Корисно буде знати, що і як ви вимірюєте

Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest(R) з номенклатурою Мультиметрів та Токових Кліщів, а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цієї Розділу

Чому трифазне підключення не потребує нейтрального або заземлюючого кабелю?

Питання: Чому трифазне підключення не потребує нейтрального або заземлюючого кабелю?

Відповідь: Оскільки трифазна електрика, що поставляється, складається з трьох напруг, зрушених по фазі на 120° один щодо одного. Тому в будь-який момент часу струм повертатиметься від навантаження до джерела принаймні через один фазний провідник, без необхідності в нейтральному провіднику або провіднику заземлення.

Чому? Ну, подумайте, чому так має бути: для протікання струму потрібна лише різниця потенціалів у замкнутому ланцюзі. Оскільки до навантаження від джерела (генератора або трансформатора) прикладена різниця потенціалів (напруга), існує замкнутий шлях для протікання струму. Якби не було замкнутого ланцюга (не підключено навантаження), то струм не тече; Струм не тече в розімкнених ланцюгах (нескінченний опір). Або якби був замкнутий ланцюг, але не було б напруги на навантаженні, струм не тече через навантаження (закон Ома, узагальнений для ланцюгів змінного струму) і, отже, ні через ланцюг. Тепер подумайте, що сталося, якби це було не так, т.е. е. якби жоден із трьох фазних провідників не повертав струм від навантаження до джерела. Давайте припустимо трифазну трипровідну систему живлення (без нейтрального дроту та без заземлюючого дроту). Тоді це означало б, що заряди зберігаються, або є витік, або заряди знищуються. Однак ідеальні дроти не можуть зберігати заряд, і навіть у реальному житті вони можуть зберігати лише крихітну частину; і ми могли б гарантувати, що немає витоку струму, тому можливістю було б знищення зарядів. Але цього не може статися згідно із законом збереження електричного заряду. Тому, фізично неможливо, щоб жоден фазний провідник не виконував функції зворотного дроту, будь-якої миті часу принаймні один повинен виконувати функцію зворотного дроту.

Це саме так…

• чи підключено трифазний пристрій за схемою «зірка» (Y)/«зірка»/«трійник» (T) або за схемою «трикутник» (Δ)/«трикутник»/«пі» (Π);

• чи заземлена нейтральна точка з'єднання Y (передбачається, що пристрій підключено за схемою Y);

• чи є коротке замикання (також відоме як шунтове/паралельне замикання);

• чи збалансована система чи ні.

Що щодо нейтрального провідника? Він не є необхідним для замикання ланцюга (у трифазних ланцюгах), тобто для протікання струму, оскільки струм повертатиметься від навантаження до джерела принаймні через один фазний провідник, навіть якщо трифазна система неврівноважена.

Що щодо заземлюючого провідника? Він використовується тільки як спосіб захисту людей (але не самого обладнання) у випадку, якщо ізоляція фазних провідників вийде з ладу і торкнеться металевого корпусу навантаження (це відомо як замикання на землю), тому він також не є необхідним для протікання струму в нормальних умовах. Заземлюючий стрижень використовується для підтримки електричного потенціалу металевого корпусу обладнання таким же, як у ґрунту або заземлення, щоб між корпусом та заземленням не було напруги; це особливо актуально, коли блискавка вдаряє повітряні неізольовані лінії електропередач зовні, забезпечуючи шлях для додаткових зарядів, які можуть текти до нейтрально зарядженої Землі; однак у нормальних умовах цього не відбувається.

Перш ніж мене розкритикують: так, я знаю, що нейтральний провідник проводить струм у незбалансованих синусоїдальних умовах і теорема Фортескью (симетричні компоненти) допомагає в аналізі цього сценарію; нейтральний провідник також проводить струм у збалансованих несинусоїдальних умовах (він переноситиме потрійні гармоніки лінійних струмів, як раніше пояснювалося); ось чому я сказав, що ні нейтральний провід, ні заземлюючий провід не потрібні для протікання струму, навіть у незбалансованих умовах або під час несправності. Крім того, якщо у вас незбалансоване трифазне навантаження (як це майже завжди буває, за винятком двигунів), то незбалансовані лінійні струми викличуть незбалансовані фазні напруги на навантаженні, іншими словами, трифазна навантаження не побачить 120 В L-N/208 В L-L від генератора навантаження, що призведе до перенапруги та недонапруження, які можуть пошкодити навантаження.

Щоб підкріпити свою відповідь, нижче я проілюструю вісім сценаріїв, можливо найпростішої трифазної системи електроживлення, що складається з генератора, короткої лінії електропередачі та лінійного статичного навантаження.

Як інтерпретувати наступні GIF-зображення (анімовані зображення): жовті точки представляють електричний заряд, тому рух цих точок є електричним струмом. Сірі вузли обрані як опорні вузли для застосування вузлового аналізу (тобто вони є заземленням, обраним симулятором для вирішення схеми). Зелені вузли - це вузли з більш високим потенціалом щодо опорного вузла (землі) (тобто це позитивна напруга вузлів). Червоні вузли - це вузли з нижчим потенціалом щодо опорного вузла (тобто негативні напруги вузлів).

У верхньому лівому куті кожного GIF-зображення я вказую, через який фазний провідник лінійні струми повертаються від навантаження до джерела/генератора.

Ось як це виглядає, коли генератор з'єднаний зіркою, а навантаження зіркою. Хоча вірно, що і генератор, і навантаження мають окрему нейтральну точку, жодна з цих точок не заземлена (тобто немає заземлюючих проводів), і немає нейтрального проводу, що з'єднує ці окремі точки.

Малюнок 1. Незаземлений генератор, збалансований за схемою "зірка", незаземлене RL-навантаження, збалансоване за схемою "зірка", нейтральний провід відсутня, несправність відсутня.

Як ви можете бачити у верхньому лівому кутку, навіть якщо немає нейтрального дроту або дроту заземлення, у всі моменти часу принаймні один з лінійних струмів повертається від навантаження до джерела/генератора. Ви також можете бачити в нейтральній точці N генератора, що завжди є лінійний струм, що тече до цієї точки. Це означає, що є повний ланцюг без нейтрального дроту чи дроту заземлення.

Попереднє твердження правильне, навіть якщо навантаження знаходиться в трикутнику, що означає, що вона не має нейтральної точки:

Малюнок 2. Генератор із збалансованою зіркою та незаземленою схемою, навантаження RL зі збалансованою схемою, з'єднання за схемою «трикутник», несправностей немає.

Попереднє твердження також правильне, навіть якщо генератор підключений за схемою трикутник або якщо і генератор, і навантаження підключені за схемою трикутник:

Малюнок 3. Генератор з дельта-балансуванням, дельта-балансування навантаження RL, відсутність несправностей.

Більше того, попереднє твердження справедливе і у разі неврівноваженого навантаження:

Малюнок 4. Генератор зі збалансованою зіркою та незаземленим навантаженням, навантаження зі збалансованою зіркою та незаземленим навантаженням, нейтральний провід відсутня, несправність відсутня.

У попередніх чотирьох GIF-файлах (анімованих зображеннях) не було нейтрального дроту або заземлювального дроту, але струм завжди повертався від навантаження до джерела/генератора принаймні через один фазний провід.

Чи є попереднє твердження вірним також під час несправності? Давайте подивимося, як протікають струми при виникненні несправності. Оскільки існують різні типи коротких замикань (шунтові/паралельні несправності), я проілюструю найбільш поширені з них (3-фазні, фаза-фаза, фаза-земля, фаза-фаза-земля). Ось вони:

Малюнок 5. Незаземлений генератор із збалансованою зіркою, незаземлене RL-навантаження зі збалансованою зіркою, відсутність нейтрального провідника, трифазне замикання на навантаженні.

Малюнок 6. Незаземлений генератор зі збалансованою зіркою, незаземлене RL-навантаження зі збалансованою зіркою, нейтральний провід відсутня, міжфазне замикання на навантаженні.

Зверніть увагу, що навіть якщо немає нейтрального або заземлюючого дроту, завжди є один фазний провідник генератора, який діє як зворотний провід для струму, що надходить від навантаження. Це означає, що завжди є цілий ланцюг без необхідності в нейтральному дроті або заземлюючому дроті.

Для несправностей, пов'язаних із землею, єдина причина, через яку струм йде на землю на несправній шині, полягає в тому, що система живлення заземлена принаймні на якійсь іншій шині; я припускаю, що генератор тепер заземлений. Таким чином, два типи несправностей, що залишилися, виглядають наступним чином:

Малюнок 7. Глибоко заземлений генератор із збалансованою зіркою, незаземлене RL-навантаження зі збалансованою зіркою, нейтральний провід відсутня, однофазне замикання на землю на навантаженні.

Малюнок 8. Генератор із глухим заземленням, симетрична зірка, незаземлена RL-навантаження, симетрична зірка, нейтральний провід відсутня, подвійне замикання фази на землю на навантаженні.

Як ви можете бачити, знову завжди є, принаймні, один з трьох струмів генератора, що повертаються від навантаження до джерела, що означає, що є повний ланцюг, навіть якщо немає нейтрального дроту.

Можливо, анімація попередніх зображень була надто швидкою. Ви можете уповільнити її, але щоб ця моя відповідь не розцінювалася як спам, я поділився посиланнями в коментарях.

Коротко, як ви могли бачити самі, трифазній системі не потрібні ні нейтральні дроти, ні заземлюючі дроти для зворотного шляху, тому що кожен фазний провідник уже діє як зворотний провід у різні моменти часу, навіть за умов неврівноваженості або під час несправності. Однак майте на увазі, що стандарти ANSI/IEEE/IEC та/або національні електротехнічні правила зазвичай вимагають заземлення металевого корпусу всіх навантажень для безпеки людей. Крім того, хоча нейтральний провід зазвичай не використовується для передачі, він дійсно використовується для чотирипровідного трифазного розподілу.

Єдиний випадок, коли може знадобитися нейтральний провідник, це у разі обриву ланцюга (послідовного замикання), коли два фазні провідники розімкнені. У цьому випадку струм протікатиме через фазний провідник і нейтральний провідник.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник струмових кліщів: https://gtest.com.ua/izmeritelnee-pribory/tokovye-kleshchi

Магазин Gtest® - авторизований постачальник мультиметрів до України: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/multimetry