Asymetria napięcia

 Niezrównoważony prąd jest jedną z przyczyn powstania napięć niesymetrycznych. Niezrównoważenie napięcia jest parametrem wpływającym na jakość zasilania. 

     Asymetria – opis teoretyczny.

System trójfazowy nazywamy zrównoważonym lub symetrycznym, jeżeli wartości tak napięć jak i prądów w poszczególnych fazach są sobie równe oraz przesunięte względem siebie o kąt 120 [0]. Jeśli którykolwiek z powyższych warunków nie zostanie spełniony, system nazywamy niezrównoważonym lub niesymetrycznym.

 

Metoda składowych.

Żeby 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 (używając indeksów d, h, i).

 

Rysunek 1.24 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 różnic się jedynie amplitudą. W systemach bez przewodu neutralnego nie płyną prądy składowej zerowej, ale mogą powstać znaczne różnice napięć.[2]

 

W praktyce pomiar poszczególnych składowych nie jest możliwy do wykonania zwłaszcza dla składowych kolejności zgodnej i przeciwnej. Miarą asymetrii układu są stosunki pomiędzy wartościami szczytowymi składowych kolejności zgodnej i przeciwnej.

 

 

Rysunek 1.25 Wykres wskazowy systemu z wykorzystaniem składowych z rysunku [1.24]

 

Na wykresie mamy niesymetryczny układ napięć U, V, W, Rozłożony został na poszczególne składowe.  Zgodne jak i przeciwne przesunięte są co 120 [o] i różnią się amplitudami w poszczególnych fazach.

 

Miarą asymetrii układu są stosunki pomiędzy wartościami szczytowymi składowych zgodnej i przeciwnej sygnału napięciowego lub prądowego.

 

gdzie:  Ui – wartość skuteczna składowych symetrycznych kolejności przeciwnej.

            Ud – wartość skuteczna składowych symetrycznych kolejności zgodnej.

 

Taka interpretacja używana jest w normie PN-EN 50160 [6] mówiącej o jakości energii.

 

Moc obwodu obciążonego asymetrycznie.

Moc pozorna S przesyłana symetryczną linią trójfazową przy sinusoidalnych przebiegach napięcia U(t) i prądu I(t), zmieniających się z jednakową częstotliwością, określona jest wzorem:

Moc czynna pobierana przez odbiór symetryczny równa jest sumie trzech mocy o jednakowej wartości Pf  pobieranych przez każdą fazę odbiornika:

Przy asymetrycznym obciążeniu linii trójfazowej kąt przesunięcia może być inny w każdej fazie, dlatego powyższy wzór nie wiąże mocy czynnej z mocą pozorną - współczynnik mocy asymetrycznego odbioru trójfazowego nie jest więc równy  cosinusowi kąta przesunięcia między prądem a napięciem.

 

Moc pozorną SN odbioru asymetrycznego można wyrazić wzorem:

Gdzie N jest mocą asymetrii pobieraną dodatkowo z linii przez odbiór asymetryczny.[3]

 

Obliczanie strat mocy i energii w obwodach niskiego napięcia przy obciążeniu asymetrycznym jest dość skomplikowane. Wniosek jest jednak taki, że obciążenie asymetryczne zwiększa straty mocy w linii.

 

Powstawanie asymetrii

Asymetria pomiędzy siecią a odbiorcami

 

Symetria napięciowa systemu pomiędzy siecią dystrybucyjną a wewnętrzną siecią odbiorów klienta zależy od :

  • impedancji systemu elektroenergetycznego
  • napięć na zaciskach generatora
  • prądów przepływających przez odbiorniki, sieci transmisyjne i dystrybucyjne (rozpływu mocy w systemie).

 

Napięcia na szynach wyprowadzeniowych generatorów są zazwyczaj wysoce symetryczne z uwagi na konstrukcję i charakter pracy maszyn synchronicznych używanych w elektrowniach. Nawet w przypadku stosowania generatorów asynchronicznych używanych na przykład w elektrowniach wiatrowych, uzyskuje się symetryczne napięcie trójfazowe.

 

Sytuacja wygląda inaczej w lokalnych sieciach generacji i dystrybucji mocy, powstałymi po stronie klienta. 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 różnice w parametrach elektrycznych linii. Generalnie różnice te są bardzo małe, a ich skutki mogą być pomijalne, gdy stosowane są środki zapobiegawcze jak na przykład przeplatanie linii napowietrznych. [2]

 

    Asymetria po stronie obciążeń.

Najczęstszym praktycznym przypadkiem jest asymetria po stronie obciążeń. Na poziomie napięć wysokich i średnich, występują zazwyczaj symetryczne odbiory trójfazowe, jednakże można spotkać również duże obciążenia jedno lub dwufazowe. 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 obciążeniu 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.

 

Podłączenia do sieci trójfazowej przez transformator:

 

Rysunek 1.26 Schemat połączeń transformatora w układ V

 

Podstawową wadą tego rozwiązania jest niesymetryczne obciążenie sieci zasilającej. Faza środkowa (V) obciążona jest podwójnie w stosunku do pozostałych. Pomimo niesymetrii obciążenia, zastosowanie transformatora w układzie V jest korzystniejsze z punktu widzenia sieci niż obciążenie tylko dwóch faz.

 

Rysunek 1.27 Przykład odbioru niesymetrycznego przyłączonego przez trafo w układzie T i V

 

 

Obciążenia 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, poszczególne obwody powinny być rozplanowane równomiernie pomiędzy 3 fazy na przykład jedna faza na jedno piętro, czy też naprzemienne podłączanie domów. Obciążenie poszczególnych faz transformatora jest zmienne gdyż zależy od rozkładu obciążeń u odbiorców.      

 

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.