Перекос фаз в трехфазной сети: что это такое и почему он возникает

В идеальной трехфазной сети фазные напряжения имеют одинаковую величину и сдвинуты относительно друг друга на 120°. На практике симметрия может нарушаться: напряжения по фазам начинают различаться, а трехфазное оборудование оказывается в неблагоприятном режиме работы.

Такое состояние часто называют перекосом фаз. Причинами могут быть неравномерное распределение однофазных нагрузок, неисправность нейтрального проводника, плохие контакты, повреждения линий или проблемы во внешней электросети.

Особенно опасна несимметрия напряжений для трехфазных электродвигателей и другого оборудования, работа которого рассчитана на нормальные параметры всех трех фаз.

Разберемся, что такое перекос фаз, почему он возникает, чем опасен и как защитить оборудование от работы в аварийном режиме.

Что такое перекос фаз

В трехфазной сети используются три фазы — L1, L2 и L3. В нормальном режиме напряжения трех фаз должны образовывать симметричную систему.

В разговорной и профессиональной практике термином «перекос фаз» часто называют нарушение симметрии трехфазной системы напряжений. При этом важно не путать два разных явления: неравномерность нагрузки по фазам и несимметрию напряжений.

Неравномерная нагрузка по фазам

Она возникает, когда токи однофазных потребителей, подключенных к разным фазам, существенно отличаются.

Например, к L1 подключено несколько мощных потребителей, L2 загружена значительно меньше, а L3 практически не используется.

В результате ток по L1 будет значительно больше, чем по остальным фазам.

Несимметрия напряжений

В этом случае отличаются уже параметры фазных или линейных напряжений.

Например:

• L1–N — 230 В;
• L2–N — 205 В;
• L3–N — 245 В.

Такая ситуация требует внимания и диагностики причины.

При этом небольшое различие измеренных напряжений само по себе еще не говорит об опасном аварийном режиме. Оценивать необходимо величину и продолжительность отклонения, условия работы сети и требования подключенного оборудования.

Неравномерная нагрузка может стать одной из причин несимметрии напряжений, но эти понятия не являются синонимами.

Почему возникает перекос фаз

Причины несимметрии могут находиться как внутри электроустановки, так и во внешней питающей сети.

Неравномерное распределение однофазных нагрузок

Это одна из распространенных причин возникновения несимметричного режима.

При трехфазном вводе однофазные потребители распределяют между L1, L2 и L3. Если на одну фазу приходится значительно большая нагрузка, чем на остальные, токи по фазам становятся неравномерными.

Например, к L1 могут быть одновременно подключены электрический котел, нагреватель и несколько мощных розеточных групп, тогда как на L2 и L3 приходится значительно меньшая нагрузка.

Чем больше различается нагрузка по фазам, тем сильнее это может влиять на режим работы сети.

Поэтому при проектировании и эксплуатации электроустановки важно учитывать не только ее общую мощность, но и распределение однофазных потребителей между фазами.

Мощные однофазные потребители

Существенную неравномерность нагрузки могут создавать мощные однофазные устройства:

• нагревательное оборудование;
• электрокотлы;
• отдельные виды сварочного оборудования;
• насосы;
• компрессоры;
• электроинструмент;
• другое мощное однофазное оборудование.

Особенно заметной проблема становится при одновременной работе нескольких мощных потребителей, подключенных к одной фазе.

Плохие электрические соединения

Несимметрия напряжений может быть связана не только с нагрузкой.

Причиной могут стать:

• ослабленные контактные соединения;
• окисление контактов;
• повреждение проводников;
• неисправность коммутационной аппаратуры;
• плохой контакт в распределительном устройстве.

Повышенное переходное сопротивление вызывает дополнительное падение напряжения и нагрев в месте соединения.

Если подобная неисправность возникает только в одной из фаз, параметры этой фазы начинают отличаться от остальных.

Неисправность нейтрального проводника

Особенно опасная ситуация возможна в трехфазной четырехпроводной сети при несимметричной однофазной нагрузке и повреждении или ухудшении контакта нейтрального проводника.

В этом случае фазные напряжения на однофазных потребителях могут значительно изменяться: у одних потребителей напряжение снижается, а у других — повышается.

Поэтому при необычно большой разнице фазных напряжений состояние нейтрального проводника является одним из параметров, которые необходимо проверить.

Неисправности внешней сети

Причина не всегда находится внутри объекта.

На параметры трехфазного питания могут влиять:

• повреждения питающих линий;
• плохие соединения во внешней сети;
• режим работы трансформатора;
• неравномерность нагрузки питающей сети;
• аварийные ситуации на линии;
• другие неисправности со стороны электроснабжения.

Если внутренняя электроустановка исправна, а несимметрия сохраняется, необходимо проверять параметры питающей сети.

Чем опасен перекос фаз

Последствия зависят от степени несимметрии, ее продолжительности и типа подключенной нагрузки.

Перегрузка отдельных фаз

При неравномерном распределении однофазных потребителей ток одной фазы может быть значительно выше токов остальных.

Это увеличивает нагрузку на проводники, контакты и коммутационные аппараты соответствующей фазы.

Если ток превышает допустимое значение, должна сработать предусмотренная токовая защита. Однако даже без ее срабатывания выраженная неравномерность нагрузки может свидетельствовать о необходимости пересмотреть распределение потребителей по фазам.

Отклонение фазных напряжений

При некоторых неисправностях напряжение на отдельных фазах может существенно отклоняться от нормального значения.

Для подключенных однофазных потребителей это может привести к:

• отключениям;
• ошибкам электроники;
• неправильной работе оборудования;
• повышенному нагреву;
• сокращению срока службы;
• повреждению оборудования при значительном перенапряжении.

Особенно опасные значения фазных напряжений могут возникать при проблемах с нейтральным проводником в сети с несимметричной нагрузкой.

Проблемы с трехфазными электродвигателями

Для трехфазных электродвигателей несимметрия напряжений особенно нежелательна.

Даже сравнительно небольшая несимметрия питающих напряжений может вызвать значительно более выраженную несимметрию токов в обмотках двигателя.

В результате увеличивается нагрев, возрастают электрические потери и ухудшаются условия работы двигателя. Продолжительная работа в таком режиме способна привести к сокращению срока службы изоляции и повреждению оборудования.

Поэтому для электродвигателей важно контролировать не только наличие всех трех фаз, но и симметрию питающего напряжения.

Нарушение работы трехфазного оборудования

Перекос напряжений может влиять не только на электродвигатели.

Контроль параметров трехфазной сети важен для:

• компрессорного оборудования;
• насосных станций;
• холодильного оборудования;
• систем вентиляции и кондиционирования;
• станков;
• производственного оборудования;
• других трехфазных потребителей.

Допустимые параметры питания при этом определяются требованиями конкретного оборудования.

Как определить перекос фаз

Простое измерение фазных напряжений позволяет обнаружить заметные различия, но для полноценной оценки состояния трехфазной сети этого недостаточно.

В сети с нейтралью можно предварительно измерить:

• L1–N;
• L2–N;
• L3–N.

Также при диагностике трехфазной сети могут измеряться линейные напряжения:

• L1–L2;
• L2–L3;
• L3–L1.

Важно оценивать не только сами значения, но и их изменение при разных режимах нагрузки.

Например, без значительной нагрузки измерены:

L1–N — 229 В
L2–N — 230 В
L3–N — 228 В

После включения мощного потребителя:

L1–N — 207 В
L2–N — 231 В
L3–N — 233 В

Такое изменение является поводом для дальнейшей диагностики, но само измерение еще не позволяет однозначно определить причину.

Необходимо проверить нагрузку, состояние соединений, нейтрального проводника и параметры питающей сети.

Для профессиональной оценки несимметрии и качества электроэнергии применяют соответствующие измерительные приборы и методики.

Как найти причину перекоса фаз

Диагностика должна проводиться последовательно.

1. Проверить напряжения

Измеряют фазные и, при необходимости, линейные напряжения и сравнивают полученные значения.

2. Измерить токи по фазам

Большая разница токов может указывать на неравномерное распределение однофазных потребителей.

При этом важно понимать: разные токи по фазам сами по себе не означают, что напряжения обязательно имеют недопустимую несимметрию.

3. Проверить распределение нагрузки

Необходимо определить, какие потребители подключены к L1, L2 и L3 и как изменяются токи при их включении.

Если одна фаза постоянно оказывается значительно более нагруженной, может потребоваться перераспределение однофазных потребителей.

4. Проверить электрические соединения

Необходимо проверить состояние контактов, проводников, клемм и коммутационных аппаратов.

Плохой контакт в одной фазе может вызывать падение напряжения под нагрузкой.

5. Проверить нейтральный проводник

Для трехфазных четырехпроводных сетей с однофазными потребителями необходимо убедиться в исправности нейтрального проводника и его соединений.

6. Сравнить параметры при разных нагрузках

Если отклонение появляется или резко увеличивается при включении конкретного оборудования, это помогает локализовать проблему.

7. Проверить внешнее питание

Если внутри объекта причина не обнаружена, необходимо проверить качество напряжения на вводе и состояние внешней сети.

Диагностику и работы в действующих электроустановках должны выполнять специалисты соответствующей квалификации.

Как устранить перекос фаз

Универсального способа нет: сначала необходимо определить причину возникновения несимметрии.

Перераспределить однофазные нагрузки

Если одна фаза постоянно перегружена, а другие загружены значительно меньше, потребителей следует распределить более равномерно.

При этом необходимо учитывать не только установленную мощность, но и вероятность одновременной работы оборудования.

Устранить неисправности соединений

Ослабленные контакты, поврежденные проводники и неисправные коммутационные аппараты необходимо отремонтировать или заменить.

Простая балансировка нагрузки не поможет, если причиной отклонения напряжения является неисправное соединение.

Проверить и восстановить нейтральный проводник

Если причиной является повреждение нейтрали, требуется устранить неисправность.

Такую ситуацию нельзя рассматривать как обычный перекос нагрузки: повреждение нейтрального проводника способно привести к опасным значениям напряжения у однофазных потребителей.

Устранить проблемы внешней сети

Если источник несимметрии находится до границы ответственности потребителя, необходимо обращаться к организации, отвечающей за соответствующий участок электросети.

Предусмотреть защиту трехфазного оборудования

Устранение причины перекоса и защита оборудования — две разные задачи.

Даже при правильно спроектированной электроустановке аварийный режим может возникнуть из-за внешней сети, повреждения проводника или другой неисправности.

Поэтому для ответственного трехфазного оборудования может применяться реле напряжения и контроля фаз.

Такое устройство контролирует параметры трехфазной сети и при возникновении недопустимого режима формирует команду на отключение нагрузки.

Важно: реле контроля фаз не выравнивает напряжение и не устраняет причину перекоса. Его задача — не допустить продолжительной работы защищаемого оборудования при параметрах сети, выходящих за заданные пределы.

Как защитить оборудование от перекоса фаз

Для защиты трехфазного оборудования применяются специализированные трехфазные реле напряжения и контроля фаз.

В зависимости от модели такие устройства могут контролировать:

• минимальное напряжение;
• максимальное напряжение;
• наличие всех фаз;
• последовательность чередования фаз;
• нарушение симметрии напряжений;
• другие аварийные режимы трехфазной сети.

При выходе контролируемых параметров за установленные пределы реле отключает нагрузку непосредственно либо воздействует на цепь управления контактором — в зависимости от конкретной модели и схемы подключения.

После восстановления нормальных параметров сети возможно автоматическое повторное включение с предусмотренной задержкой.

Таким образом, реле не исправляет качество электроснабжения, а защищает оборудование от работы в опасном режиме.

Трехфазные реле контроля фаз «Новатек-Электро»

Для контроля трехфазной сети в линейке «Новатек-Электро» представлены реле серии РНПП.

Например, РНПП-301 позволяет контролировать максимальное и минимальное напряжение, а также устанавливать допустимый порог перекоса фаз. Устройство может работать в режиме контроля фазного или линейного напряжения.

РНПП-311М предназначено для защиты трехфазных потребителей и имеет отдельный режим контроля перекоса фаз. Кроме того, устройство позволяет контролировать минимальное и максимальное напряжение, наличие фаз и правильность их последовательности.

РНПП-311.1 контролирует напряжение трехфазной сети и отключает нагрузку при недопустимых отклонениях напряжения, нарушении амплитудной симметрии, обрыве и нарушении последовательности фаз.

РНПП-313 также контролирует нарушение амплитудной симметрии сетевого напряжения, обрыв и последовательность фаз, а также обрыв нейтрального проводника.

В линейке также представлены более функциональные модели, например РНПП-302 и РНПП-302М, позволяющие контролировать обрыв, чередование и асимметрию фаз и настраивать параметры защит.

Выбор конкретного реле зависит от параметров сети, типа защищаемого оборудования, необходимых контролируемых аварий и требуемых возможностей настройки.

Как снизить риск возникновения перекоса фаз

Основные профилактические меры:

• равномерно распределять однофазные нагрузки между фазами;
• учитывать мощность и режим работы потребителей;
• контролировать токи по фазам;
• следить за состоянием электрических соединений;
• контролировать состояние нейтрального проводника;
• своевременно устранять неисправности;
• периодически проверять параметры трехфазной сети;
• для ответственного трехфазного оборудования использовать соответствующие средства контроля и защиты.

При этом установка реле контроля фаз не отменяет необходимость правильного проектирования, обслуживания и диагностики электроустановки.

Перекос фаз: главное

Перекос фаз — распространенное название несимметричного режима трехфазной сети. При этом необходимо различать неравномерное распределение нагрузки по фазам и несимметрию напряжений: эти явления связаны, но не являются одним и тем же.

Причинами несимметрии могут быть:

• неравномерная однофазная нагрузка;
• неисправные электрические соединения;
• повреждение проводников;
• проблемы с нейтралью;
• неисправности питающей сети.

Особенно опасна несимметрия напряжений для трехфазных электродвигателей и другого оборудования, чувствительного к параметрам всех трех фаз.

Первостепенная задача при обнаружении перекоса — найти и устранить его причину. Если же необходимо дополнительно защитить трехфазное оборудование от работы при недопустимой несимметрии, обрыве фаз, неправильной последовательности или опасном отклонении напряжения, применяются трехфазные реле напряжения и контроля фаз.

В линейке «Новатек-Электро» для этих задач представлены РНПП-301, РНПП-302, РНПП-302М, РНПП-311М, РНПП-311.1, РНПП-313 и другие модели. Они отличаются набором контролируемых параметров и возможностями настройки, поэтому устройство следует выбирать под конкретную сеть и защищаемое оборудование.