Полезно будет знать, что и как вы измеряете

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest(R) с номенклатурой Мультиметров и Токовых Клещей, а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого Раздела

Почему для трехфазного подключения не требуется нейтральный или заземляющий провод?

Вопрос: Почему для трехфазного подключения не требуется нейтральный или заземляющий провод?

Ответ: Поскольку поставляемое трехфазное электричество состоит из трех напряжений, сдвинутых по фазе на 120° друг относительно друга. Поэтому в любой момент времени ток будет возвращаться от нагрузки к источнику по крайней мере через один фазный проводник, без необходимости в нейтральном проводнике или заземляющем проводнике.

Почему? Ну, подумайте, почему так должно быть: для протекания тока нужна лишь разность потенциалов в замкнутой цепи. Поскольку к нагрузке от источника (генератора или трансформатора) приложена разность потенциалов (напряжение), то существует замкнутый путь для протекания тока. Если бы не было замкнутой цепи (не подключена нагрузка), то ток не течет; ток не течет в разомкнутых цепях (бесконечное сопротивление). Или если бы была замкнутая цепь, но не было напряжения на нагрузке, ток не течет через нагрузку (закон Ома, обобщенный для цепей переменного тока) и, следовательно, ни через цепь. Теперь подумайте, что бы произошло, если бы это было не так, т. е. если бы ни один из трех фазных проводников не возвращал ток от нагрузки к источнику. Давайте предположим трехфазную трехпроводную систему питания (без нейтрального провода и без заземляющего провода). Тогда это означало бы, что либо заряды хранятся, либо есть утечка, либо заряды уничтожаются. Однако идеальные провода не могут хранить заряд, и даже в реальной жизни они могут хранить только крошечную часть; и мы могли бы гарантировать, что нет утечки тока, поэтому оставшейся возможностью было бы уничтожение зарядов. Но этого не может произойти согласно закону сохранения электрического заряда. Поэтому, физически невозможно, чтобы ни один фазный проводник не выполнял функции обратного провода, в любой момент времени по крайней мере один должен выполнять функцию обратного провода.

Это именно так…

• подключено ли трехфазное устройство по схеме «звезда» (Y)/«звезда»/«тройник» (T) или по схеме «треугольник» (Δ)/«треугольник»/«пи» (Π); и

• заземлена ли нейтральная точка соединения Y (предполагается, что устройство подключено по схеме Y); и

• есть ли короткое замыкание (также известное как шунтовое / параллельное замыкание); и

• сбалансирована ли система или нет.

Что насчет нейтрального проводника? Он не является необходимым для замыкания цепи (в трехфазных цепях), то есть для протекания тока, поскольку ток будет возвращаться от нагрузки к источнику по крайней мере через один фазный проводник, даже если трехфазная система неуравновешена.

Что насчет заземляющего проводника? Он используется только как способ защиты людей (но не самого оборудования) в случае, если изоляция фазных проводников выйдет из строя и коснется металлического корпуса нагрузки (это известно как замыкание на землю), поэтому он также не является необходимым для протекания тока в нормальных условиях. Заземляющий стержень используется для поддержания электрического потенциала металлического корпуса оборудования таким же, как у почвы или заземления, чтобы между корпусом и заземлением не было напряжения; это особенно актуально, когда молния ударяет в воздушные неизолированные линии электропередач снаружи, обеспечивая путь для дополнительных зарядов, которые могут течь к нейтрально заряженной Земле; однако в нормальных условиях этого не происходит.

Прежде чем меня раскритикуют: да, я знаю, что нейтральный проводник проводит ток в несбалансированных синусоидальных условиях и что теорема Фортескью (симметричные компоненты) помогает в анализе этого сценария; нейтральный проводник также проводит ток в сбалансированных несинусоидальных условиях (он будет переносить тройные гармоники линейных токов, как ранее объяснялось); вот почему я сказал, что ни нейтральный провод, ни заземляющий провод не нужны для протекания тока, даже в несбалансированных условиях или во время неисправности. Кроме того, если у вас несбалансированная трехфазная нагрузка (как это почти всегда бывает, за исключением двигателей), то несбалансированные линейные токи вызовут несбалансированные фазные напряжения на нагрузке, другими словами, трехфазная нагрузка не увидит 120 В L-N/208 В L-L от генератора, а вместо этого некоторые другие значения в зависимости от импеданса каждой однофазной нагрузки, что приведет к перенапряжению и недо-напряжению, которые могут повредить нагрузку.

Чтобы подкрепить свой ответ, ниже я проиллюстрирую восемь сценариев, возможно, самой простой трехфазной системы электропитания, состоящей из генератора, короткой линии электропередачи и линейной статической нагрузки.

Как интерпретировать следующие GIF-изображения (анимированные изображения): желтые точки представляют электрический заряд, поэтому движение этих точек представляет электрический ток. Серые узлы выбраны в качестве опорных узлов для применения узлового анализа (т. е. они являются заземлением, выбранным симулятором для решения схемы). Зеленые узлы — это узлы с более высоким потенциалом относительно опорного узла (земли) (т. е. это положительные напряжения узлов). Красные узлы — это узлы с более низким потенциалом относительно опорного узла (т. е. это отрицательные напряжения узлов).

В верхнем левом углу каждого GIF-изображения я указываю, через какой фазный проводник линейные токи возвращаются от нагрузки к источнику/генератору.

Вот как это выглядит, когда генератор соединен звездой, а нагрузка — звездой. Хотя верно, что и генератор, и нагрузка имеют отдельную нейтральную точку, ни одна из этих точек не заземлена (т.е. нет заземляющих проводов), и нет нейтрального провода, соединяющего эти отдельные точки.

Рисунок 1. Незаземленный генератор, сбалансированный по схеме «звезда», незаземленная RL-нагрузка, сбалансированная по схеме «звезда», нейтральный провод отсутствует, неисправность отсутствует.

Как вы можете видеть в верхнем левом углу, даже если нет нейтрального провода или провода заземления, во все моменты времени, по крайней мере, один из линейных токов возвращается от нагрузки к источнику/генератору. Вы также можете видеть в нейтральной точке N генератора, что всегда есть линейный ток, текущий к этой точке. Это означает, что есть полная цепь без нейтрального провода или провода заземления.

Предыдущее утверждение верно, даже если нагрузка находится в треугольнике, что означает, что у нее нет нейтральной точки:

Рисунок 2. Генератор со сбалансированной звездой и незаземленной схемой, нагрузка RL со сбалансированной схемой, соединение по схеме «треугольник», неисправностей нет.

Предыдущее утверждение также верно, даже если генератор подключен по схеме «треугольник» или если и генератор, и нагрузка подключены по схеме «треугольник»:

Рисунок 3. Генератор с дельта-балансировкой, дельта-балансировка нагрузки RL, отсутствие неисправностей.

Более того, предыдущее утверждение справедливо и в случае неуравновешенной нагрузки:

Рисунок 4. Генератор со сбалансированной звездой и незаземленной нагрузкой, нагрузка со сбалансированной звездой и незаземленной нагрузкой, нейтральный провод отсутствует, неисправность отсутствует.

В предыдущих четырех GIF-файлах (анимированных изображениях) не было нейтрального провода или заземляющего провода, но ток всегда возвращался от нагрузки к источнику/генератору по крайней мере через один фазный провод.

Является ли предыдущее утверждение верным также во время неисправности? Давайте теперь посмотрим, как протекают токи при возникновении неисправности. Поскольку существуют различные типы коротких замыканий (шунтовые/параллельные неисправности), я проиллюстрирую наиболее распространенные из них (3-фазные, фаза-фаза, фаза-земля, фаза-фаза-земля). Вот они:

Рисунок 5. Незаземленный генератор со сбалансированной звездой, незаземленная RL-нагрузка со сбалансированной звездой, отсутствие нейтрального проводника, трехфазное замыкание на нагрузке.

Рисунок 6. Незаземленный генератор со сбалансированной звездой, незаземленная RL-нагрузка со сбалансированной звездой, нейтральный провод отсутствует, междуфазное замыкание на нагрузке.

Обратите внимание, что даже если нет нейтрального провода или заземляющего провода, всегда есть один фазный проводник генератора, который действует как обратный провод для тока, поступающего от нагрузки. Это означает, что всегда есть полная цепь без необходимости в нейтральном проводе или заземляющем проводе.

Для неисправностей, которые связаны с землей, единственная причина, по которой ток уходит на землю на неисправной шине, заключается в том, что система питания заземлена по крайней мере на какой-то другой шине; я предполагаю, что генератор теперь заземлен. Таким образом, оставшиеся два типа неисправностей выглядят следующим образом:

Рисунок 7. Глубоко заземленный генератор со сбалансированной звездой, незаземленная RL-нагрузка со сбалансированной звездой, нейтральный провод отсутствует, однофазное замыкание на землю на нагрузке.

Рисунок 8. Генератор с глухим заземлением, симметричная звезда, незаземленная RL-нагрузка, симметричная звезда, нейтральный провод отсутствует, двойное замыкание фазы на землю на нагрузке.

Как вы можете видеть, снова, всегда есть, по крайней мере, один из трех токов генератора, возвращающихся от нагрузки к источнику, что означает, что есть полная цепь, даже если нет нейтрального провода.

Возможно, анимация предыдущих изображений была слишком быстрой. Вы можете замедлить ее, но чтобы этот мой ответ е расценивался как спам, я поделился ссылками в комментариях. 

Вкратце, как вы могли видеть сами, трехфазной системе не нужны ни нейтральные провода, ни заземляющие провода для обратного пути, потому что каждый фазный проводник уже действует как обратный провод в разные моменты времени, даже в условиях неуравновешенности или во время неисправности. Однако имейте в виду, что стандарты ANSI/IEEE/IEC и/или национальные электротехнические правила обычно требуют заземлять металлический корпус всех нагрузок для безопасности людей. Кроме того, хотя нейтральный провод обычно не используется для передачи, он действительно используется для четырехпроводного трехфазного распределения.

Единственный случай, когда может понадобиться нейтральный проводник, это в случае обрыва цепи (последовательного замыкания), когда два фазных проводника разомкнуты. В этом случае ток будет протекать через оставшийся фазный проводник и нейтральный проводник.

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик мультиметров в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/multimetry

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик токовых клещей: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/tokovye-kleshchi