, а, або як на малюнку 2, б. У першому випадку з'єднані різнойменні висновки: плюс (початок) однієї батареї з мінусом (кінцем) інший, і е. д. з, що діє між вільними різнойменними висновками, дорівнює сумі E 1 + E 2 = 5 + 7 = 12 В. У другому - з'єднані однойменні висновки: плюс однієї батареї з плюсом інший, і е. д. з, що діє між вільними однойменними висновками, дорівнює різниці E 1 - Е 2 = 5 - 7 = -2 В. Знак мінус вказує на зміну напрямку напруги на зворотне в порівнянні з тим, яке було тільки від однієї е. д. з. E 1. Коротше кажучи, результуюча е. д. з. при з'єднанні різнойменних висновків дорівнює сумі, а при з'єднанні однойменних висновків - різниці складових е. д. з. і спрямована в бік більшої е. д. з.

Малюнок 2. Визначення лінійних напруг при з'єднанні в зірку.

Тепер можна повернутися до з'єднання в зірку. Так як в цьому випадку з'єднують однойменні висновки (або початку, або кінці), то результуюче лінійна напруга знаходиться відніманням. Погодившись зі схемою на малюнку 2, в, на якій вказано напрямок обертання фаз і позначені різниці U a - U b, U b - U з і U з - U а (віднімання ведуть завжди в одному і тому ж напрямку, тобто з напруги випереджає фази віднімають напруга наступної за нею), на малюнку 2, д виконано віднімання. Безпосередньо вимірюючи довжини векторів або користуючись формулами геометрії, легко переконатися, що лінійні напруги (U a - U b, U b - U c, U c - U a) в √3 = 1,73 рази більше фазних U a, U b, U c.

До вирішення цього ж питання, тобто до доказу того, що лінійні напруги визначаються відніманням, можна підійти і інакше. Дійсно, якщо включити лампу так, як показано на малюнку 2, г, то неважко бачити, що в лампі струми, створені дією фазної напруги U a і U b, спрямовані назустріч. Значить, лінійна напруга U ab треба знаходити відніманням, але, зрозуміло, геометричним.

З малюнка 2, д чітко видно, що векторна діаграма симетричних лінійних напруг (U a - U b, U b - U c і U c - U a) зрушена на 30 ° в бік обертання векторів щодо діаграми фазних напруг U a, U b і U c. Іншими словами, напруга U a - U b випереджає на 30 ° U a, U b - U c випереджає на 30 ° U b і U c - U a випереджає на 30 ° U c.

Зробимо ще один крок. Перенесемо з малюнка 2, д вектори U a - U b, U b - U c і U c - U a паралельно самим собі, так, щоб їх кінці і початку виявилися у кінців векторів U a, U b і U c, що утворюють зірку . При цьому вийде трикутник (рисунок 2, е).
З нього безпосередньо випливає, що:

для визначення величин лінійних напруг досить близько зірки фазних напруг побудувати трикутник;
для визначення напрямків лінійних напруг у векторів, що утворюють сторони трикутника, потрібно розставити стрілки в напрямку обертання фаз.

Позначення лінійних напруг

На малюнку 2, е лінійні напруги позначені не тільки як різниця відповідних фазних напруг, але також і однією буквою з двома індексами, в нашому прикладі U ab (U bc і U ca). Порядок індексів непроізволен: він показує, в якому напрямку вироблялося віднімання.

Отже, ми з одного фазного напруги відняли рівне йому за величиною, але отримали не нуль, а величину, в 1,73 рази більшу. Цей результат не є несподіваним, оскільки проводилося не алгебраїчне, а геометричне віднімання.

Скористаємося випадком, щоб підкреслити ще одну важливу обставину, з яким в подальшому ми неодноразово зіткнемося. Воно полягає в тому, що при геометричному відніманні однієї величини з іншою, рівної їй по модулю1 на відміну від алгебраїчного віднімання можна отримати не тільки нуль, а й будь-яку величину в межах від нуля до подвоєного значення. Сказане тут ілюструється на малюнку 3 декількома прикладами. Зліва вироблено віднімання векторів, які збігаються за фазою (зрушення 0 °), і, природно, отриманий нуль. Праворуч віднімаються вектори, зрушені на 45 °: різниця дорівнює 0,707 довжини будь-якого з них і так далі. І, нарешті, на малюнку 3 праворуч - різниця виявилася вдвічі більше зменшуваного.

Малюнок 3. Різниця векторів залежить від величини кута між ними.

З'єднання в зірку електроприймачів

Електроприймачі можуть становити або зосереджену, або розосереджену навантаження. Крім того, вона може бути рівномірної, як, наприклад, обмотки трифазних електродвигунів, так і нерівномірного, як, наприклад, освітлення будинків, вулиць і тому подібного.

Зосередженим навантаженням є: електродвигун (рисунок 4, а), конденсаторна батарея (рисунок 4, б), театральна люстра (рисунок 4, в), де всі три фази розташовані в безпосередній близькості.

Розподіленим навантаженням є: освітлювальні мережі будинків (малюнки 4, г і д), де від вступного ящика 1 по сходовим клітинам розходяться стояки 2, а від них в свою чергу зроблені відгалуження 3 в квартири. Дуже важливо зрозуміти, що в освітлювальних мережах не на всіх ділянках існує трифазна навантаження.

Дійсно, до вступного ящика йдуть чотири живлять дроти: А, В, С і 0. Це справжня трифазна мережа - в ній по нульовому проводу проходить тільки струм небалансу всього будинку, який визначається нерівномірністю навантаження фаз. Це саме можна сказати до стояків 2 на малюнку 4, г, де по нульового проводу проходить струм небалансу в межах даної сходової клітки.

Що ж стосується стояків на малюнку 4, д, в кожному з яких тільки одна фаза і нуль, а також відгалужень в квартири, то вони хоч і живляться від трифазної мережі, але є однофазную навантаження, так як і по фазному і за нульовим проводам проходить один і той же струм (інших шляхів немає). Тому перетину фазного і нульового проводів повинні бути однакові.

Малюнок 4. З'єднання в зірку електроприймачів.

Зауважте: при рівномірному навантаженні (рисунок 4, а - в) застосована трехпроводная схема. При нерівномірному навантаженні (малюнки 4, г і д) - чотирипровідна.

Щоб зрозуміти, чому роблять саме так, звернемося до малюнка 5. На малюнку 5, а показані три групи однакових ламп (тобто мають рівні номінальну напругу, в нашому прикладі 127 В, і рівні потужності). При цих умовах і лінійній напрузі мережі 220 В лампи горять нормальним напруженням. Але кількість одночасно включених ламп, а також їх потужність в мережах освітлення залежать від бажання споживачів. В окремому випадку навантаження однієї з фаз, наприклад фази с, може бути на деякий час зовсім відключена (рисунок 5, б). І тоді навантаження двох інших фаз виявляться з'єднаними послідовно. Якщо вони рівні, то лінійна напруга розділиться між ними порівну і лампи горітимуть з недокалом, так як 220 В / 2 = 110 В - менше номінальної напруги 127 В.

Значно гірше, якщо частина ламп, приєднаних до однієї з фаз, наприклад до фази b, буде відключена, наприклад так, як показано на малюнку 5, ст. Дійсно, опір однієї лампи в 3 рази більше опору групи з трьох таких же ламп, з'єднаних паралельно. Значить, напруга 220 В розділиться між ними нерівномірно: на більший опір доведеться 165 В (¾ від 220 В) і лампа може перегоріти; на менший опір доведеться 55 В (¼ від 220 В) 2.

При чьотирьох схемою (рисунок 5, г) нерівномірність навантаження фаз не позначається настільки сильно на напруженні ламп завдяки тому, що навантаження кожної фази безпосередньо приєднана до обох висновків фазной обмотки генератора або вторинної обмотки трансформатора .

Слід, однак, відзначити, що нерівномірність навантаження фаз навіть і при наявності нульового проводу - явище небажане, особливо в тих випадках, коли навантаження живиться від вторинної обмотки трансформатора, сполученої в зірку, так як при нерівномірному навантаженні в трансформаторі порушується його магнітне рівновагу. Це важливе питання розглянуто в статті " Поняття про магнітне рівновазі трансформатора ".

Малюнок 5. Особливості з'єднань в зірку освітлювального навантаження.

Розподіл навантаження між фазами

Отже, ми завжди прагнемо рівномірно навантажити фази, тобто приєднати до кожної з них однакову потужність. При висвітленні лампами розжарювання для цього достатньо правильно розподілити лампи між фазами. При люмінесцентному освітленні треба виконати ще одну умову, а саме: приєднати лампи, розташовані поруч, до різних фаз. Це пояснюється наступним чином: люмінесцентні лампи 100 раз в секунду запалюються і гаснуть, так як змінний струм частотою 50 Гц 100 раз в секунду проходить через нуль. Хоча ми не помічаємо цих пульсацій світла, але вони шкідливо діють на зір. Якщо ж поруч розташовані лампи, приєднані до різних фаз, то вони будуть гаснути і загорятися неодночасно, що значно знизить глибину зміни світлового потоку.

Крім того, глибока зміна світлового потоку може спотворити дійсну картину руху предметів. Нехай, наприклад, що обертається предмет за час згасання лампи встигне зробити повне число обертів. Значить, при кожному черговому висвітленні предмет буде видно в одному і тому ж положенні, тобто буде здаватися нерухомим. Якщо обертається предмет встигне за час згасання зробити трохи менше повного обороту, то буде здаватися, що обертання відбувається в зворотну сторону. У виробничих умовах, де є механізми з обертовими деталями, це вкрай небезпечно.

Чому в нульовий провід не дозволяється включати запобіжник?

Припустимо, на початку стояка встановлений запобіжник , Але він перегорів (на малюнок 5, г він перекреслений).
В цьому випадку чотирипровідна схема перетворюється в трьохпровідний з усіма розглянутими вище недоліками, властивими їй при нерівномірному навантаженні фаз.

Згідно з Правилами улаштування електроустановок (ПУЕ) на початку стояка в нульовий провід не дозволяється включати запобіжник (рубильник, автомат). На поверхових щитках сходових клітин, звідки харчування розходиться по квартирах, запобіжники (автомати) встановлюють тільки в фазному проводі (рисунок 5, д) або запобіжників взагалі немає. У цьому випадку, однак, обов'язковий вимикач В або автомат А, яким вся квартира може бути від'єднана від стояка.

Але в квартирах, де до запобіжників П мають доступ особи, які не мають спеціальної електротехнічної підготовки, через що не виключено недостатньо хороший стан запобіжників, їх обов'язково встановлюють на обох проводах, щоб підвищити пожежну безпеку. Чи не суперечить це сказаному вище про неприпустимість включати запобіжник в нульовий провід? Анітрохи. Тому що навантаження в межах квартири є однофазної, так як за обома проводам і запобіжників проходить один і той же струм. Значить перегорання запобіжника в будь-якому дроті (фазному або нульовому - байдуже) не може привести до Перекалля ламп: вони просто згаснуть.

Запобіжники в освітлювальних мережах поступаються місцем настановних автоматів завдяки тому, що автомати забезпечують більш досконалий захист і не вимагають заміни. У нових будинках запобіжники не застосовують. У старих квартирах замість пробок в запобіжники можна встановити автомати (рисунок 6) з нарізним цоколем, не роблячи будь-яких монтажних робіт.

Перетин нульового проводу в чотирьох провідних мережах

зазвичай менше перерізу фазних проводів. Тому в кабелях для чотирьох провідних мереж три жили товщі, а одна, призначена для нульового проводу, тонше. Такий кабель позначається, наприклад, так: 3 × 16 + 1 × 10 (три жили перерізом 16 мм² і одна-перетином 10 мм²). Однак в практиці нерідко виникає необхідність збільшити перетин нульового проводу. Розглянемо два приклади.

На малюнку 7 показані три групи I, II, III ламп аварійного освітлення, які харчуються в нормальному режимі від вторинної обмотки трансформатора Т (контактор К включений). При зникненні напруги змінного струму контактор відключається і лампи автоматично перемикаються на акумуляторну батарею АБ. При цьому до проводу 1 (який раніше був нульовим) приєднується "мінус", а до трьох проводах 2, 3 і 4 (які раніше були фазними) приєднується "плюс". Поки лампи харчувалися від трансформатора, в проводі 1 був невеликий струм, рівний геометричній сумі струмів в проводах 2, 3 і 4. Коли ж лампи переключилися на акумуляторну батарею, ток в проводі 1 став дорівнює арифметичній сумі струмів, тобто перевищив ток в проводі 2, 3 або 4 приблизно в 3 рази. Значить, перетин дроту 1 повинно бути не менше, а значно більше перетину дроту 2, 3 або 4.

Малюнок 7. Перетин нульового проводу в схемі аварійного освітлення, перемикається з змінного струму на постійний, має бути більше перетину фазного проводу.

Наведений на малюнку 7 приклад відноситься до порівняно невеликого числа спеціальних електроустановок (наприклад, до висвітлення театрів і концертних залів).

Наступний приклад має вельми широке поширення. Йдеться про харчування люмінесцентних ламп по чьотирьох системі. У цих умовах навіть при абсолютно рівномірної навантаженні фаз по нульовому проводу проходять струми вищих гармонік, в основному ток третьої гармоніки. Цей струм настільки значний, що перетин четвертої жили звичайного чотирижильного кабелю виявляється недостатнім. Розглянемо це питання докладніше.

На малюнку 8, а показаний синусоїдальний струм (крива 1) в фазі А. Такий струм був би при навантаженні лампами розжарювання. При навантаженні люмінесцентними лампами додатково виникає струм третьої гармоніки (крива 2). Додавання кривих 1 і 2 дає криву 3, яка показує, що струм в фазі А несінусоідален. На малюнках 8, б і в зображені криві для фаз В і С. Порівнюючи криві 2 на малюнках 8, а, б і в, бачимо, що струми третє гармонік збігаються по фазі. Тому в нульовому проводі вони арифметично підсумовуються, утворюючи криву 4 потрійний частоти 150 Гц (рисунок 8, г).

Малюнок 8. У нульовому проводі чьотирьох трифазної мережі, яка живить люмінісцентні лампи, струми третє гармонік всіх трьох фаз алгебраїчно підсумовуються, тому перетин нульового проводу має бути збільшено.

Залежно від схеми включення люмінесцентних ламп, їх типу, способу компенсації індуктивності баластних дроселів і тому подібного ток в нульовому проводі має більшу чи меншу величину, але у всякому разі він великий і може навіть перевищити струм в фазному дроті.

З'єднання в зірку обмоток трансформаторів

На малюнку 9, а дан приклад з'єднання генератора Г, трьох трансформаторів Т1, Т2, Т3, електродвигуна Д і однофазних навантажень Н. В даному прикладі обмотки генератора, трансформаторів і електродвигуна з'єднані в зірку. Неважко бачити, що первинна обмотка трансформатора Т1 є електроприймачем для генератора Г, вторинна обмотка трансформатора Т1 служить джерелом струму для первинної обмотки трансформатора Т2. Вторинна обмотка трансформатора Т2 - джерело струму для первинної обмотки трансформатора Т3. Його вторинна обмотка - джерело струму для електродвигуна Д і навантажень Н.

Малюнок 9. З'єднання в зірку трансформаторів.

Порівняння схем трансформаторів Т1, Т2 і ТЗ показує, що вони неоднакові. Так, нейтральна точка первинної обмотки трансформатора Т1 заземлена і, отже, з'єднана з заземленою нейтральною точкою генератора Г. Нейтральні точки обмоток трансформатора Т2 не виведено. У трансформатора ТЗ виведена нейтральна точка вторинної обмотки, але від землі вона ізольована. Звичайно, з'єднання, показані на малюнку 9, а, зовсім не обов'язкові, вони дані тут тільки для ілюстрації типових випадків з'єднань в зірку.

Малюнки 9, б і в відповідно показують, що в зірку можна з'єднати як три однофазних трансформатора, так і один трифазний трансформатор.

На малюнку 9, г наведено приклади різних з'єднань обмоток трансформаторів в зірку. Тут букви A, B, C - початку, а X, Y, Z - кінці обмоток високої напруги (ВН); a, b, c і x, y, z - початку і кінці обмоток нижчої напруги (НН). Малюнок 9, д ілюструє з'єднання в зірку з виведеною нейтраллю обмотки ВН (зліва), обмотки НН (в центрі) та обох обмоток (праворуч).

Обмежимося поки загальним зауваженням про те, що не всі способи з'єднання трансформаторів в зірку рівноцінні. Різниця в них визначається рядом причин, які не можна пояснити відразу, і тому вони з'ясуються в ході подальшого викладу.

заземлення нейтрали

У старих випусках ПУЕ вказувалося, що міські електричні мережі напругою вище 1000 В повинні виконуватися трифазними з ізольованою нейтраллю, а розподільні мережі в нових містах - трифазними чотирипровідними з наглухо заземленою нейтраллю при напрузі 380/220 В. Однак існують також мережі напругою 220/127 В , причому їх нейтраль ізольована. При ізольованій нейтралі застосовують пробивні запобіжники.

Обмотки силових трансформаторів вітчизняних заводів напругою 110 кВ і вище виконують для роботи з заземленою нейтраллю, так як вони мають неповну ізоляцію з боку нульових висновків.

Заземлення нейтрали і безпеку

Пояснимо коротко, навіщо в мережах до 1000 В заземлюють нейтраль, з яких причин іноді віддають перевагу ізольованій нейтралі, для чого служать пробивні запобіжники.

На малюнку 10, а показані вторинні обмотки трансформатора Т, що живлять чьотирьох мережу напругою 380/220 В, нейтраль якої ізольована. Нехай в даний момент ізоляція абсолютно справна. Проте на малюнку показані три опору r, з'єднані в зірку. Її нейтраллю є земля. Ці опору умовно зображують недосконалість ізоляції проводів, яка в якійсь мірі все ж проводить струм. На цьому ж малюнку показані три конденсатора C, з'єднані в зірку. Її нейтраллю також служить земля. Конденсатори умовно зображують електричну ємність проводів відносно землі, що в електроустановках змінного струму вельми важливо, так як ємність проводить струм.

Малюнок 10. Потенціал нейтралі. Заземлення в трифазних системах.

Які ж напруги є в даній електроустановці? Між лінійними проводами 380 В, між кожним лінійним проводом і нейтраллю трансформатора 220 В, між кожним лінійним проводом і землею 220 В. Чому? Тому що земля виявилася нейтраллю зірок з трьох рівних опорів r і трьох рівних ємностей C. А якщо лінійний провід щодо нейтрали трансформатора має таке ж напруга, як і щодо землі, то ясно, що між нульовим проводом трансформатора і землею напруга дорівнює нулю 3.

Дотик людини, що стоїть на землі, до одного з лінійних проводів небезпечно, так як через недосконалу ізоляцію, ємності проводів і тіло людини проходить струм. В один з моментів часу його напрямок показано на малюнку 10, б. Сила струму, а отже, і ступінь небезпеки визначаються значеннями опорів, ємностей і фазною напругою. Іншими словами, в даному випадку людина знаходиться під напругою 220 В.

Але що станеться, якщо один із лінійних проводів заземлені, а людина, що стоїть на землі, доторкнеться до іншого лінійному проводу? З малюнка 10 в, видно, що людина виявиться тепер не під фазним, а під лінійною напругою 380 В, що значно небезпечніше.

У мережах із заземленою нейтраллю людина, що стоїть на землі, а хто доторкається до лінійного проводу, потрапляє під фазну напругу (рисунок 10, г). Якщо при цьому заземлені інший лінійний провід (рисунок 10, д), то запобіжник перегорить, але підвищення напруги з фазного до лінійного (як в мережах з ізольованою нейтраллю) не буде.

Це означає, що як в мережі 380/220 В з заземленою нейтраллю, так і в мережі 220/127 В з ізольованою нейтраллю людина, що стосується оголеного дроту, може потрапити під напругу 220 В. Але мережі 380/220 В вигідніше мереж 220/127 В, так як для передачі однакової потужності при 380/220 В потрібні дроти меншого перетину.

Попередження. Для забезпечення безпеки заземлення слід виконувати, строго дотримуючись, ряд вимог. Цьому спеціальному питанню приділено особливу увагу в ПУЕ, присвячений ряд книг, і в їх числі книги М. Р. Найфельда "Заземлення і інші захисні заходи" і П. А. Долина "Дія електричного Струму на тіло людини і перша допомога потерпілому ".

пробивний запобіжник

Порушення ізоляції між обмотками вищої і нижчої напруги (ВН і НН) трансформатора може привести до масового пробою ізоляції в мережах низької напруги і поразки людей. Щоб запобігти ці небезпечні явища в мережах з ізольованою нейтраллю, застосовують пробивні запобіжники. Пробивний запобіжник включають між нульовим проводом трансформатора і землею при з'єднанні в зірку (малюнки 11, а і в) або між одним з фазних проводів і землею при з'єднанні в трикутник (дивіться статтю " Схема з'єднання "Трикутник "), Як показано на малюнку 11, б.

Малюнок 11. Пробивні запобіжники в мережах з ізольованою нейтраллю.

У пробивном запобіжнику одна Струмовідна деталь приєднана до нейтрали (фазі) трансформатора, інша заземлена, але між ними поміщена слюдяная прокладка з отворами. При нормальному напрузі прокладка надійно ізолює нейтраль (фазу) від землі. Однак при переході вищої напруги на обмотку нижчої напруги пробивний запобіжник пробивається і заземляє обмотки.

При глухому заземленні нейтралі пробивний запобіжник не потрібен.

Заземлення нейтрали і безперебійність електропостачання

Крім умов безпеки є й інший важливий питання, а саме: безперебійність електропостачання споживачів, при вирішенні якого небайдуже, заземлювати нейтраль або її ізолювати. Щодо суті зводиться до наступного.

У мережі з ізольованою нейтраллю при заземленні лінійного проводу запобіжники не перегорають (автомат не відключається), так як короткого замикання немає. Між лінійними проводами, а також між лінійними проводами і нейтраллю трансформатора зберігаються нормальні напруги і споживачі електроенергії можуть деякий час продовжувати роботу.

У мережі з заземленою нейтраллю порушення ізоляції лінійного проводу призводить до короткого замикання, запобіжники перегорають або відключається автомат, робота споживачів порушується. Значить, безперебійність електропостачання вище в мережах з ізольованою нейтраллю.

Необхідно особливо підкреслити такі найважливіші обставини:

а) Хоча в мережах з ізольованою нейтраллю можлива робота споживачів, але такий режим небезпечний для ізоляції інших фаз і приєднаного до них обладнання. Справа в тому, що при металевому замиканні на землю однієї з фаз напруга інших фаз по відношенню до "землі" зростає в 1,73 рази в порівнянні з нормальним напругою, а напруга нульової точки зміщується і стає рівним фазній напрузі відносно землі. Дійсно, при заземленні проводу (рисунок 12, а) лінійні напруги AB, BC, CA залишаються тими ж; не змінюються і фазні напруги A0, B0, C0. Але по відношенню до "землі" напруги змінюються. Для фаз A і C вони підвищуються до величин AB і BC відповідно. Для фази B напруга по відношенню до землі знижується до нуля. Напруга нейтралі відносно землі зростає від нуля до величини 0 B, рівній фазній напрузі.

Малюнок 12. Зміщення нейтрали в мережі з ізольованою нейтраллю при аварійних режимах.
а - заземлення фази; б - коротке замикання на навантаженні однієї з фаз; в - обрив фази.

Якщо замикання відбувається через дугу, то перенапруги можуть в 2-2,5 рази перевищити фазна напруга. Через місце замикання підуть ємнісні струми всіх фаз, які при протяжних кабельних лініях великі і можуть викликати нагріви в місцях порушення ізоляції. Тому на електричних станціях і підстанціях нерідко є пристрої, безперервно контролюють стан ізоляції щодо землі. Принцип їх дії розглянуто в статтях " Розімкнутий трикутник. відкритий трикутник "І" Приклади з'єднань вимірювальних трансформаторів ".

б) Якщо нейтраль навантаження 0 "не з'єднана з нейтраллю 0 вторинної обмотки трансформатора (рисунок 12, б), то при короткому замиканні однієї фази потенціал лінійного проводу B потрапляє в нейтраль 0 'навантаження. Це означає, що навантаження, приєднана до фаз A і C, виявиться під значно підвищеним напругою (лінійним замість фазного).

в) Якщо нейтраль навантаження 0 "не з'єднана з нейтраллю 0 вторинної обмотки трансформатора (рисунок 12, в) і в одній фазі, наприклад у фазі B, перегорить запобіжник (перекреслений), то на навантаженнях фаз A і C напруга знизиться і стане 220 В / 2 = 110 В замість 220 / √3 = 127 В (розглядається мережа 220/127 В). Напруга на затискачах перегорів запобіжника буде в 1,5 рази більше фазного, тобто складе 127 × 1,5 = 190 В.

Зсув нейтрали навантаження

Розглянутий вище малюнок 12 ілюструє аварійні випадки зміщення нейтралі (заземлення, коротке замикання, обрив фази). Але нейтраль може зміщуватися і в нормальних режимах через нерівномірність навантаження фаз.

Розглянемо кілька прикладів.

Малюнок 13. Зміщення нейтрали при різних видах навантаження.

При однорідної 4, але нерівномірному навантаженні нейтраль з точки 0 (рисунок 13, а) зміщується в точку 0 'причому напрямок зсуву і його величина залежать від співвідношення навантажень фаз. Але так чи інакше відрізок 0 - 0 'в певному масштабі зображує напруга між нульовим проводом трансформатора і нейтраллю навантаження. Саме ця напруга і створює струм в нульовому проводі, якщо з'єднані нейтрали:

а) навантаження Н і вторинної обмотки трансформатора Т3 (дивіться малюнок 9, а);
б) первинної обмотки підвищувального трансформатора Т1 і генератора Г (дивіться малюнок 9, а).

А якщо нейтрали пов'язані? Тоді в трансформаторі порушується магнітне рівновагу. Причини і наслідки цього порушення розглянуті в статті " Поняття про магнітне рівновазі трансформатора ".

Особливо значно нейтраль навантаження зміщується при різнорідної навантаженні, навіть якщо по модулю (по абсолютній величині) навантаження всіх фаз рівні. На малюнку 13, б, наприклад, до фаз C і B приєднані лампи (активне навантаження), а до фази A - конденсатор С. Нейтраль при цьому настільки зміститься, що одна з ламп буде горіти тьмяно (50 В), а інша - яскраво (190 В). Аналогічна картина при заміні конденсатора котушкою індуктивності L, але тепер яскраво горітиме інша лампа (рисунок 13, в). Пояснюється це тим, що струм в конденсаторі випереджає, а струм в індуктивності відстає від напруги своєї фази.

Ще більш вражаюча зміщення нейтралі зображено на малюнку 13, г, де приєднані: до фази A - конденсатор, до фази B - індуктивність, до фази C - активне навантаження. Нейтральна точка навантаження 0 'вийшла за межі трикутника, а напруги на навантаженні 423 і 220 В у багато разів перевищили фазна напруга 127 В.

Важліве зауваження. У розглянутих на малюнку 13, б - г прикладах мова йшла про усунення нейтрали навантаження, а зовсім не генератора або вторинної обмотки трансформатора. На конденсаторі, індуктивності і активному опорі, з'єднаних в зірку (малюнки 13, б - г), напруги дійсно сильно змінилися в порівнянні з фазними. Але чи впливає це на роботу інших споживачів, приєднаних до цієї ж мережі? Щоб відповісти на це питання, звернемося до малюнка 13, д, припустивши, що з'єднання, зображене штриховий лінією, відсутня. Неважко бачити, що кожна група споживачів (R - C - L, лампи Л, електродвигун Д) має свою нейтраль. Три однакові лампи є рівномірною однорідної навантаженням, тому їх нейтраль НЕзміщена; отже, напруги на лампах однакові і рівні в нашому прикладі 127 В. Те ж можна сказати про напруги на обмотках двигуна.

Інша річ, якщо нейтрали споживачів з'єднані (штрихова лінія). Тоді взаємний вплив навантажень безумовно, але його ступінь визначається співвідношенням навантажень. І ясно, що чим більше мережа і чим потужніший генератори і трансформатори, тим менше на зміщення нейтралі впливає кожен споживач.

Різнорідність навантаження впливає на роботу інших споживачів лише в тому випадку, якщо вона відносно настільки велика, що може істотно порушити магнітне рівновагу трансформатора .

Наведені приклади при розгляді малюнків 12 і 13 цифри визначають, наприклад, по топографічним 5 діаграм і обчислюють за способами, з якими читачі можуть ознайомитися в будь-якому курсі електротехніки. Однак ці цифри визначено в припущенні, що напруги на затискачах генератора або трансформатора зберігаються незмінними незалежно від навантаження. Насправді це не завжди так. І в цьому сенсі далеко не байдуже, як з'єднані обмотки (в зірку, зигзаг або трикутник). Важливо також, проводиться трансформація трьома однофазними (рисунок 9, б) або одним трифазним трансформатором (рисунок 9, в), дивіться статті " Поняття про магнітне рівновазі трансформатора "І" зигзаг ".

Відео 1. Перекіс фаз

1 Вектор визначається як довжиною, так і напрямком. Довжина вектора називається його модулем
2 Строго кажучи, напруга розділиться трохи інакше. Справа в тому, що чим гаряче нитка лампи, тим більше її опір, і так як одна лампа горить з Перекалля, а три з недокалом, то різниця в їх опорах буде ще значніше.
3 Напруга між ізольованою нейтраллю трансформатора і землею дорівнює нулю лише в тих випадках, коли мережа не навантажена або якщо навантаження всіх фаз абсолютно однакова. При нерівномірному навантаженні фаз відбувається зміщення нейтралі.
4 Навантаження всіх фаз або активна (лампи, печі), або індуктивна, або місткість.
5 Топографічна діаграма являє собою таку векторну діаграму, в якій кожна точка діаграми відповідає певній точці ланцюга. Тому вектор, проведений з початку координат в будь-яку точку топографічної діаграми, виражає за величиною і фазі потенціал відповідної точки ланцюга, а відрізок, що з'єднує дві будь-які точки діаграми - напруга між відповідними точками ланцюга.

Джерело: Камінський Є. А., "Зірка, трикутник, зигзаг" - 4-е видання, перероблений - Москва: Енергія, 1977 - 104с.