Обрив нульового проводу в трифазній мережі

1. Розрахунок несиметричного режиму трифазної мережі з нульовим проводом
2. Розрахунок несиметричного режиму трифазної мережі без нульового проводу
3. висновки
4. Захист від обриву нуля

Привіт, шановні читачі і гості сайту «Нотатки електрика».

Я Вам завжди рекомендував, і навіть примусово змушував, для захисту електрообладнання та електричних приладів своїх квартир і будинків від підвищення або зниження напруги в мережі встановлювати однофазну або трифазну реле напруги, в залежності від Вашої мережі.

В якості реле однофазного напруги можна застосовувати пристрої різних виробників, наприклад, РН-113 від «Новатек-Електро», УЗМ-51 від «Меандр», RV-32A від EKF , CM-EFS.2 від АВВ, АЗМ-40А від «Ресанта», ZUBR D40t від «ДС Електронікс» та інші їм подібні.

Як трифазних реле напруг можу порекомендувати: цифрове реле напруги V-protector 380V від «Digitop», РНПП-311 від «Новатек-Електро», РКН-3-15-15 і УЗМ-3-63 від «Меандр», CM-MPS.11 від АВВ.

Всі перераховані вище пристрої контролюють вхідна напруга мережі, і якщо напруга з якихось причин вийшло за межі заданих уставок, то вони повинні відключити споживачів, тим самим захищаючи і рятуючи їх від виходу з ладу.

Нагадаю, що згідно ГОСТу 29322-92, табл.1, номінальну напругу однофазної мережі повинно бути 230 (В), а трифазної - 400 (В). А по ГОСТу 13109-97, п.5.2, гранично-допустиме відхилення напруги не повинно перевищувати ± 10%, тобто для однофазної мережі цю напругу від 207 (В) до 253 (В), а для трифазної - від 360 до 440 (В).

Причин для відхилення напруги може бути безліч, і в одній зі своїх статей я їх вже перераховував. Але сьогодні я хотів би зупинитися на одній дуже поширеною причини, як обрив нуля.

В Інтернеті є чимало статей по цій темі, але вся представлена ​​інформація в основному теоретична і поверхнева. Я ж в даній статті розповім Вам дуже докладно про виникненні такої ситуації, буду виконувати розрахунки струмів і напруг в нормальному режимі і при обриві нуля, виходячи з реальних навантажень на прикладі кількох квартир, а в самому кінці зімітуйте ситуацію з обривом нуля в трифазній мережі на реальному прикладі.

Отже, поїхали.

Розрахунок несиметричного режиму трифазної мережі з нульовим проводом

Для інтересу, теорію будемо розглядати не в чистому вигляді, а на наочному прикладі. Припустимо, що на майданчику біля нас розташовано три квартири.

Ось приклад такого поверхового щита на три квартири, про який у мене написана окрема і докладна стаття .

Кожна квартира харчується з під'їзної щита, але з різних фаз - звичайна справа. Квартира №1 запитана з фази А, квартира №2 - з фази В, а квартира №3 - з фази С.

Візьмемо за умовність, що в якийсь певний момент часу в квартирі №1 був включений в розетку електричний чайник потужністю 2000 (Вт), в квартирі №2 - горіли лампи розжарювання загальною потужністю 400 (Вт), а в квартирі №3 - горіла одна єдина лампа розжарювання потужністю 75 (Вт).

Я спеціально в якості прикладу навів чисто активне навантаження, щоб не ускладнювати розрахунки і векторні діаграми кутами зсуву і т.п. Природно, що в реальності чисто активного навантаження по квартирах не буває, але тим не менше зміст залишається тим самим.

А тепер згадаємо трохи ТОЕ.

Навантаження кожної квартири представимо у вигляді опорів, які позначимо «Z». Z - це і є повний опір ланцюга, з урахуванням активної і реактивної складової, але як я вже сказав вище, реактивної складової у нас немає (навантаження чисто активна), тому в нашому випадку Z = R. Виходить наступне:

• Zа = Ra = 24,2 (Ом) - опір навантаження квартири №1

• Zb = Rb = 121 (Ом) - опір навантаження квартири №2

• Zc = Rc = 645,3 (Ом) - опір навантаження квартири №3

Як бачите, навантаження по квартирах різна, тобто це типовий несиметричний режим роботи чьотирьох трифазної мережі з нейтральним проводом при з'єднанні навантаження за схемою «зірка». У цій схемі є свої особливості, але про це трохи пізніше.

Отже, номінальна лінійна (міжфазне) напруга мережі становить 400 (В), а фазна напруга (між фазою і нулем) - 230 (В).

На джерелі живлення лінійні напруги позначаються, як UAB, UBC та UCA, а фазні UA, UB і UC. На навантаженні такі ж позначення, тільки з маленькими буквами (індексами).

Але на практиці такі ідеальні значення рідко зустрічаються з кількох причин. Спочатку на трансформатор може приходити високу напругу живлення з недосконалими лінійними напругами, яке перетворюється на низьку сторону теж з деякою різницею. До того ж сам трансформатор може мати якісь найбільш завантажені фази, на яких напруга буде трохи знижено, в порівнянні з іншими.

Я візьму реальний приклад з практики, тому лінійні і фазні напруги у мене мають таке значення:

Будемо вважати, що нейтральний (нульовий) провідник від трансформаторної підстанції (ТП) до поверхового щита у нас ідеальний (ZN = 0), тобто я зневажаю його опором, яке складається з опорів перехідних контактів і самих проводів. Опору контактних з'єднань і провідників фаз я теж враховувати не буду.

Таким чином виходить, що напруга між нулем джерела живлення (в моєму випадку це трансформатор) і нулем навантаження (споживачі) дорівнює нулю, тобто ці точки мають однаковий потенціал.

Напруга між цими точками називається напругою зміщення нейтралі і його позначають, як UnN.

В даному випадку напруга зсуву нейтралі дорівнює нулю (UnN = 0), а значить фазні напруги у джерела живлення (трансформатор) і на навантаженні (споживачі) абсолютно однакові:

• UA = Ua = 239 (В)
• UB = Ub = 225 (В)
• UC = Uc = 232 (В)

Векторна діаграма напруг матиме такий вигляд. Для наочності хотів побудувати її в масштабі, але не знайшов гідного онлайн сервісу, а малювати її на міліметрівці, як в університеті, у мене немає часу.

Природно, що фазні напруги зсунуті відносно один одного на 120 електричних градусів.

Тепер нам потрібно дізнатися струми навантаження по фазах, які розрахуємо за законом Ома для ділянки кола , Знаючи фазні напруги і опору навантажень. Розрахунок фазних струмів буду робити в показовою формі комплексного числа.

Тепер відкладемо отримані значення струмів на нашій векторній діаграмі. Оскільки навантаження у нас чисто активна, то вектори струмів будуть сонаправлени з векторами фазних напруг.

Ось це нормальний режим роботи, коли немає обриву нейтрального провідника, тобто це несиметричний режим роботи чьотирьох трифазної мережі з нульовим проводом.

Заради інтересу можна розрахувати струм в нульовому проводі, який дорівнює геометричній сумі всіх фазних струмів. Для зручності складання комплексних чисел переведу їх з показовою форми в алгебраїчну, а результат запишу знову в показовою.

Вийшло, що значення струму в нулі становить 8,86 (А).

Розрахунок несиметричного режиму трифазної мережі без нульового проводу

Але зараз перейдемо до найцікавішого!

Припустимо, що в поверховому щиті через поганого контакту у нас отгорел магістральний нуль N (PEN), або ж електрик, виконуючи роботу, помилково його розірвав, наприклад, в цьому місці (місце розриву я вказав неправдиві схемою червоним хрестиком). Я лише вказав дві причини обриву нуля, насправді їх може бути безліч.

Ось фотографія подібного по виконанню поверхового щита. До речі, цей щит знаходиться в аварійному стані і про нього у мене є окрема стаття, де я детально розповідаю, як і що в ньому потрібно усунути і виправити .

Так що ж станеться при обриві магістрального нуля N (PEN) ?!

При обриві нульового проводу все три опору виявляться включені зіркою, але без нуля. Відбудеться зміщення нейтралі і перерозподіл (перекіс) фазних напруг квартир. По суті, у нас вийшла трифазна трехпроводная мережу без нульового провідника, але з неоднаковими навантаженнями.

А щоб зрозуміти, як саме розподіляться фазні напруги, спочатку необхідно знайти напруга зсуву нейтралі (за методом вузлових напруг).

Таким чином вийшло, що при обриві нуля між нульовим проводом трансформатора і отгоревшей нейтраллю в поверховому щиті з'явиться потенціал близько 181 (В).

Якщо у Вас в житловому будинку застосована застаріла система заземлення TN-C , В якій всі відкриті металеві конструкції приєднані до нейтрали (занулені), то ця різниця потенціалів (напруга) виявиться на всіх занулених металевих частинах, а в нашому прикладі під напругою виявиться металевий корпус поверхового щита і все, що підключено до нульової колодці N, а це у нас нульові провідники всіх трьох наших квартир.

Зачепивши корпус щита або будь-який нульовий провідник, Ви потрапите під дію електричного струму.

Про наслідки я розповідати не буду, про це вже написано кілька статей на сайті з реальними випадками, знайомтеся:

Якщо ж в поверховому щиті Ви зробили поділ PEN провідника і перейшли з системи заземлення TN-C на TN-CS, то ця різниця потенціалів виявиться не тільки на отгоревшем нулі і на конструкції щита, але і на корпусах всіх Ваших електричних приладів і техніки, що значно збільшує шанси потрапити під дію електричного струму. До речі, це ще один доказ того, що поділ PEN провідника необхідно виконувати не в поверховому щиті, а в ВРУ .

Але це ще не все.

Визначимо фазні напруги на навантаженні з урахуванням зсуву нейтрали.

І що ми бачимо ?! А бачимо ми перекіс фаз в трифазній мережі.

У фазі А напруга знизиться з 239 (В) до 65 (В), в фазі В - напруга з 225 (В) збільшиться до 335 (В), а в фазі С - напруга з 232 (В) збільшиться до 372 (В) .

Природно, що в квартирі №1 при такому низькому напрузі 65 (В) з електричним чайником нічого не станеться, він просто напросто не стане працювати. Але от якщо замість чайника був би підключений холодильник, кондиціонер або інші споживачі з руховим навантаженням, то велика ймовірність, що вони вийшли б з ладу.

А ось в квартирах №2 і №3 наслідки будуть дуже сумними. При напрузі 335 (В) і 372 (В) лампи в них моментально згорять. Якщо замість ламп буде включена інша навантаження, будь це телевізор, комп'ютер та інша побутова техніка, то вони теж моментально вийдуть з ладу, якщо звичайно в них немає вбудованого захисту від перепадів напруги. Не виключено, що може виникнути навіть пожежа.

Так, до речі, ось так приблизно буде виглядати наша векторна діаграма після отгоранія нуля.

Як бачите, точка нейтрали n зрушила в точку n ', тобто до найбільш завантаженої фази А. В найбільш завантаженої фазі напруга знизилася, а в менш завантажених, навпаки, збільшилася і практично до лінійної напруги.

При зміні опорів фазних навантажень напруга зсуву нейтралі UnN може змінюватися в широких межах, при цьому точка нейтрали n 'може перебувати в різних місцях векторної діаграми, а фазні напруги у споживача можуть мати величини від нуля і аж до лінійної напруги.

При всій цій ситуації фазні напруги на джерелі живлення (трансформаторі) залишаться незмінними, тобто несиметрія навантаження ніяк не впливає на систему напруг джерела живлення.

А тепер, знову ж посилаючись на закон Ома, розрахуємо фазні струми.

Проведемо перевірку наших розрахунків за першим законом Кірхгофа - геометрична сума струмів всіх фаз при обриві нульового проводу повинна бути дорівнює нулю. Ось і перевіримо це тотожність.

Тотожність вірно, з урахуванням невеликих похибок, що виникли при розрахунках.

Але і це ще не все. Після того, як від підвищеної напруги вийдуть з ладу споживачі, почнеться черговий перерозподіл фазних напруг, але вже з урахуванням цих згорілих споживачів, і тоді напруга може підвищитися вже в іншій фазі. Загалом така нескінченна реакція буде тривати до того моменту, поки все не згорить.

висновки

Який же висновок можна зробити ?!

В даному прикладі я змоделював обрив нульового провідника в поверховому щиті, з якого харчувалися однофазні навантаження трьох квартир з різних фаз. Якщо розглянути в цілому багатоквартирний будинок, то ситуація буде аналогічною, тому що навантаження по фазах сильно коливається і в будь-якому випадку буде несиметричною. Аналогічна ситуація може статися і в приватному будинку, який має трифазний введення.

Таким чином, з розрахунків слід, що при обриві нульового провідника в трифазних мережах з глухозаземленою нейтраллю при несиметрії навантажень фазні напруги можуть досягати небезпечних значень. Нагадаю, що в розглянутому прикладі в фазі В і фазі С напруга збільшилася до 335 (В) і 372 (В) відповідно, тобто зросла майже до лінійного.

Тут же хотів додати, що при симетричному навантаженні в разі обриву нуля перекосу фаз не виникне. Ось тому багато трифазні двигуни живляться чотирижильного кабелями без нуля (А, В, С і PE).

Захист від обриву нуля

Які ж заходи можна вжити для запобігання подібних випадків?

Якщо це багатоквартирний будинок, то наполегливо вимагати від обслуговуючої організації постійного контролю і регулярних перевірок стану електропроводки від ВРУ до поверхових щитів, в тому числі з проведенням всіх необхідних вимірювань з залученням електротехнічної лабораторії (ЕТЛ) . Нас, до речі, регулярно залучають керуючі компанії (КК) для проведення подібних робіт, тому що ці вимірювання необхідно проводити з певною періодичністю, яка вказана в ПУЕ та ПТЕЕС. До слова, ось фотографії з останньої перевірки одного багатоквартирного будинку. І як там ще щось працювало ?!

Про це ВРУ я швидше за все напишу окрему статтю із зазначенням конкретних зауважень, так що підписуйтесь на новини сайту, щоб не пропустити найцікавіше.

Ось ще кілька фотографій з об'єктів. Часом в електричний щит навіть зазирнути страшно, не кажучи вже про виконання в ньому будь-яких робіт.

Якщо з Вами все таки сталася ситуація з обривом нуля, то Вас врятують тільки пристрої (реле), про які я говорив на самому початку статті. До того ж, «Біблія електрика» (ПУЕ, п.7.1.21) рекомендує не нехтувати даними порадами.

Також ПУЕ, п.1.7.145 забороняє установку комутаційних апаратів (автомати, запобіжники і т.п.) в нейтральному проводі PEN, щоб якраз таки вберегти споживачів від перекосу фаз при несиметричному режимі.

Увага! Один з постійних читачів сайту змоделював ситуацію обриву нуля в трифазній мережі, коли навантаження в кожній фазі однакові, а потім додав в одну з фаз додаткове навантаження. Уже грунтуючись на теорію, викладену в даній статті, подивіться, що ж станеться в цих двох різних випадках. Костянтину від мене особисто велике спасибі за наданий матеріал.

У висновку хотів би акцентувати Вашу увагу на те, що все вищесказане в даній статті ставиться до обриву нульового провідника у трифазній мережі. Якщо ж при однофазному вводі в квартиру у Вас отгоріт вступної нуль, то нічого при цьому у Вас не згорить, а виникає ситуація іншого плану, про яку я детально розповідав в статті про поява в розетках «двох фаз» .

PS А хто-небудь з Вас ставав «жертвою» обриву нуля ?! За яких обставин це сталося, які наслідки були - поділіться в коментарях своєю історією, щоб підкріпити інформацію даної статті реальними прикладами з життя.

Якщо стаття була Вам корисна, то поділіться нею зі своїми друзями: