I. Was ist ein Dreiphasenungleichgewicht?
Der Begriff „dreiphasiges Ungleichgewicht“ bezieht sich im Allgemeinen auf die ungleiche Strombelastung aller drei stromführenden Leitungen. Die Formel zur Leistungsberechnung lautet wie folgt:
Die Leistungsberechnungsformel zeigt, dass die Leistungsgröße durch Spannung, Strom und Leistungsfaktor bestimmt wird. Dreiphasige Spannungsschwankungen und -abweichungen sind minimal und bleiben effektiv konstant. In typischen drei{3}}Phasenschaltungen, in denen zwei-Phasengeräte vorherrschen, bleibt der drei-Phasen-Leistungsfaktor nahezu gleichmäßig. Somit ermöglicht die Überwachung von drei-Phasenströmen eine genaue Beurteilung des Systemgleichgewichts.
II. Messindikatoren
Die nationale Norm (z. B. GB/T 15543-2019 „Three-phase Voltage Unbalance“) definiert:
1. Bewertungskriterien für Spannungsunsymmetrie:
Die zulässigen Werte werden normalerweise wie folgt angegeben:
Der Grad der dreiphasigen Unsymmetrie beträgt während des Normalbetriebs weniger als oder gleich 2 %, und auf der Benutzerseite darf er weniger als oder gleich 3 % betragen.
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2. Aktuelle Kriterien zur Ungleichgewichtsbewertung:
Imax ist der maximale Strom unter den drei -Phasenströmen und Iavg ist der durchschnittliche Strom.
Die allgemeine Anforderung besteht darin, dass die Unsymmetrie des dreiphasigen Stroms kleiner oder gleich 10 % sein sollte, während sie bei Spezialgeräten wie Motoren kleiner oder gleich 5 % sein sollte.
III. Ursachen des Auftretens
Wenn ein Dreiphasenungleichgewicht auftritt, sollten wir entsprechend den entsprechenden Ursachen geeignete Behandlungsmethoden auswählen. Im Allgemeinen sind die Hauptgründe für ein dreiphasiges Ungleichgewicht eine ungleichmäßige Lastverteilung zwischen den drei Phasen, Erdschlüsse, Phasenleitungsunterbrechungen, Resonanz und inkonsistente Leistungsfaktoren über die Phasen hinweg.
Ursachen für drei-Phasenspannungsungleichgewichte
Die Hauptursachen für ein dreiphasiges Spannungsungleichgewicht in Stromversorgungssystemen sind Lastungleichgewichte und Systemimpedanzungleichgewichte. Lastungleichgewichte sind die Hauptursache für drei{2}phasige Spannungsungleichgewichte, wobei einphasige Lasten insbesondere bei Elektrolokomotiven und Schweißmaschinen auftreten. In Stromversorgungssystemen weisen dreiphasige Generatoren und Transformatoren eine gute Symmetrie auf und haben keinen Einfluss auf die Unsymmetrie der dreiphasigen Spannung. Daher wird ein Ungleichgewicht der Systemimpedanz hauptsächlich durch eine unsymmetrische Impedanz der Stromversorgungsleitung verursacht. Wenn drei-Phasenleiter (Freileitungen oder Kabel) horizontal oder vertikal angeordnet sind, müssen Phasenverschiebungsmaßnahmen implementiert werden, um das Drei-Impedanzgleichgewicht aufrechtzuerhalten.
Ursachen für drei-Phasenstromungleichgewichte
Die Hauptursachen für drei{0}}Phasen-Spannungsungleichgewichte im Stromnetz sind einphasige Lasten (z. B. Beleuchtung, Haushaltsgeräte), die sich auf eine Phase konzentrieren, und drei{4}}Gerätefehler (z. B. Kurzschluss in der Motorwicklung).
IV. Gefahren und Kontrolle des Dreiphasenungleichgewichts
- Gefahren und Kontrolle von dreiphasigen Spannungsungleichgewichten
1. Gefahren durch dreiphasiges Spannungsungleichgewicht
(1) Wenn sich der Transformator im Ungleichlastbetrieb befindet, liegt die Spannung einer Phase unter Volllast, die anderen beiden Phasen jedoch nicht, wodurch die Transformatorkapazität nicht vollständig ausgenutzt wird. Währenddessen befindet sich der Transformator über längere Zeit im Schieflastbetrieb, wodurch es zu einer lokalen Überhitzung kommt und die Lebensdauer verkürzt wird.
(2) In einem dreiphasigen unsymmetrischen Stromversorgungssystem erzeugt der Gegensystemstrom zusätzliche Verluste, wodurch die Leitungsverluste und der Spannungsabfall steigen. Darüber hinaus verstärkt es die Interferenz mit Kommunikationssystemen und beeinträchtigt die normale Kommunikationsqualität.
(3) Dies kann zu einer Fehlfunktion des Relaisschutzes führen.
(4) Empfindliche Lasten können zu Fehlfunktionen führen.
(5) Die Gegensystemkomponente erhöht die Kupferverluste im Stator und Rotor des Motors, was zu Überhitzung und beschleunigter Alterung der Isolierung führt und dadurch die Betriebslebensdauer verkürzt.
2. Maßnahmen zur Behebung eines dreiphasigen Spannungsungleichgewichts
(1) Priorisieren Sie zunächst drei-phasensymmetrische elektrische Geräte.
(2) Verteilen Sie einphasige Lasten sinnvoll auf die drei Phasen, um eine optimale Lastverteilung über alle Phasen hinweg zu erreichen.
(3) Wenn einphasige Lasten in einem dreiphasigen System nicht ordnungsgemäß verteilt werden können, sollten sie an verschiedene Stromversorgungspunkte angeschlossen werden.
(4) Für einphasige Lasten mit hohem Strombedarf wird ein spezieller einphasiger Transformator zur Stromversorgung verwendet.
(5) Installieren Sie drei-Phasenausgleichsgeräte.
- Gefahren und Kontrolle von dreiphasigen Stromungleichgewichten
1. Gefahren durch dreiphasige Stromungleichgewichte
Im täglichen Leben treten zahlreiche einphasige und dreiphasige Belastungen auf. Wenn die Neutralleitung (N-Leitung) und die Schutzerdungsleitung (PE-Leitung) gemeinsam genutzt werden, wäre dies gleichbedeutend mit dem Anschluss einer großen Anzahl von einphasigen und dreiphasigen Geräten an ein TN{5}C-Stromversorgungssystem. Was wären die Konsequenzen?
Drei-Phasenungleichgewichte erhöhen den Neutralleiterstrom, erhöhen das Neutralleiterpotential und erhöhen die Leitungsverluste. Insbesondere ein unterbrochener Neutralleiter verursacht erhebliche Spannungsspitzen in einer Phase und erhebliche Spannungsabfälle in einer anderen. Die überlastete Phase kann beschädigt werden, während Geräte in der Unterspannungsphase funktionsunfähig werden.
Drei-Phasenungleichgewichte erhöhen die Transformatorverluste, da der Leistungsverlust in Verteiltransformatoren mit dem Lastungleichgewicht variiert. Außerdem kommt es zu größeren Spannungsschwankungen über alle drei Phasen, wodurch die Effizienz angeschlossener Elektrogeräte sinkt.
(1) Wenn der Dreiphasenstrom unsymmetrisch ist
Bei zahlreichen einphasigen Geräten ist es unmöglich, einen konstanten dreiphasigen Lastausgleich aufrechtzuerhalten. Im unsymmetrischen Zustand fließt ein unsymmetrischer Strom durch die Neutralleitung, was zu Spannungsschwankungen führt. Der Spannungspegel hängt vom Neutralleiterstrom und -widerstand ab.-Ein höherer Strom und ein höherer Widerstand führen zu einer höheren Spannung.
Wenn die Neutral- und Erdungskabel gemeinsam genutzt werden, wird das Gerätegehäuse elektrifiziert, sobald die dreiphasige unsymmetrische Neutralleitung mit Strom versorgt wird. Diese Spannung kann zwischen mehreren Volt und mehreren Dutzend Volt liegen. Obwohl diese Spannung nicht hoch ist, kann sie einen Lichtbogen erzeugen, der brennbare oder explosive Materialien entzündet und einen Brand verursacht.
Wenn beispielsweise ein dreiphasiger Ventilator auf einer Stahlwinkelhalterung montiert ist, die am Boden (oder auf einer Metallplattform) befestigt ist, kann stromführender Strom vom Gehäuse des Ventilators durch die Halterung in die Erde fließen. Wenn die Schrauben der Halterung locker sind und der Motor vibriert, könnte an den Kontaktpunkten der Schrauben ein Lichtbogen entstehen. Wenn sich brennbare oder explosive Materialien in der Nähe befinden, kann es zu einem Brand kommen.
(2) Bruch des Neutralleiters eines einphasigen Geräts
Es ist allgemein anerkannt, dass ein unterbrochener Neutralleiter dazu führt, dass stromführender Strom durch elektrische Geräte zum Neutralleiter übertragen wird, was zu einem stromführenden Neutralleiter führt. Wenn der Hauptneutralleiter in einem Haushaltsstromkreis durchtrennt wird und der Neutralleiter denselben Erdungsdraht verwendet, würden alle elektrischen Gerätegehäuse im Haushalt unter Spannung stehen, was ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellt.
(3) Der Neutralleiter ist defekt.
Ein unterbrochener Neutralleiter im Stromversorgungssystem kann in Kombination mit unsymmetrischen drei{0}}Phasenlasten dazu führen, dass der Neutralleiter die Erdung verliert und zu einer starken Neutralpunktabweichung führt. Dies führt letztendlich zu einer vollständigen dreiphasigen Spannungsasymmetrie, bei der die Spannung der Phase A auf über 100 Volt abfallen kann, die Spannung der Phase B auf 300 Volt ansteigen kann und die Spannung der neutralen Leitung ebenfalls mehrere zehn Volt erreichen kann.
2. Maßnahmen zur Behebung eines dreiphasigen Stromungleichgewichts
(1) Lastumverteilung, gleichmäßige Verteilung einphasiger Lasten auf drei{2}Phasensysteme.
(2) Installieren Sie Vorrichtungen zur automatischen Blindleistungskompensation und zum Ausgleich.
(3) Ausgewogene Integration verteilter Stromquellen.
(4) Überwachung und Alarmierung: Installieren Sie intelligente Überwachungsgeräte (z. B. intelligente Gateways oder Energiemessmodule) im Stromverteilungssystem, um das dreiphasige Strom-/Spannungsgleichgewicht kontinuierlich zu überwachen.
Daher sollte die drei{0}}Phasenlast in einem Niederspannungsverteilungssystem ausgeglichen sein, wobei der Kapazitätsunterschied zwischen den Phasen 15 % nicht überschreiten darf. Mit anderen Worten: Die maximale Phasenlast sollte das 1,15-fache der durchschnittlichen drei-Phasenlast nicht überschreiten.
V. Fazit
Die Auswirkungen eines dreiphasigen Ungleichgewichts sind nicht isoliert, sondern bilden einen Teufelskreis von der „Netzseite“ zur „Geräteseite“: „erhöhte Systemverluste → Geräteausfälle → Lastschwankungen → zunehmendes Ungleichgewicht.“ Daher erfordern praktische Anwendungen Maßnahmen wie „Optimierung der Lastverteilung während der Entwurfsphase, Echtzeitüberwachung während des Betriebs und Installation von Ausgleichsausgleichsvorrichtungen“, um das Ungleichgewicht innerhalb nationaler Standards zu halten und so seine Gefahren an der Quelle zu reduzieren.