Назначение нулевого провода в трехфазных цепях

Чем опасен обрыв нулевого провода в электрической сети?

Даже те, кто не имеет электротехнического образования, наверняка слышали о такой аварийной ситуации, как перекос фаз. В некоторых предыдущих публикациях мы уже упоминали, чем грозит обрыв нуля, и кратко упоминали о способах защиты от несимметрии фазных напряжений. Сегодня мы более подробно рассмотрим данную тему.

Что такое обрыв нуля?

Для полноценного ответа на этот вопрос необходимо привести примеры штатной работы трехфазной схемы ввода электроснабжения. В качестве примера приведем упрощенный вариант с вводом для этажного распределительного щита.

Схема 1. Штатная работа системы

Как видно из рисунка, каждая из квартир на этаже запитана от отдельной фазы (L₁ – L₃) и общего нуля. Что формирует в бытовой сети каждой квартиры фазное напряжение 220 вольт (L₁N=L₂N=L₃=220 В.). В данном случае используется схема питания TN-C-S, где задействована шина заземления PE, соединяемая в РУ здания с нулем. Приведенная система сбалансированная, поскольку ток нагрузки в фазных проводах суммируется через нулевую линию, что снижает вероятность перекоса фазных напряжений.

Заметим, что полностью исключить данное явление довольно сложно, поскольку сопротивление нагрузок на каждой фазе может различаться. К примеру, в квартире_1 включен кондиционер и стиральная машина, в квартире_2 хозяин запустил бойлер и электропечку, а в квартире_3 жильцы отсутствуют и все бытовые приборы отключены от сети. По итогу, в трехфазной системе питания возникнет несимметрия напряжений.

Теперь рассмотрим работу сети в нештатном режиме, когда происходит отгорание нуля.

Что происходит в электросети при обрыве нуля?

Рассмотрим отдельно, изменение режима работы трехфазной сети при обрыве магистрального нуля и как поведет себя однофазная электрическая проводка, если отгорание нулевого проводника произойдет на вводе.

Отгорание нуля в трехфазной сети

Внесем изменения в рисунок 1, вызванные аварией, а именно отключением нуля .

Оборвался нулевой магистральный проводник

В данном случае обрыв общего нулевого провода приведет к тому, что движение электрического тока по нему прекратиться. В результате все квартиры R₁-R₃ будут запитаны по типу подключения «звезда без нулевой магистрали». Другими словами, при обрыве нуля на каждую квартиру будет поступать не фазное, а линейное напряжение.

Контур из квартир 1 и 2

Для примера предлагаем рассмотреть, как сложится ситуация в квартирах 1 и 2. Нагрузка электрических приборов суммируется в данном контуре при прохождении через него тока I₁₂. Соответственно, уровень напряжения для квартир установится в зависимости от нагрузки подключенных к сети приборов. То есть: U₁ = I₁₂*R₁, а U₂ = I₁₂* R₂. Из этого следует, что суммарная величина силы тока составит I₁₂ = U₁₂ / (R₁+R₂) :

Обратим внимание, что суммарное напряжение контура будет равно линейному в данной электросети, то есть U₁₂ = 380 вольт. Но при этом показатели U₁ и U₂ могут варьироваться в диапазоне 0-380 вольт и, естественно, существенно отличаться друг от друга. На данные значения может влиять как нагрузка подключенных приборов в каждой из квартир, так и ее активная и пассивная составляющая.

В результате если произойдут проблемы с нейтралью трансформатора (нулем источника), велика вероятность выхода из строя подключенных к сети приборов. Причина – повышение уровня напряжения в сети.

Обрыв нуля в однофазной сети

В данной ситуации последствия будут не такими печальными, как в описанном выше случае, но, тем не менее, если отгорает вводный ноль в системе TN-C, это может представлять серьезную опасность для жизни человека.

Отгорание нуля в схеме однофазного потребителя

Для однофазных нагрузок обрыв нуля будет аналогичен отключению напряжения, за исключением того фактора, что на фазном проводе останется потенциал, представляющий опасность для жизни. Причем, он также проявится там, где был ранее защитный ноль в контактах розеток. Если корпуса электроприборов заземлялись рабочим нулем, то весьма велика вероятность негативных последствий. В системах TN-C-S фактор риска существенно сокращается, за счет использования PEN проводника.

Как защититься?

Узнав об опасности, представляемой потерей нуля, предлагаем рассмотреть варианты защиты от данного явления:

• Начать необходимо с грамотного монтажа электропроводки. Если для питания объекта планируется задействовать трехфазную схему электроснабжения, то ее расчет должен быть произведен таким образом, чтобы минимизировать вероятность перекоса фаз. То есть, необходимо планомерно распределить нагрузку на каждую линию.
• Следует задействовать в управлении сетью приборы, выравнивающие нагрузку на каждую из фаз. Причем, в идеале, эта работа должна осуществляться без привлечения операторов, то есть, выполняться автоматически при обрыве нуля.
• Должна иметься возможность оперативного изменения схемы подключения потребителей. Это позволяет внести корректировки, если на этапе проектирования не была должным образом учтена нагрузка на каждый участок или увеличилась мощность потребления в связи с вводом новых объектов. То есть, при возникновении критической ситуации должна иметься возможность изменения мощности. В качестве примера можно привести вариант, когда многоквартирный дом переводится на линию с большей нагрузкой для «разбавления» перекоса фаз, возникающего при обрыве нуля.

В приведенных выше вариантах мы рассматривали защиту от перекосов в глобальных масштабах, конечный потребитель может обеспечить должный уровень защиты значительно проще. Для этого достаточно установить реле контроля напряжения, в котором указать допустимый минимальный и максимальный уровень. Как правило, это ±10% от нормы.

Подведем итоги

Безусловно, что вероятности аварий носят случайный характер, максимум, что можно сделать в таких ситуациях, — принять необходимые меры для обеспечения защиты. Но помимо этого не будет лишним вовремя определить аварийную ситуацию по характерным признакам. В первую очередь отгорание нулевого магистрального провода приводит к перенапряжению сети. Обнаружив первые признаки этого явления, следует отключить все электроприборы.

Сделать это оперативно и самостоятельно практически нереально. Временной промежуток для этого слишком коротким, поэтому следует установить на электрическом щитке специальные приборы, реагирующие на обрыв нуля. Как только напряжение выйдет за установленные пределы, реле контроля напряжения произведет защитное отключение.

Полностью доверять системе защиты не стоит. Может случиться так, что при наличии характерных признаков перепадов напряжения, отключение питания не произойдет. Поэтому имеет смысл перечислить наиболее вероятные проявления для данного явления:

• Мерцание ламп накаливания. Они наиболее чувствительны к перепаду уровня напряжения, возникающего при обрыве нуля. Энергосберегающие осветительные приборы и светодиодные лампы не настолько реагируют на изменения.
• Электронные приборы, имеющие встроенную защиту, как правило, отключаются от сети питания. Или не запускаются. Такие действия предусмотрены реакцией защиты импульсных БП на броски напряжения. Характерно, что такая реакция может сработать раньше, чем реле напряжения. Но это, во многом зависит от производителя и схемы реализации защиты электросетей, а также надежности электрического соединения.
• Еще один характерный признак – повышение температуры выключателя. Даже если Вы не обратили внимания на мерцание ламп, то данное проявление должно вызвать опасения.
• Искрение, при попытке подключения электроприбора, может говорить об обрыве нуля на вводе однофазного потребителя. Даже, если оно вызвано другим фактором, а не обрывом нуля, это очень нехороший признак.
• Самопроизвольные срабатывания вводных автоматов, также могут указывать на перенапряжение. Такая реакция на обрыв нуля характерна при включении электронагревательных приборов, например электропечи, бойлера, чайника и т.д.
• Характерные звуки во вводном электрическом щите также могут указывать на перепады напряжения. В такой ситуации рекомендуется отключить ввод питания и дождаться приезда аварийной бригады. Велика вероятность, что авария обрыва нуля имела место в электросети поставщика.
• Обязательно установите на вводе электрической сети реле напряжения. В идеале желательно продублировать данную систему стабилизатором напряжения для дома или квартиры. Такое устройство, работая в паре с реле, позволит поддерживать заданный уровень напряжения, не отключая питание.

Собственно, только многоуровневая защита может обеспечить максимальную безопасность.

Видео по теме статьи

Назначение нулевого провода в трехфазных системах

Одной из важнейших экономических проблем электроснабжения является уменьшение веса проводов электрической сети при заданной передаваемой мощности и определенном проценте потерь в сети. Оно может быть достигнуто не только повышением напряжения в сети, но также путем объединения нескольких независимых сетей, причем в части проводов можно создать токи, взаимно компенсирующие друг друга. Это дает возможность уменьшить либо число проводов, либо их сечение.

Уже в первые годы развития электротехники, когда электропередача производилась при постоянном напряжении, указанная идея была использована в так называемой трехпроводной системе, предложенной Доливо-Добровольским.

Пусть имеются два одинаковых (по напряжению и мощности) источника постоянного напряжения U , каждый из которых обслуживает своих потребителей.

Сеть состоит из четырех проводов. Если объединить два провода в так называемый уравнительный (нулевой) провод, то в нем будут суммироваться противоположно направленные токи, поэтому сечение провода можно будет значительно уменьшить.

При симметричной нагрузке ( I1=I2 ) уравнительный провод оказывается излишним, и экономия в проводах достигает 50°. При изменении нагрузок (без уравнительного провода) напряжение будет перераспределяться между ними, что нежелательно .

Уравнительный провод в значительной степени уменьшает несимметричное распределение напряжения. Если можно пренебречь внутренним сопротивлением источников и сопротивлением линии, то несимметрия устраняется практически полностью. Подобная же идея лежит в основе построения многофазных систем переменного тока.

Многофазной симметричной системой называется совокупность нескольких переменных напряжений равной амплитуды и частоты, симметрично сдвинутых по фазе со времени. Практическое распространение получила трехфазная система (смотрите — Трехфазная система ЭДС).

Трехфазная (и всякая многофазная) система по сравнению с однофазной имеет ряд преимуществ: она позволяет выиграть в весе проводов электрической сети, обеспечивает более равномерную нагрузку двигателя, вращающего электрический генератор трехфазного напряжения, и, наконец, позволяет создать вращающееся магнитное поле, широко применяющееся в электродвигателях.

Если бы вместо трехфазной системы применялась однофазная (той же мощности и того же напряжения), то потребовалось бы только два провода, но их сечение пришлось бы рассчитывать на втрое больший ток. По сравнению с однофазной системой трехфазная дает экономию в весе проводов на 30 — 40%.

Независимо от схемы включения генератора (обычно неизвестной потребителю) нагрузка трехфазной системы также может включаться двумя способами — треугольником или звездой.

В первом случае напряжение на каждом из потребителей равно линейному и не меняется при нарушении симметрии нагрузок. Ток в потребителе (фазовый) отличается от тока в линии.

При включении же потребителей звездой ток в каждой нагрузке равен соответствующему линейному току, но напряжение на каждой нагрузке (фазовое) отлично от линейного.

При изменениях нагрузок токи автоматически перераспределяются, причем сумма их (получающаяся в общей точке нагрузок) всегда обращается в нуль. Одновременно происходит соответственное перераспределение напряжений между неравными нагрузками.

Этот недостаток устраняется, если имеется нулевой провод (присоединяемый к общей точке нагрузок), так как он позволяет сумме трех фазовых токов оставаться отличной от нуля т. е. при несимметричной нагрузке нулевой провод трехфазной системы способствует поддержанию постоянства напряжения на нагрузках.

Назначение нулевого провода в трехфазных цепях

Нагрев нулевого провода может привести к его отгоранию и аварии в электросети. Чаще всего это происходит при неравномерном распределении нагрузок по фазам в трехфазной электросети и из-за плохого контакта. В этой статье мы расскажем почему греется нулевой провод и что делать в этой ситуации.

Ток в трёхфазной цепи

Чтобы причины нагрева нуля нужно понять, как работает трехфазная сеть. Нагрузка в трёхфазной сети может быть соединена звездой и треугольником, также могут быть соединены обмотки питающего трансформатора. У обмотки есть два вывода — конец и начало.

Если концы обмоток трехфазного трансформатора соединяются в одной точке — тогда говорят, что это схема соединения звездой. В точке их соединения (О), согласно законам Кирхгофа, ток будет всегда равен нулю, то есть перетекать от фазы к фазе. Если нагрузка в каждой из фаз (a, b, c) одинакова, то будут равны и напряжения на началах обмоток (A, B, C) как и ток в них. Что проиллюстрировано на векторной диаграмме ниже, где фазы токов и напряжений обозначены векторами и сдвинуты на треть периода друг относительно друга (120 градусов).

Симметричной называют такую трехфазную нагрузку, у которого сопротивление нагрузки (соответственно и потребляемый ток или мощность) каждой из трех фаз одинаково.

Но как только ток в фазах начинает отличаться, когда нагрузка по фазам отличается мощностью, то и напряжения на фазах начинают отличаться друг от друга. Это называется перекосом фаз.

Чтобы решить эту проблему к точке соединения звезды трансформатора подключают точку соединения звезды нагрузки. Это называется нейтраль, или нулевой провод, или просто ноль.

Электроснабжение в быту для чайников

Мы плавно подошли к практике, при подключении однофазных потребителей в трёхфазную сеть нагрузки зачастую неравны, то есть несимметричны.

Такое зачастую встречается в многоквартирных домах. В дом заводятся три фазы и ноль, в каждую квартиру заводится одна фаза и ноль. В одной квартире включён только холодильник и лампочка, в другой работает мощный электрообогреватель, а в третьей вообще ничего не включено. То есть нагрузки в фазах не одинаковы. В настоящее время часто в квартирах встречается и трёхфазный ввод, но ситуация от этого не изменяется.

В частных домах ситуация аналогична — на улице по опорам проходит трехфазная ЛЭП, а в дома заводится 1—3 фазы и ноль.

Всё-таки почему греется

В результате неравномерного распределения нагрузки по фазам в домах и квартирах по нулевому проводнику начинает протекать ток. Вы замечали, что в толстых 4 жильных кабеля 3 «фазных» жилы с одинаковой площадью поперечного сечения, а четвертая жила «нулевая» или «земляная» обычно тоньше?

Это как раз-таки связано с тем, что при симметричной нагрузке по ней вообще не будет протекать ток, а при не симметричной нагрузке ток должен быть меньше чем в фазной жиле. Но так бывает не всегда.

При нелинейных нагрузках, а также нагрузках, которые потребляют ток прерывисто (импульсные блоки питания, а они сейчас используются повсеместно) токи в фазах не компенсируют друг друга, к тому же они насыщаются различными гармоническими составляющими. Всё это является причиной того, что токи в точке соединения звезды просто не компенсируются и может оказаться так, что ток в нулевом проводе будет больше чем в фазном.

При протекании электрического тока проводник нагревается, это безупречная работа закона Джоуля-Ленца на практике. Он гласит, что чем больше сопротивление проводника и чем дольше протекает электрический ток, тем больше выделится тепла на нём.

Также вспомним, о том, что чем меньше сечение проводника и чем больше его длина, тем больше сопротивление. Кроме того, от качества контактов на соединении клемм и проводов также зависит переходное сопротивление. Простыми словами, чем больше площадь соприкосновения контактов и чем сильнее они прижаты друг к другу – тем меньше переходное сопротивление и тем меньше их нагрев.

В таком контакте как на рисунке ниже поверхности плоские, площадь будет равна площади наконечника, касающейся шайбы, плюс сопротивление самой шайбы и площадь её соприкосновения с медной шиной. Если все составляющие в хорошем состоянии, не имеют окислов и нагара – итоговое переходное сопротивление будет низким.

Если поверхности подгорели, окислены или ржавые, контакт получается таким как изображено на иллюстрации ниже. Здесь явно видно, что касания происходят в отдельных точках, а не по всей площади.

В клеммниках типа ВАГО и других пружинных клеммниках площадь касания пластины с круглой токопроводящей жилой достаточно маленькая, поэтому основная сфера применения таких клеммников — цепи с током 8-16 Ампер, за редкими случаями, когда клеммник конструктивно способен пропустить больший ток.

В винтовых клеммниках и шинах площадь контакта в большей степени определяется площадью винта, которым прижимается токопроводящая жила. Ниже вы видите клеммники в полиэтиленовой оболочке.

Внутри полиэтиленового корпуса расположена втулка из материала похожего на латунь и два винта. Из-за конструкции винтовыми клеммниками нельзя соединять голые многопроволочные провода. Их нужно лудить или обжимать наконечниками НШВИ.

Поэтому при аналогичном принципе действия клеммная колодки на карболитовом основании обеспечивают контакт лучше, за счет прижимной квадратной пластины-шайбы. Кроме того, вы можете сделать кольцо из провода и обернуть им винт или использовать наконечники типа НКИ.

Если вам интересны способы и средства для соединения проводов – пишите в комментариях и мы сделаем обзор всех видов с перечислением преимуществ и недостатков каждого из них.

Где греется

Почему греется ноль мы разобрались, а теперь давайте разберемся где это происходит чаще всего. В первую очередь ноль может отгореть в распределительном щите на вводе в здание. Это самая распространенная ситуация, потому что в этом месте на нулевой провод ложится нагрузка со всех квартир и со всех трёх фаз.

Далее часто возникают проблемы на нулевой шине в подъездном электрощите. Если шины вообще есть, и не подсоединено как на фотографии ниже.

Часто шина закреплена непосредственно на корпусе подъездного электрощита, тогда это выглядит так как показано ниже.

В клеммниках автоматических выключателей греется ноль, вплоть до обугливания частей его корпуса.

Если у вас старая электропроводка и установлены пробки с предохранителями или автоматические пробки, то обратите внимание как на винтовые клеммники, так и на сам цоколь пробки. Резьба и центральный контакт могут окисляться и подгорать, что проиллюстрировано на рисунке ниже.

Общие шины очень часто подвержены проблеме подгорания нуля. Это связано с их устройством и соблюдением правил работы с ними. Винтовой способ подключения проводников, хоть и безусловно удобен, но такие контакты нужно хотя бы изредка ревизировать – зачищать и протягивать, иначе вы получите то что изображено на рисунке ниже.

А в нормальном состоянии она должна выглядеть так:

Решение проблем вызванных нагревом простое — зачистить контакты, проводники и заново протянуть. Если клеммник был сильно перегрет — заменить его, если провод грелся в автомате, возможно автомат тоже нужно будет заменить!

Что происходит дальше и как избежать последствий?

По мере нагрева начинает подгорать и ухудшаться контакт. Ослабевают винтовые зажимы в связи с тепловым расширением и последующим охлаждение после снятия нагрузки. Это вызывает лавинообразный процесс роста сопротивления и нагрева соединения. В результате ноль рано или поздно отгорает полностью. При этом внешне может казаться что он всё еще находится в клеммнике, а фактически все прилегающие поверхности будут покрыты слоем окислов и нагара.

После чего происходит то явление о котором мы говорили в начале статьи – перекос фаз.

О том что ноль скоро отгорит можно косвенно судить по участившимся просадкам и возрастаниям напряжения, особенно если у вас выполнен трёхфазный ввод и установлены вольтметры или реле напряжения и индикацией величины напряжения в сети. Если напряжения постоянно стабильны (или отклонения несущественны) – у вас всё впорядке с проводкой.

При перекосе фаз нагрузка, в нашем случае частные дома или квартиры оказываются включенными последовательно на 380 Вольт. Напряжения распределятся согласно закону Ома – там где будет включена бОльшая нагрузка – напряжение просядет (сопротивление нагрузки маленькое), а в той квартире где включен минимум электроприборов напряжение повысится (сопротивление нагрузки высокое).

Последствием перекоса фаз в лучшем случае будет отгорание проводников на вводе, выбивание автомата и прочее. В худшем случае из-за возросшего тока может оплавиться изоляция электропроводки и произойти возгорание.

Чтобы обезопасить своё жильё от последствий отгорания нуля рекомендуем установить реле контроля напряжения, а еще лучше в паре с УЗИП. Стабилизатор напряжения на вводе в квартиру в этой ситуации может не решить проблему и сам выйти из строя.

Схему подключения реле напряжения вы видите ниже.

В качестве таких устройств мы можем порекомендовать популярные модели:

— УЗМ-50Ц (комбинированное устройство с функцией вольт-амперметра);

— Digitop VA-32 (недорогой, но надёжный вариант, модель может отличаться в зависимости от номинального тока);

Ранее ЭлектроВести писали о схеме подключения проходного выключателя.

Четырехпроводная трехфазная система. Векторная диаграмма. Роль нулевого провода.

Дата добавления: 2015-08-31 ; просмотров: 10745 ; Нарушение авторских прав

Чтобы в трехфазной системе можно было одновременно пользоваться двумя различными напряжениями (например, 380 В — для питания электродвигателей и 220 В — для питания электрических ламп и других однофазных потребителей) применяют четырехпроводную систему электроснабжения. Четырехпроводная линия трехфазной системы имеет четыре провода: три линейных, по которым протекают линейные токи I_A, I_B, I_C и один нулевой (нейтральный) провод, предназначенный для поддержания одинаковых значений фазных напряжений на всех трех фазах потребителя. По нулевому проводу может протекать уравнительный ток I, называемый нулевым или нейтральным током. Такая система соединения обмоток трехфазного генератора и приемников (потребителей) называется «звездой» и показана на рисунке..

Для расчета трехфазной цепи применимы все методы, используемые для расчета линейных цепей. Обычно сопротивления проводов и внутреннее сопротивление генератора меньше сопротивлений приемников, поэтому для упрощения расчетов таких цепей (если не требуется большая точность) сопротивления проводов можно не учитывать (Z_Л = 0, Z_N = 0). Тогда фазные напряжения приемника U_a, U_b и U_c будут равны соответственно фазным напряжениям источника электрической энергии(генератора или вторичной обмотки трансформатора), т.е. U_a = U_A; U_b = U_B; U_c = U_C. Если полные комплексные сопротивления фаз приемника равны Z_a = Z_b = Z _c, то токи в каждой фазе можно определить по формулам:

В соответствии с первым законом Кирхгофа ток в нейтральном проводе:

Векторная диаграмма напряжений четырехпроводной трехфазной цепи:

Из диаграммы видно, что U_Л = √3 U_Ф

Нулевой (нейтральный) провод необходим для выравнивания фазных напряжений нагрузки, когда сопротивления этих фаз различны. Благодаря нейтральному проводу, каждая фаза нагрузки оказывается включенной на фазное напряжение генератора, которое практически не зависит от величины тока нагрузки, так как внутреннее падение напряжения в фазе генератора незначительно. Поэтому напряжение на каждой фазе нагрузки будет практически неизменным при изменениях нагрузки.

Роль и назначение нулевого провода

Если кто-либо сталкивался с электричеством, то непременно слышал о таких понятиях, как фазный и нулевой провод. Их основной отличительной чертой является назначение. Провод, соединяющий нулевую точку фаз генератора, трансформатора с нулевой точкой нагрузки, называют нулевым или нейтральным. Его называют так потому, что в некоторых случаях ток в нем равен нулю, и нейтральным исходя из того, что он одинаково принадлежит любой из фаз.

• Различия фазного и нулевого провода
• Особенности нейтрального провода
• Классификация нейтралей линий электропередач
• Реакция электроприборов на обрыв нуля

Различия фазного и нулевого провода

Фазный провод (фаза) предназначен для подачи электричества к потребителю.

Назначение нулевого провода (нейтрального или нуля) состоит в выравнивании асимметрии напряжений при разном значении нагрузки в фазах.

Он присоединён к нулевым точкам источника и потребителя при их соединении в «звезду».

Присоединение нейтрального провода (трехфазная четырехпроводная сеть) является возможным только в том случае, когда источник и нагрузка соединены в «звезду».

При соединении в «треугольник» необходимость в нём отпадает, так как линейное и фазное напряжения в фазах одинаковы.

Чтобы понять разницу между линейным и фазным напряжением, необходимо понимать, что в трехфазной трехпроводной цепи линейное (напряжение между двумя фазными проводами) в основном составляет 380 В, а фазное — напряжение между фазой и нулем — в √3 раз меньше приблизительно 220 В.

Нейтральный провод заслужил свое название тем, что при работе устройств ток в нём, при одинаковой нагрузке трёх фаз, равен нулю. Сопротивление его невелико. Поэтому при перегрузке одной или нескольких фаз, ток в нем быстро возрастет. В схеме освещения его наличие является обязательным условием. В ином случае не гарантируется равномерность освещения.

В зависимости от роли, нулевой провод может быть рабочим, защитным, совмещенным.

Рабочий обозначается латинской буквой N и выполняется голубым цветом в европейских странах. В некоторых других странах цвет может быть серым либо белым.

Защитный обозначается РЕ. Он предназначен для безопасности в случае попадания потенциала на корпус электроприбора. В нормальном режиме он обесточен, а при поломке является проводником, который отведет от электроприбора опасный потенциал в землю. Цвет этой жилы желто-зеленый.

В некоторых системах нулевой провод совмещен с защитным. В таком случае маркировка будет обозначена как PEN и окраска этой жилы будет синей с полосками на концах желто-зеленого цвета.

Особенности нейтрального провода

Нулевой провод предотвращает нежелательные ситуации при аварийных режимах работы. Без его наличия в случае фазного короткого замыкания двух фаз напряжение в третьей фазе мгновенно возрастет в √3 раз. Это губительно скажется на оборудовании, которое питает этот источник. В случае наличия нуля в такой ситуации, напряжение не изменится.

При обрыве одной из фаз в трехфазной трехпроводной системе (без нуля), напряжение на двух оставшихся фазах уменьшится. Они окажутся соединенными последовательно, а при этом виде соединения напряжение распределяется между потребителями в зависимости от их сопротивления.

При обрыве одной из фаз в трехфазной четырёхпроводной системе, напряжение в двух оставшихся фазах своего значения не изменит.

Предохранители в нулевой провод не устанавливают из-за его большой значимости, потому как его обрыв является нежелательным

Так как большую часть времени работы электроустановок ток в этом проводе либо равен нулю, либо незначителен, нет смысла изготавливать его такого же сечения, как и сечение фазных. Чаще всего, из соображений экономии, он имеет меньшее сечение жилы, нежели сечение жил фаз в одной электроустановке. Если защитный провод не совмещен с нулевым, его сечение выполняют вдвое меньше, нежели, у фазного провода.

Классификация нейтралей линий электропередач

Назначение линий электропередач весьма разнообразно. А также разнообразна аппаратура для их защиты от утечек и коротких замыканий. В связи с этим нейтрали классифицируются на три вида:

• глухозаземленная;
• изолированная;
• эффективно заземлённая.

Если линия электропередач напряжением от 0,38 кВ до 35 кВ имеет небольшую длину, а количество подключенных потребителей велико, то применяется глухозаземленная нейтраль. Потребители трехфазной нагрузки получают питание, благодаря трем фазам и нулю, а однофазной — одной из фаз и нулю.

При средней протяженности линий электропередач напряжением от 2 кВ до 35 кВ и небольшим количеством потребителей, подключенных к данной линии, находят применение изолированные нейтрали. Они широко используются для подключений трансформаторных подстанций в населённых пунктах, а также мощного электрооборудования в промышленности.

В сетях, с напряжением 110 кВ и выше, с большой протяженностью линий электропередач, применяется эффективно заземлённая нейтраль.

Реакция электроприборов на обрыв нуля

Если общий нейтральный провод в многоэтажном доме оборвется, то потребители ощутят это в результате скачка напряжения в их электроприборах.

Основные факторы, которые могут привести к обесточиванию общего нуля:

• аварийная ситуация на подстанции;
• устаревшая проводка;
• монтаж проводки выполнялся не совсем качественно.

Та фаза, к которой подключено большее количество потребителей многоквартирного дома, будет перегружена. Напряжение в ней уменьшится. В той фазе, к которой потребителей подключено меньше всего, напряжение резко возрастет.

Это негативно скажется на приборах — снижение напряжения вызовет их неэффективную работу, а рост напряжения может повлечь за собой выход из строя тех, которые были подключены в данный момент. Чтобы обезопасить себя от такой ситуации, необходимо установить в щиток, питающий отдельную квартиру, индивидуальный ограничитель перенапряжения. Как только напряжение начнет превышать допустимые значения, ограничитель быстро отключит питание.

Если произойдет обрыв нуля непосредственно в квартире, то электричество пропадет полностью, но вместе с тем фаза не отключится. Опасность заключается в том, что она может перейти как раз на провод нулевой. И если какой-либо электроприбор был предварительно заземлён на него, корпус этого электроприбора будет под напряжением, а проще говоря, начнет «биться током».

Главными факторами, которые способствуют обрыву нуля непосредственно в квартире можно назвать:

• ненадежность присоединения контактов;
• неправильно выбранное сечение проводника;
• устаревшая проводка.

Эти факторы приводят к чрезмерному нагреванию проводника. Из-за повышенной температуры окисляется место присоединения контактов, перегреваются жилы проводов. А это, в свою очередь, может привести к пожару.

Трехфазные цепи переменного тока

Основные определения

Трехфазная цепь является совокупностью трех электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые относительно друг друга по фазе на 120 o , создаваемые общим источником. Участок трехфазной системы, по которому протекает одинаковый ток, называется фазой.

Трехфазная цепь состоит из трехфазного генератора, соединительных проводов и приемников или нагрузки, которые могут быть однофазными или трехфазными.

Трехфазный генератор представляет собой синхронную машину. На статоре генератора размещена обмотка, состоящая из трех частей или фаз, пространственно смещенных относительно друг друга на 120 o . В фазах генератора индуктируется симметричная трехфазная система ЭДС, в которой электродвижущие силы одинаковы по амплитуде и различаются по фазе на 120 o . Запишем мгновенные значения и комплексы действующих значений ЭДС.

Сумма электродвижущих сил симметричной трехфазной системы в любой момент времени равна нулю.

Соответственно

На схемах трехфазных цепей начала фаз обозначают первыми буквами латинского алфавита ( А, В, С ), а концы — последними буквами ( X, Y, Z ). Направления ЭДС указывают от конца фазы обмотки генератора к ее началу.
Каждая фаза нагрузки соединяется с фазой генератора двумя проводами: прямым и обратным. Получается несвязанная трехфазная система, в которой имеется шесть соединительных проводов. Чтобы уменьшить количество соединительных проводов, используют трехфазные цепи, соединенные звездой или треугольником.

Соединение в звезду. Схема, определения

Если концы всех фаз генератора соединить в общий узел, а начала фаз соединить с нагрузкой, образующей трехлучевую звезду сопротивлений, получится трехфазная цепь, соединенная звездой. При этом три обратных провода сливаются в один, называемый нулевым или нейтральным. Трехфазная цепь, соединенная звездой, изображена на рис. 7. 1.

Провода, идущие от источника к нагрузке называют линейными проводами, провод, соединяющий нейтральные точки источника N и приемника N’ называют нейтральным (нулевым) проводом.
Напряжения между началами фаз или между линейными проводами называют линейными напряжениями. Напряжения между началом и концом фазы или между линейным и нейтральным проводами называются фазными напряжениями.
Токи в фазах приемника или источника называют фазными токами, токи в линейных проводах — линейными токами. Так как линейные провода соединены последовательно с фазами источника и приемника, линейные токи при соединении звездой являются одновременно фазными токами.

Z N — сопротивление нейтрального провода.

Линейные напряжения равны геометрическим разностям соответствующих фазных напряжений

(7.1)

На рис. 6.2 изображена векторная диаграмма фазных и линейных напряжений симметричного источника.

Из векторной диаграммы видно, что

При симметричной системе ЭДС источника линейное напряжение больше фазного
в √3 раз.

Соединение в треугольник. Схема, определения

Если конец каждой фазы обмотки генератора соединить с началом следующей фазы, образуется соединение в треугольник. К точкам соединений обмоток подключают три линейных провода, ведущие к нагрузке.
На рис. 6.3 изображена трехфазная цепь, соединенная треугольником. Как видно
из рис. 6.3, в трехфазной цепи, соединенной треугольником, фазные и линейные напряжения одинаковы.

I A , I B , I C — линейные токи;

I ab , I bc , I ca — фазные токи.

Линейные и фазные токи нагрузки связаны между собой первым законом Кирхгофа для узлов а, b, с.

Линейный ток равен геометрической разности соответствующих фазных токов.
На рис. 7.4 изображена векторная диаграмма трехфазной цепи, соединенной треугольником при симметричной нагрузке. Нагрузка является симметричной, если сопротивления фаз одинаковы. Векторы фазных токов совпадают по направлению с векторами соответствующих фазных напряжений, так как нагрузка состоит из активных сопротивлений.

Из векторной диаграммы видно, что

,

I л = √3 I ф- при симметричной нагрузке.

Трехфазные цепи, соединенные звездой, получили большее распространение, чем трехфазные цепи, соединенные треугольником. Это объясняется тем, что, во-первых, в цепи, соединенной звездой, можно получить два напряжения: линейное и фазное. Во-вторых, если фазы обмотки электрической машины, соединенной треугольником, находятся в неодинаковых условиях, в обмотке появляются дополнительные токи, нагружающие ее. Такие токи отсутствуют в фазах электрической машины, соединенных по схеме «звезда». Поэтому на практике избегают соединять обмотки трехфазных электрических машин в треугольник.

Расчет трехфазной цепи, соединенной звездой

Трехфазную цепь, соединенную звездой, удобнее всего рассчитать методом двух узлов.
На рис. 7.5 изображена трехфазная цепь при соединении звездой. В общем случае сопротивления фаз нагрузки неодинаковы (Z A ≠ Z B ≠ Z C )

Нейтральный провод имеет конечное сопротивление Z N .
В схеме между нейтральными точками источника и нагрузки возникает узловое напряжение или напряжение смещения нейтрали.
Это напряжение определяется по формуле (6.2).

(6.2)

Фазные токи определяются по формулам (в соответствии с законом Ома для активной ветви):

(6.3)

Ток в нейтральном проводе

(6.4)

1. Симметричная нагрузка . Сопротивления фаз нагрузки одинаковы и равны некоторому активному сопротивлению Z A = Z B = Z C = R.
Узловое напряжение

,

потому что трехфазная система ЭДС симметрична, .

Напряжения фаз нагрузки и генератора одинаковы:

Фазные токи одинаковы по величине и совпадают по фазе со своими фазными напряжениями. Ток в нейтральном проводе отсутствует

В трехфазной системе, соединенной звездой, при симметричной нагрузке нейтральный провод не нужен.

На рис. 6.6 изображена векторная диаграмма трехфазной цепи для симметричной нагрузки.

2. Нагрузка несимметричная , R A B = R C , но сопротивление нейтрального провода равно нулю: Z N = 0. Напряжение смещения нейтрали

Фазные напряжения нагрузки и генератора одинаковы

Фазные токи определяются по формулам

Вектор тока в нейтральном проводе равен геометрической сумме векторов фазных токов.

На рис. 6.7 приведена векторная диаграмма трехфазной цепи, соединенной звездой, с нейтральным проводом, имеющим нулевое сопротивление, нагрузкой которой являются неодинаковые по величине активные сопротивления.

3. Нагрузка несимметричная, R A B = R C , нейтральный провод отсутствует,

В схеме появляется напряжение смещения нейтрали, вычисляемое по формуле:

Система фазных напряжений генератора остается симметричной. Это объясняется тем, что источник трехфазных ЭДС имеет практически бесконечно большую мощность. Несимметрия нагрузки не влияет на систему напряжений генератора.
Из-за напряжения смещения нейтрали фазные напряжения нагрузки становятся неодинаковыми.
Фазные напряжения генератора и нагрузки отличаются друг от друга. При отсутствии нейтрального провода геометрическая сумма фазных токов равна нулю.

На рис. 6.8 изображена векторная диаграмма трехфазной цепи с несимметричной нагрузкой и оборванным нейтральным проводом. Векторы фазных токов совпадают по направлению с векторами соответствующих фазных напряжений нагрузки. Нейтральный провод с нулевым сопротивлением в схеме с несимметричной нагрузкой выравнивает несимметрию фазных напряжений нагрузки, т.е. с включением данного нейтрального провода фазные напряжения нагрузки становятся одинаковыми.
Рис. 6.8

Мощность в трехфазных цепях

Трехфазная цепь является обычной цепью синусоидального тока с несколькими источниками.
Активная мощность трехфазной цепи равна сумме активных мощностей фаз

(6.5)

Формула (6.5) используется для расчета активной мощности в трехфазной цепи при несимметричной нагрузке.
При симметричной нагрузке:

При соединении в треугольник симметричной нагрузки

При соединении в звезду

.

В обоих случаях .

Назначение нулевого провода в трехфазных цепях

Рис. 4.7. К вопросу о необходимости нулевого защитного проводника в трехфазной сети до 1000 В с заземленной нейтралью

Пусть мы имеем схему без нулевого защитного проводника, роль которого выполняет земля (рис. 4.11). Будет ли работать такая схема?

При замыкании фазы на корпус по цепи, образовавшейся через землю, будет проходить ток:

,

где U — фазное напряжение сети, В; r, r _к — сопротивления заземления нейтрали и корпуса, Ом.

Сопротивления обмоток источника тока (например, трансформатора, питающего данную сеть) и проводов сети малы по сравнению с r и r _к, поэтому их в расчет не принимаем.

В результате протекания тока через сопротивление r _к в землю на корпусе возникает напряжение относительно земли U _к равное падению напряжения на сопротивлении r _к :

.

Ток I _з может оказаться недостаточным, чтобы вызвать срабатывание максимальной токовой защиты, т. е. установка может не отключиться.

Чтобы устранить эту опасность, надо обеспечить быстрое автоматическое отключение установки, т. е. увеличить ток, проходящий через защиту, что достигается уменьшением сопротивления цепи этого тока путем введения в схему нулевого защитного проводника соответствующей проводимости.

Следовательно, из сказанного вытекает еще один вывод: в трехфазной сети напряжением до 1 кВ с заземленной нейтралью без нулевого защитного проводника невозможно обеспечить безопасность при косвенном прикосновении, поэтому такая сеть применяться не должна.

Рассмотрим четырехпроводную сеть, изолированную от земли, т. е. с изолированной нейтралью обмоток источника тока и без повторного заземления нулевого защитного проводника (рис. 4.8, а). Будет ли работать система зануления в такой сети?

Рис. 4.8. Случай замыкания фазы на землю в трехфазной четырехпроводной сети с изолированной (а) и заземленной (б) нейтралью обмоток источника тока

Нетрудно видеть что в этой сети зануление обеспечит отключение пoвpeждeннoй установки так же надежно, как и в сети с заземленной нейтралью. С этой точки зрения режим нейтрали как бы не имеет значения. Однако при замыкании фазы на землю (рис. 4.8, а), что может быть в результате обрыва и падения на землю провода, а также при замыкании фазного провода на неизолированный от земли корпус и т. п., земля приобретает потенциал фазы и между зануленным оборудованием, имеющим нулевой потенциал, и землей возникает напряжение U _к, близкое по значению к фазному напряжению сети U . Оно будет существовать до отключения всей сети вручную или до ликвидации замыкания на землю, так как максимальная токовая защита при этом повреждении не сработает. Указанная ситуация очень опасна.

В сети с заземленной нейтралью при таком повреждении будет практически безопасная ситуация. В этом случае фазное напряжение U разделится пропорционально сопротивлениям замыкания фазы на землю r _зм и заземления нейтрали r (рис. 4.8, б), благодаря чему U _к уменьшится и будет равно падению напряжения на сопротивлении заземления нейтрали:

где I _зм – ток замыкания на землю, А.

Как правило, сопротивление растеканию тока в месте замыкания на землю r _зм, которое оказывает грунт току при случайном замыкании фазы на землю, во много раз больше сопротивления специально выполненного заземления нейтрали r _зм. Поэтому U _к оказывается незначительным.

Например, при U= 220 В, r = 4 Ом и r _зм = 100 Ом:

Таким образом, заземление нейтрали обмоток источника тока, питающего сеть напряжением до 1 кВ, предназначено для снижения напряжения зануленных корпусов (а, следовательно, нулевого защитного проводника) относительно земли до безопасного значения при замыкании фазы на землю.