Влияние дисбаланса напряжения

Если Вы используете трехфазные системы, Вы должны знать о несимметрии напряжений – одной из наиболее распространенных проблем с электропитанием на промышленных предприятиях.
Вероятность того, что на Вашем предприятии возникнет дисбаланс, высока, если Вы не принимаете мер по его предотвращению.
Идеально поймать дисбаланс до того, как он нанесет серьезный ущерб Вашему оборудованию.
Ниже Вы узнаете, что такое дисбаланс напряжения, что его вызывает и как его можно предотвратить и проверить, чтобы защитить свои электрические системы.

Что такое 3-фазный дисбаланс напряжения?

Трехфазная система электроснабжения является сбалансированной или симметричной, если трехфазные напряжения и токи имеют одинаковую амплитуду.
Несбалансированная система означает, что фазные напряжения неравны.
Этот дисбаланс измеряет разницу между фазами напряжения в трехфазной системе.
Эта проблема с электропитанием часто встречается на промышленных электростанциях или на любом предприятии, где работают большие машины с мощными двигателями.
Дисбаланс напряжения может повлиять на множество аспектов Вашей работы, включая эффективность двигателей, затраты и повреждения.

Что вызывает несбалансированное напряжение?

ANSI C84.1 гласит: Системы электроснабжения должны быть спроектированы и эксплуатироваться таким образом, чтобы максимальный дисбаланс напряжения не превышал 3% при измерении на электросчетчике в условиях холостого хода.
Это означает, что пользователь обязан проверять состояние баланса напряжения на своем предприятии.
Когда напряжение не сбалансировано, это часто происходит из-за распределения нагрузки в системе.
Такой дисбаланс может возникнуть в любой точке системы, и разбалансировка энергосистемы может произойти по многим причинам.

Вот некоторые из наиболее распространенных причин несбалансированного напряжения:

• Отсутствие симметрии в линиях передачи
• Большие однофазные нагрузки, например, дуговые печи или сварочные аппараты
• Неисправные блоки конденсаторов для коррекции коэффициента мощности
• Разомкнутые треугольные или вайевые трансформаторы
• Низкий выходной крутящий момент, вызывающий механические напряжения
• Высокий ток в трехфазных выпрямителях и двигателях
• Дисбаланс тока, протекающего в нейтральных проводниках
• Неисправная работа оборудования для коррекции коэффициента мощности
• Несбалансированное или нестабильное электропитание
• Несбалансированный трансформаторный блок, питающий трехфазную нагрузку, которая слишком велика для блока
• Неравномерно распределенные однофазные нагрузки в одной энергосистеме
• Неопознанные однофазные замыкания на землю
• Ослабленные, корродированные, изъязвленные разъемы или контакторы

Даже состояние оборудования может вызвать дисбаланс напряжения или способствовать его возникновению.
Например, перегруженные трансформаторы, неисправные устройства коррекции коэффициента мощности, циклические регуляторы и отключенные реакторы – все это может привести к дисбалансу.
Даже то, что происходит на соседнем предприятии или на более отдаленной линии электропередач, может повлиять на дисбаланс напряжения на Вашем предприятии.

Эффекты дисбаланса напряжения

Дисбаланс напряжения может быть вреден для двигателей.
Разница в фазных напряжениях вызывает циркуляционные токи в трехфазных двигателях, в результате чего дисбаланс по току в 6-15 раз превышает дисбаланс по напряжению.
Дополнительный ток способствует повышенному нагреву двигателя, который может быть сильным при достаточно большом дисбалансе.
Повышенная температура двигателя разрушает окружающую изоляцию, сокращая срок службы двигателя и приводя к его перегоранию.
К другим последствиям дисбаланса тока и напряжения относятся повышенная пульсация, механическое напряжение, вибрация и потери.
Кроме того, часто возникают такие проблемы с обслуживанием, как изношенные контакты и ослабленные соединения.
Эти проблемы могут привести к тому, что двигатель будет работать громко, при повышенных температурах и преждевременно выйдет из строя.
Кроме того, дисбаланс напряжения будет нарушать пропорциональность тока обмотки заблокированного ротора, который и так относительно высок, скорость полной нагрузки будет немного снижена, а крутящий момент уменьшится.
Если дисбаланс напряжения достаточно велик, сниженный крутящий момент может оказаться недостаточным для работы, и двигатель не достигнет номинальной скорости.
Стандарт NEMA MG-1 гласит, что полифазные двигатели должны успешно работать в условиях эксплуатации при номинальной нагрузке, если дисбаланс напряжения на клеммах двигателя не превышает 1%.
Кроме того, эксплуатация двигателя с дисбалансом более 5% не рекомендуется и, вероятно, приведет к повреждению двигателя.
Хотя это, как правило, нежелательно, еще одним корректирующим действием может быть снижение мощности двигателя.
Когда дисбаланс напряжения превышает 1%, для успешной работы двигателя необходимо снизить его мощность.
Кривая снижения мощности, показанная ниже, показывает, что при 5%-ном пределе, установленном NEMA для дисбаланса, мощность двигателя будет значительно снижена и составит лишь около 75% от его номинальной мощности. Дисбаланс напряжения может быть вреден для 3-фазных преобразователей постоянного тока, используемых в частотно-регулируемых приводах (VFD).
Проблемные частотно-регулируемые приводы (ЧРП), которые имеют неприятные срабатывания, проявляют все признаки перегрузки цепи, хотя измерения показывают обратное, могут иметь несбалансированные фазные токи.
Токи в сети VFD могут стать очень несбалансированными из-за чрезмерного тока в одной или двух фазах.
Это происходит, даже если средний ток трех фаз намного ниже номинального тока VFD.
В передней части VFD используется ряд мощных диодов для преобразования 3-фазного входного переменного тока в шину постоянного тока, служащую резервуаром для секции силового инвертора.
Ток через входную выпрямительную секцию проходит импульсами.
В идеале ток через каждый диод делится поровну, однако дисбаланс напряжения, подаваемого на вход VFD, вызывает неравномерную мощность через отдельные диоды, что приводит к преждевременному и частому выходу из строя силовых диодов.
Несбалансированный выход токовых диодов будет создавать повышенное содержание гармоник.
Поскольку выходные импульсы становятся все более несбалансированными, тройные гармоники тока также будут увеличиваться.

Почему это важно?

Наиболее очевидными причинами, по которым следует беспокоиться о дисбалансе напряжения, являются снижение эффективности и производительности двигателя – оба фактора влияют на прибыльность Вашей компании.
КПД любого конкретного двигателя зависит от таких факторов, как тип применения, нагрузка и напряжение питания.
Работа от источника питания с большим дисбалансом напряжения увеличит потери ^I2R– то есть, ток в квадрате умноженный на сопротивление – в роторе и статоре, что означает, что большее количество подводимой энергии будет преобразовано в тепло, а меньшее – в работу.
Двигатель будет работать жарче и, следовательно, менее эффективно.
Обратите внимание, что увеличение потерь в роторе приведет к увеличению “скольжения”, поэтому двигатель будет вращаться немного медленнее и совершать меньше работы за определенное время.
Основное уравнение Аррениуса гласит, что скорость химического процесса удваивается при повышении температуры на каждый градус C.
Применив это уравнение к изоляции двигателя, легко понять, что любое повышение температуры резко сокращает срок службы двигателя.
В следующей таблице показано влияние температуры обмотки, возникающее в результате дисбаланса напряжения. Поскольку дисбаланс повреждает оборудование, Ваш завод будет простаивать, поскольку двигатели работают не так эффективно, как должны.
Помимо денег, потерянных во время простоя, поврежденные двигатели потребуют дорогостоящей замены или ремонта.

Как предотвратить несбалансированную систему питания

Чтобы предотвратить дисбаланс напряжения, нагрузка должна быть равномерно распределена по фазам щитка.
Когда одна фаза оказывается более нагруженной, чем другие, напряжение на ней будет низким, что приведет к дисбалансу.
Равномерное распределение нагрузки помогает предотвратить перегрузку одной фазы.
Понимание причин дисбаланса поможет Вам и Вашим техническим специалистам искать его признаки и работать над его предотвращением.
Лучший способ предотвратить дисбаланс – это проверить напряжение на дисбаланс и определить, что может его вызывать.
Даже если где-то в системе есть небольшой дисбаланс, тестирование на его наличие сейчас поможет Вам поймать его до того, как последствия станут разрушительными.
Тестовый прибор ATPOL III™ Energized Electrical Signature Analysis (ESA) с сопутствующим программным обеспечением ATPOL 8.0 может быстро и точно измерить и рассчитать дисбаланс напряжения, подаваемого на эти рабочие лошадки индустрии, в рамках рутинного тестирования двигателя под напряжением, которое занимает менее 1 минуты.
Программное обеспечение ATPOL 8.0 рассчитывает % дисбаланса напряжения и предоставляет соответствующий коэффициент снижения напряжения. Портативный ATPOL III™ можно быстро подключить с помощью специального разъема к предварительно установленным разъемам ALL-SAFE© или с помощью съемных ТТ и щупов напряжения в любом легкодоступном контроллере двигателя или разъединителе.
Для обеспечения дополнительной защиты все более популярных VFD они могут даже тестировать входное питание этих дорогостоящих контроллеров, чтобы убедиться в отсутствии условий дисбаланса напряжения, которые могут привести к дисбалансу тока через секции выпрямителя.

Как рассчитать несимметричный ток

Чтобы вручную рассчитать процент несбалансированного напряжения, Вам сначала нужно определить средний ток или напряжение и наибольшее отклонение.
Затем Вы разделите отклонение на среднее напряжение и умножьте это число на 100, чтобы получить процент. Процент дисбаланса напряжения: Например: V1 = 469 V2 = 478 V3 = 461 Среднее напряжение = 469,33 V2 имеет максимальное отклонение 8,66667 % VUB = 100(8,66667/469,33) = 1,84 % ATPOL – идеальный инструмент, который следует добавить в Ваш набор инструментов для предиктивного обслуживания при тестировании двигателей под напряжением.
Регулярное проведение испытаний электродвигателей ESA с помощью ALL-SAFE PRO©позволяет предприятиям быстро провести полную проверку всей системы электродвигателей.
ATPOL III™использует напряжение и ток двигателя для получения доступа:

• Состояние от поступающей энергии
• Электрическое и механическое состояние двигателя и дисбаланс
• Несовпадение
• Условия эксплуатации подшипников
• Ослабление
• Нагрузки
• Аномалии в процессе, такие как кавитация

Портативные измерения можно легко проводить с любыми двигателями, не оснащенными сейфами, используя портативные, накладные или гибкие ТТ.
ATPOL III™ выполняет одновременный захват данных по всем трем фазам напряжения и тока для создания графиков, таблиц и дисплеев, позволяющих использовать качество электроэнергии в качестве инструмента прогнозирования технического обслуживания, необходимого для того, чтобы Ваше оборудование занимало лидирующие позиции среди оборудования мирового класса.
Используйте дисбаланс напряжения для прогнозирования преждевременного разрушения изоляции обмоток, чтобы определить сокращение срока службы двигателя, вызванное дисбалансом напряжения.

Точное тестирование Ваших двигателей с помощью ALL-TEST PRO

Тестирование двигателей имеет решающее значение для обеспечения правильной работы Вашего оборудования и выявления любых ошибок или потенциальных проблем, чтобы их можно было устранить.
Чтобы обеспечить точность при тестировании Ваших двигателей, используйте продукцию ALL-TEST.
Проверяете ли Вы дисбаланс напряжения или проводите испытания в обесточенном состоянии, наши продукты помогут Вам определить состояние Вашего двигателя.
ATP разбирается в двигателях.
ATP специализируется на решениях для полевых испытаний под напряжением и без напряжения.
Продукты ATP портативны, легки, просты в использовании, точны и обеспечивают самое раннее обнаружение потенциальных проблем, чтобы поддерживать эффективную и безопасную работу Вашего предприятия.