Wyznaczanie asymetrii napięć i prądów. Skutki asymetrii

Wyznaczanie asymetrii napięć i prądów. Skutki asymetrii.
Zmniejszanie oddziaływań asymetrii
System trójfazowy nazywamy zrównowaŜonym lub symetrycznym, jeŜeli wartości napięć
oraz prądów w poszczególnych fazach są sobie równe oraz przesunięte względem siebie o
kąt 120. Jeśli którykolwiek z powyŜszych warunków nie zostanie spełniony, system
nazywamy niezrównowaŜonym lub niesymetrycznym.
Metoda składowych symetrycznych
śeby oszacować niesymetrię napięć lub prądów w systemie trójfazowym stosuje się metodę
składowych symetrycznych. System trójfazowy przedstawia się wtedy za pomocą grafów
wskazowych w układach wektorów składowej zgodnej, przeciwnej i zerowej (uŜywając
indeksów d, h, i).
Rys.Interpretacja graficzna składowych symetrycznych.
Układ wektorów składowej zgodnej skojarzony jest z dodatnim kierunkiem wirowania pola a
układ składowej przeciwnej – ujemnym. Wektory układu składowej zerowej mają identyczne
kąty fazowe, mogą róŜnic się jedynie amplitudą. W systemach bez przewodu neutralnego nie
płyną prądy składowej zerowej, ale mogą powstać znaczne róŜnice napięć.
Jako miarę asymetrii przyjmuje się współczynniki asymetrii wyraŜone jako stosunek
składowej przeciwnej lub zerowej do składowej zgodnej napięcia lub prądu
A≡{U ∪ I}
nA2 = A2 /A1 100 %
nAo = A0 /A1 100 %
Asymetria w sieciach elektroenergetycznych
Symetria/asymetria napięciowa w sieci elektroenergetycznej zaleŜy od :
•
•
•
impedancji systemu elektroenergetycznego
napięć na zaciskach generatora
prądów przepływających przez odbiorniki, sieci transmisyjne i dystrybucyjne
(rozpływu mocy w systemie).
Napięcia na szynach generatorów są zazwyczaj wysoce symetryczne z uwagi na konstrukcję
i charakter pracy maszyn synchronicznych uŜywanych w elektrowniach. Nawet w przypadku
stosowania generatorów asynchronicznych uŜywanych na przykład w elektrowniach
wiatrowych, uzyskuje się symetryczne napięcie trójfazowe.
Sytuacja wygląda inaczej w lokalnych sieciach generacji i dystrybucji mocy. Wiele z takich
niewielkich jednostek, na przykład ogniwa fotoelektryczne podłączone do sieci niskiego
napięcia przez odpowiednią aparaturę energoelektroniczną, mają względnie wysoką
impedancję, (czyli moc zwarciowa jest względnie niska), co powoduje zwiększenie
niesymetrii napięć.
Impedancja części systemu elektroenergetycznego nie jest dokładnie taka sama dla
poszczególnych faz. Geometryczny układ linii napowietrznej , asymetrycznej w odniesieniu
do ziemi, powoduje róŜnice w parametrach elektrycznych linii. Generalnie róŜnice te są
bardzo małe, a ich skutki mogą być pomijalne, gdy stosowane są środki zapobiegawcze jak
na przykład przeplatanie linii napowietrznych.
Asymetria obciąŜeń elektrycznych
W praktyce podstawowym obszarem asymetrii są obciąŜenia elektryczne. Na poziomie
napięć wysokich i średnich, występują zazwyczaj symetryczne odbiory trójfazowe, jednakŜe
moŜna spotkać równieŜ duŜe obciąŜenia jednofazowych. Odbiornikami powodującymi
asymetrię napięć w sieci są :
•
•
•
zespoły odbiorników jednofazowych przyłączonych do linii trójfazowej, np. piece
indukcyjne, spawarki transformatorowe, trakcja jednofazowa,
odbiorniki trójfazowe o asymetrycznym obciąŜeniu chwilowym, jak np. piece łukowe w
okresie topienia wsadu,
liczne, nierównomiernie rozmieszczone odbiorniki jednofazowe włączone między
przewody fazowe i neutralny, występujące np. u odbiorców komunalnych zasilanych z
sieci niskiego napięcia.
ObciąŜenia po stronie niskiego napięcia, jak na przykład komputery czy systemy oświetlenia,
są zazwyczaj odbiornikami jednofazowymi, stąd trudności w zagwarantowaniu symetrii. Przy
rozplanowywaniu sieci elektrycznej zawierającej tego typu odbiorniki, obciąŜenia elektryczne
powinny być rozplanowane równomiernie na poszczególne fazy, na przykład jedna faza na
jedno piętro, czy teŜ naprzemienne podłączanie domów.
Wadliwa praca systemu jest również przyczyną asymetrii systemu. Zwarcia doziemne,
międzyfazowe, czy uszkodzenia przewodów są typowymi przykładami. Takie awarie i usterki
powodują zapady napięcia w jednej lub więcej fazach równocześnie, mogąc przyczynić się
do przepięcia w innych fazach.
Skutki asymetrii napięcia
Maszyny indukcyjne
W przypadku asymetrii zasilania silników indukcyjnych wirujące pole magnetyczne przybiera
kształt eliptyczny zamiast kołowego.
Rys. Charakterystyka moment-poślizg maszyny indukcyjnej przy zasilaniu niesymetrycznym.
Maszyny synchroniczne
Maszyny synchroniczne wykazują zbliŜone zachowanie do maszyn indukcyjnych, lecz
główne uszkodzenia powoduje nadmierne nagrzewanie.
Działanie zabezpieczeń
Granice pracy określane są przez wartość skuteczną prądu całkowitego, w którego skład
wchodzą takŜe „bezuŜyteczne” składowe przeciwne prądów powodujące takŜe dodatkowe
straty i zwiększają prąd całkowity. Musi to być brane pod uwagę w przypadku nastaw progów
zadziałania zabezpieczeń, reagujących na prąd całkowity.
Straty mocy i energii elektrycznej w liniach i przewodach
Występują dodatkowe straty w liniach przesyłowych na skutek niesymetrii obciąŜenia.
Wpływ na baterie kondensatorów
Występują dodatkowe straty mocy i energii w na skutek niesymetrii obciąŜenia.
Wpływ na transformatory
Transformatory w równej mierze reagują na składowe napięciowe zgodne, co i przeciwne.
Ich zachowanie względem składowej zerowej napięcia zaleŜy od sposobów połączeń strony
pierwotnej i wtórnej a zwłaszcza od obecności przewodu neutralnego. W uzwojeniu wtórnym
jeśli jest połączone w trójkąt prądy składowej zerowej mogą być zamieniane na prądy
krąŜące w tym uzwojeniu i wywołują ciepło. Skojarzony z tymi prądami strumień
magnetyczny przepływający przez części konstrukcyjne maszyny takie powoduje straty
uboczne, co wymaga przemianowania transformatora.
Układy przekształtnikowe
W wielu zastosowaniach moŜna spotkać układy przekształtnikowe (napędy o regulowanej
prędkości, zasilacze impulsowe). Mogą one napotykać dodatkowe, nieokreślone
harmoniczne. Projektując układ filtrów pasywnych niwelujących wpływ powyŜszych
harmonicznych trzeba brać pod uwagę takŜe zjawisko występowania niesymetrii.
W przypadku układu przekształtnikowego układu zasilania z pośredniczącym obwodem
prądu stałego (szerzej omówione w dziale „zapady napięcia”) gdy napięcie zasilania jest
niesymetryczne, przewodzenie diod mostka nie jest regularne. Kondensator rozładowuje się
w momencie, kiedy brakuje jednego ze szczytów sinusoidy zasilającej i dlatego prąd
pobierany z sieci konieczny na jego doładowanie będzie większy. Występują przedziały
czasu, gdy trójfazowy mostek pracuje jak urządzenie jednofazowe połączone pomiędzy dwie
linie zasilające. Prądy zawierają trzecią harmoniczną o znacznej wartości, która jest
składową nie charakterystyczną dla tej konfiguracji. PrzeciąŜenie prądowe moŜe uaktywnić
zabezpieczenia prądowe i w konsekwencji moŜe nastąpić zatrzymanie napędu.
Zmniejszenie oddziaływań asymetrii
1. Równomierny rozkład obciąŜeń i zmniejszenie spadków napięć
2. Stosowanie układów symetryzujących, np. transformatorów o specjalnych układach
połączeń uzwojeń, układów energoelektronicznych.