Питающее напряжение 220 В однофазное и 380 В трехфазное в РФ. 50Гц. Почему так. Жаргон электриков и здравый смысл.

Во первых почему питающее напряжение в электрических сетях пременное, а не постоянное ? Первые генераторы в конце 19-го века выдавали постоянное напряжение, пока кто-то (умный!) не сообразил, что производить переменное при генерации и выпрямлять при необходимости его в точках потребления проще, чем производить постоянное при генерации и рожать переменное в точках потребления.

Во вторых, почему 50 Гц ? Да просто у немцев так получилось, в начале 20 века. Нет тут особого смысла. В США и некоторых других странах 60 Гц. ()

В третьих, почему передающие сети (линии электропередач) имеют очень высокое напряжение ? Тут смысл есть, если вспомнить , то: потери мощности при транспортирове равны d(P)=I 2 *R, а полная передаваемая мощность равна P=I*U. Доля потерь от общей мощности выражается как d(P)/P=I*R/U. Минимальная доля потерь общей мощности, т.о. будет при максимальном напряжении. Трёхфазные сети, передающие большие мощности, имеют следующие классы напряжения:

• от 1000 кВ и выше (1150 кВ, 1500 кВ) - ультравысокий
• 1000 кВ, 500 кВ, 330 кВ - сверхвысокий
• 220 кВ, 110 кВ - ВН, высокое напряжение
• 35 кВ - СН-1, среднее первое напряжение
• 20 кВ, 10 кВ, 6 кВ, 1 кВ - СН-2, среднее второе напряжение
• 0,4 кВ, 220 В, 110 В и ниже - НН, низкое напряжение.

В четвертых: что такое номинальное обозначение В="Вольт" (А="Ампер") в цепях переменного напряжения (тока) ? Это действующее=эффективное=среднеквадратическое= среднеквадратичное значение напряжения (тока) , т.е. такое значение постоянного напряжения (тока) , которое даст такую-же тепловую мощность на аналогичном сопротивлении. Показывающие вольтметры и амперметры дают именно это значение. Максимальные амплитудные значения (например с осцилографа) по модулю всегда выше действующего.

В пятых, почему в в сетях потребителей напряжение ниже? Тут смысл тоже есть. Практически допустимые напряжения определялись доступными изоляционными материалами и их электрической прочностью . А потом уже ничего было не поменять.

Что такое "трехфазное напряжение 380 В и однофазное напряжение 220 В" ? Тут внимание. Строго говоря, в большинстве случаев (но не во всех) под трехфазной бытовой сетью в РФ понимают сеть 220/380В (изредка встречаются бытовые сети 127/220 В и промышленные 380/660 В!!!). Неправильные, но встречающиеся обозначения: 380/220В;220/127 В; 660/380 В!!! Итак, далее говорим об обычной сети 220/380Вольт, для работы с остальными - лучше бы Вам быть электриком. Итак для такой сети:

• Наша домашняя (РФ, да и СНГ...) сеть 220/380В-50Гц, в Европе 230/400В-50Гц (240/420В-50Гц в Италии и Испании), в США - частота 60Гц, а номиналы вообще другие
• К Вам придет как минимум 4 провода: 3 линейных ("фазы") и один нейтральный (вовсе не обязательно с нулевым потенциалом!!!)-если у Вас только 3 линейных провода, лучше зовите инженера-электрика.
• 220В - это действующее напряжение между любой из "фаз"=линейный провод и нейтралью (фазное напряжение).Нейтраль - это не ноль!
• 380В - это действующее значение между любыми двумя "фазами"=линейными проводами (линейное напряжение)

Проект DPVA.info предупреждает: если Вы не имеете представления о мерах безопасности при работе с электроустановками (см. ПУЭ), лучше сами и не начинайте.

• Нейтраль (всех видов) не обязательно имеет нулевой потенциал. Качество питающего напряжения на практике не соответствует никаким стандартам, а должно бы соответствовать ГОСТ 13109-97 "Электрическая энергия. Совместимость технических средств. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения" (никто не виноват...)
• Защитные автоматы (тепловые и КЗ) защищают цепь от перегрузки и пожара, а не Вас от удара током
• Заземление вовсе не обязательно имеет низкое сопротивление (т.е. спасает от удара током).
• Точки с нулевым потенциалом могут иметь бесконечно большое сопротивление.
• УЗО установленное в подающем щите не защищает никого, кто получает удар током из гальванически развязанной цепи, запитанной от этого щита .

Трехфазная цепь является частным случаем многофазных электрических систем, представляющих собой совокупность электрических цепей, в которых действуют ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе относительно друг друга на определенный угол. Отметим, что обычно эти ЭДС, в первую очередь в силовой энергетике, синусоидальны. Однако, в современных электромеханических системах, где для управления исполнительными двигателями используются преобразователи частоты, система напряжений в общем случае является несинусоидальной. Каждую из частей многофазной системы, характеризующуюся одинаковым током, называют фазой, т.е. фаза – это участок цепи, относящийся к соответствующей обмотке генератора или трансформатора, линии и нагрузке.

Таким образом, понятие «фаза» имеет в электротехнике два различных значения:

• фаза как аргумент синусоидально изменяющейся величины;
• фаза как составная часть многофазной электрической системы.

Разработка многофазных систем была обусловлена исторически. Исследования в данной области были вызваны требованиями развивающегося производства, а успехам в развитии многофазных систем способствовали открытия в физике электрических и магнитных явлений.

Важнейшей предпосылкой разработки многофазных электрических систем явилось открытие явления вращающегося магнитного поля (Г.Феррарис и Н.Тесла, 1888 г.). Первые электрические двигатели были двухфазными, но они имели невысокие рабочие характеристики. Наиболее рациональной и перспективной оказалась трехфазная система, основные преимущества которой будут рассмотрены далее. Большой вклад в разработку трехфазных систем внес выдающийся русский ученый-электротехник М.О.Доливо-Добровольский, создавший трехфазные асинхронные двигатели, трансформаторы, предложивший трех- и четырехпроводные цепи, в связи с чем по праву считающийся основоположником трехфазных систем.

Источником трехфазного напряжения является трехфазный генератор, на статоре которого (см. рис. 1) размещена трехфазная обмотка. Фазы этой обмотки располагаются таким образом, чтобы их магнитные оси были сдвинуты в пространстве друг относительно друга на эл. рад. На рис. 1 каждая фаза статора условно показана в виде одного витка. Начала обмоток принято обозначать заглавными буквами А,В,С, а концы- соответственно прописными x,y,z. ЭДС в неподвижных обмотках статора индуцируются в результате пересечения их витков магнитным полем, создаваемым током обмотки возбуждения вращающегося ротора (на рис. 1 ротор условно изображен в виде постоянного магнита, что используется на практике при относительно небольших мощностях). При вращении ротора с равномерной скоростью в обмотках фаз статора индуцируются периодически изменяющиеся синусоидальные ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, но отличающиеся вследствие пространственного сдвига друг от друга по фазе на рад. (см. рис. 2).

Трехфазные системы в настоящее время получили наибольшее распространение. На трехфазном токе работают все крупные электростанции и потребители, что связано с рядом преимуществ трехфазных цепей перед однофазными, важнейшими из которых являются:

Экономичность передачи электроэнергии на большие расстояния;

Самым надежным и экономичным, удовлетворяющим требованиям промышленного электропривода является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;

Возможность получения с помощью неподвижных обмоток вращающегося магнитного поля, на чем основана работа синхронного и асинхронного двигателей, а также ряда других электротехнических устройств;

Уравновешенность симметричных трехфазных систем.

Для рассмотрения важнейшего свойства уравновешенности трехфазной системы, которое будет доказано далее, введем понятие симметрии многофазной системы.

Система ЭДС (напряжений, токов и т.д.) называется симметричной, если она состоит из m одинаковых по модулю векторов ЭДС (напряжений, токов и т.д.), сдвинутых по фазе друг относительно друга на одинаковый угол . В частности векторная диаграмма для симметричной системы ЭДС, соответствующей трехфазной системе синусоид на рис. 2, представлена на рис. 3.

Рис.3	Рис.4

Из несимметричных систем наибольший практический интерес представляет двухфазная система с 90-градусным сдвигом фаз (см. рис. 4).

Все симметричные трех- и m-фазные (m>3) системы, а также двухфазная система являются уравновешенными. Это означает, что хотя в отдельных фазах мгновенная мощность пульсирует (см. рис. 5,а), изменяя за время одного периода не только величину, но в общем случае и знак, суммарная мгновенная мощность всех фаз остается величиной постоянной в течение всего периода синусоидальной ЭДС (см. рис. 5,б).

Уравновешенность имеет важнейшее практическое значение. Если бы суммарная мгновенная мощность пульсировала, то на валу между турбиной и генератором действовал бы пульсирующий момент. Такая переменная механическая нагрузка вредно отражалась бы на энергогенерирующей установке, сокращая срок ее службы. Эти же соображения относятся и к многофазным электродвигателям.

Если симметрия нарушается (двухфазная система Тесла в силу своей специфики в расчет не принимается), то нарушается и уравновешенность. Поэтому в энергетике строго следят за тем, чтобы нагрузка генератора оставалась симметричной.

Схемы соединения трехфазных систем

Трехфазный генератор (трансформатор) имеет три выходные обмотки, одинаковые по числу витков, но развивающие ЭДС, сдвинутые по фазе на 120°. Можно было бы использовать систему, в которой фазы обмотки генератора не были бы гальванически соединены друг с другом. Это так называемая несвязная система. В этом случае каждую фазу генератора необходимо соединять с приемником двумя проводами, т.е. будет иметь место шестипроводная линия, что неэкономично. В этой связи подобные системы не получили широкого применения на практике.

Для уменьшения количества проводов в линии фазы генератора гальванически связывают между собой. Различают два вида соединений: в звезду и в треугольник. В свою очередь при соединении в звезду система может быть трех- и четырехпроводной.

Соединение в звезду

На рис. 6 приведена трехфазная система при соединении фаз генератора и нагрузки в звезду. Здесь провода АА’, ВВ’ и СС’ – линейные провода.

Линейным называется провод, соединяющий начала фаз обмотки генератора и приемника. Точка, в которой концы фаз соединяются в общий узел, называется нейтральной (на рис. 6 N и N’ – соответственно нейтральные точки генератора и нагрузки).

Провод, соединяющий нейтральные точки генератора и приемника, называется нейтральным (на рис. 6 показан пунктиром). Трехфазная система при соединении в звезду без нейтрального провода называется трехпроводной, с нейтральным проводом – четырехпроводной.

Все величины, относящиеся к фазам, носят название фазных переменных, к линии - линейных. Как видно из схемы на рис. 6, при соединении в звезду линейные токи и равны соответствующим фазным токам. При наличии нейтрального провода ток в нейтральном проводе . Если система фазных токов симметрична, то . Следовательно, если бы симметрия токов была гарантирована, то нейтральный провод был бы не нужен. Как будет показано далее, нейтральный провод обеспечивает поддержание симметрии напряжений на нагрузке при несимметрии самой нагрузки.

Поскольку напряжение на источнике противоположно направлению его ЭДС, фазные напряжения генератора (см. рис. 6) действуют от точек А,В и С к нейтральной точке N; - фазные напряжения нагрузки.

Линейные напряжения действуют между линейными проводами. В соответствии со вторым законом Кирхгофа для линейных напряжений можно записать

;

(1)

;

(2)

Обычно при расчетах принимается . Тогда для случая прямого чередования фаз , (при обратном чередовании фаз фазовые сдвиги у и меняются местами). С учетом этого на основании соотношений (1) …(3) могут быть определены комплексы линейных напряжений. Однако при симметрии напряжений эти величины легко определяются непосредственно из векторной диаграммы на рис. 7. Направляя вещественную ось системы координат по вектору (его начальная фаза равна нулю), отсчитываем фазовые сдвиги линейных напряжений по отношению к этой оси, а их модули определяем в соответствии с (4). Так для линейных напряжений и получаем: ; .

Соединение в треугольник

В связи с тем, что значительная часть приемников, включаемых в трехфазные цепи, бывает несимметричной, очень важно на практике, например, в схемах с осветительными приборами, обеспечивать независимость режимов работы отдельных фаз. Кроме четырехпроводной, подобными свойствами обладают и трехпроводные цепи при соединении фаз приемника в треугольник. Но в треугольник также можно соединить и фазы генератора (см. рис. 8).

Для симметричной системы ЭДС имеем

.

Таким образом, при отсутствии нагрузки в фазах генератора в схеме на рис. 8 токи будут равны нулю. Однако, если поменять местами начало и конец любой из фаз, то и в треугольнике будет протекать ток короткого замыкания. Следовательно, для треугольника нужно строго соблюдать порядок соединения фаз: начало одной фазы соединяется с концом другой.

Схема соединения фаз генератора и приемника в треугольник представлена на рис. 9.

Очевидно, что при соединении в треугольник линейные напряжения равны соответствующим фазным. По первому закону Кирхгофа связь между линейными и фазными токами приемника определяется соотношениями

Аналогично можно выразить линейные токи через фазные токи генератора.

На рис. 10 представлена векторная диаграмма симметричной системы линейных и фазных токов. Ее анализ показывает, что при симметрии токов

В заключение отметим, что помимо рассмотренных соединений «звезда - звезда» и «треугольник - треугольник» на практике также применяются схемы «звезда - треугольник» и «треугольник - звезда».

Литература

1. Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.
2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.

Контрольные вопросы и задачи

Трехфазное подключение дает возможность включения в работу генераторов и электродвигателей повышенной мощности, а также возможность работы с разными параметрами напряжения, это зависит от вида включения нагрузки в электрическую цепь. Для работы в трехфазной сети надо понимать соотношение ее элементов.

Элементы трехфазной сети

Основные элементы трехфазной сети - это генератор, линия передачи электрической энергии, нагрузка (потребитель). Для рассмотрения вопроса, что такое линейное и фазное напряжение в цепи, дадим определение, что такое фаза.

Фаза - это электрическая цепь в системе многофазных электрических цепей. Началом фазы является зажим или конец проводника электричества, по которому электроток поступает в него. Экспертами всегда отличались по количеству фаз электрические цепи: однофазная, двухфазная, трехфазная и многофазная.

Наиболее часто применяется трехфазное включение объектов, которое имеет существенное преимущество, как перед многофазными цепями, так и перед однофазной цепью. Различия в следующем:

• меньшие затраты на транспортирование электрической энергии;
• способность создания ЭДС для работы асинхронных двигателей - это работа лифтов в многоэтажных домах, оборудования в офисе и на производстве;
• этот вид подключения дает возможность одновременно пользоваться и линейным, и фазным напряжением.

Что такое фазное и линейное напряжение?

Фазные и линейные напряжения в трехфазных цепях важны для манипуляций в щитах электрического питания, а также для работы оборудования, питающегося от 380 вольт, а именно:

1. Что такое фазное напряжение? Это напряжение, которое определяется между началом фазы и ее концом, на практике оно определяется между нулевым проводом и фазой.
2. Линейное напряжение - это когда измеряется величина между двумя фазами, между выводами разных фаз.

На практике напряжение фазное отлично от линейного на 60%, иными словами, параметры линейного напряжения в 1,73 раза больше фазного напряжения. Трехфазные цепи могут иметь линейного напряжения - 380 вольт, что дает возможность получения фазного напряжения в 220 В.

В чем отличие?

Для общества понятие «межфазное напряжение» встречается в многоквартирных, высотных домах, когда первые этажи предусматриваются под офисные помещения, а также в торговых центрах, когда объекты строения подключаются несколькими силовыми кабелями трехфазной сети, которые обеспечивают напряжение 380 Вольт. Такой вид подключения дома обеспечивает работу асинхронных двигателей подъемников, работу эскалатора, промышленного холодильного оборудования.

На практике делать разводку трехфазной цепи достаточно просто, учитывая, что в квартиру идет фаза и ноль, а на офисное помещение - все три фазы + нейтральный провод.

Сложности линейной схемы подключения заключаются в трудности определения в процессе монтажа проводника, что может привести к аварии оборудования. Отличается схема в основном между фазными и линейными подключениями, соединениями обмоток нагрузки и источника электропитания.

Схемы подключения

Есть две схемы подключения источников напряжения (генераторов) в сеть:

• «треугольником»;
• «звездой».

Когда выполняется подключение «звездой», начало обмоток генератора соединены в одной точке. Оно не дает возможности увеличения мощности. А подключение по схеме «треугольник» - это когда обмотки соединяются последовательно, а именно, начало обмотки одной фазы соединяется с концом обмотки другой. Это дает способность в три раза увеличить напряжение.

Для лучшего понимания схем подключения специалисты дают определение, что такое фазные и линейные токи:

• линейный ток - это ток, который протекает в подводнике соединения источника электрической энергии и приемника (нагрузки);

• фазный ток - это ток, протекающий в каждой обмотке источника электрической энергии или в обмотках нагрузки.

Линейные и фазные токи имеют значение, когда есть несимметричная нагрузка на источник (генератор), это часто встречается в процессе подключения объектов к электроснабжению. Все параметры, относящиеся к линии, - это линейные напряжения и токи, а относящиеся к фазе, - параметры фазных величин.

Из соединения «звезда» видно, что линейные токи имеют такие же параметры, как и фазные. Когда система симметрична, необходимость в нейтральном проводе отпадает, на практике он поддерживает симметрию источника, когда нагрузка несимметрична.

Из-за несимметричности подключаемой нагрузки (а на практике это происходит с включением в цепь осветительных устройств) надо обеспечить независимую работу трем фазам цепи, это можно сделать и в трехпроводной линии, когда фазы приемника соединяются в треугольник.

Важно! Специалисты обращают внимание на тот факт, что когда понижается линейное напряжение, изменяются параметры фазного напряжения. Зная значение междуфазное напряжение, можно легко определить величину фазного напряжения.

Как сделать расчет линейного напряжения?

Когда выполняется разветвленная система снабжения объекта электроэнергией, иногда есть необходимость вычислить напряжение между двумя проводами «ноль» и «фаза»: IF=IL, что говорит о равности параметров фазных и линейных. Соотношение между фазными проводами и линейными можно найти, используя формулу:

Находящий элемент соотношений напряжений и оценки системы электроснабжения специалистами выполняется по линейным параметрам, когда известно их значение. В системах электроснабжения из четырех проводов выполняется маркировка 380/220 вольт.

Вывод

Используя возможности трехфазной цепи (четырехпроводниковая цепь), можно по-разному выполнять подключения, что дает возможность ее широкого применения. Специалисты считают трехфазное напряжение для подключения универсальным вариантом, так как оно дает возможность подключать нагрузку большой мощности, жилые помещения, офисные здания.

В многоквартирных домах основными потребителями являются бытовые приборы, рассчитанные на сеть 220 В, по этой причине важно сделать равномерное распределение нагрузки между фазами цепи, это достигается включением квартир в сеть по шахматному принципу. Отличается распределение нагрузки частных домов, в них она выполняется по величинам нагрузки на каждую фазу всего домашнего оборудования, токами в проводниках, проходящими в период максимального включения приборов.