Выходной день. В прихожей занимаюсь уборкой. Вдруг светильник вспыхивает невероятно белым светом. Тотчас из кухни доносится рёв холодильника и вибрация... Конечно, если бы я был женщиной, то стоял бы в неведении и ждал когда это всё закончится?! Мгновенно наотмашь бью по автоматам на электрощитке... По какой-то причине в сети повышенное напряжение?! Немного погодя, замеряю напряжение на входе, всё в норме. Всё включаю. И опять рёв холодильника... Наугад иду искать причину... Вдруг это в подъезде?
Сцена. Открытая дверь в квартире, два этажа ниже. Из квартиры валит дым. Стоит молодой человек: два высших образования, дурак, дебил, идиот! Стоит и таращится на электрощиток А из него валит дым. Как потом выяснилось полез в щиток... Что он там пытался сделать? Одним словом устроил короткое замыкание... Включает пакетный переключатель (пакетный, это переключает поворотом ручки, по часовой или против) и?.. И на всей линии нулевое напряжение. Почему? Потому как у нас в ЖКО (ЖКХ) набирают всяких первых попавшихся... Идиот, как бы электрик. Чтобы не бегать в подъезд каждый раз, вместо положенного предохранителя в подъезде поставил в 5-10 раз большего номинала. Естественно он и не думал перегорать! Быстрее вся проводка в подъезде выгорела бы! Чем всё это закончилось? У моей соседки сгорел радиотелефон. Он же не холодильник. Скончался тихо, бесшумно... Знаю найдётся читатель который может спросить, мол если на линии короткое замыкание, то откуда сверхвысокое напряжение взялось? Вот мы с Вами и разберёмся. Как такое могло произойти? И главное, как защититься от дураков, идиотов с двумя высшими образованиями?!
Бытовало когда-то, а может и сейчас, такое выражение: «И хочется и колется и мамка не велит!» К чему оно относилось? А, вот только с нашим трёхфазным током примерно та же история! Давайте вспомним эту трёхфазную эпопею и заодно расширим свой кругозор. На рис2 показана опора высоковольтной линии передач ЛЭП. Три провода, три фазы: А, В, С. На самом верху жёлтой стрелочкой показан трос так называемой, грозозащиты. Трос идущий по длине всей линии и в определённых местах заземляется. И это всё! Да! ВСЁ! В чём же прелесть трёхфазного? Это возможность снизить нагрузку на линию путём перераспределения мощности на три части. А, где же тогда вторые провода для каждой фазы? Как же эти, которые как бы замкнутые цепи? Как такое может быть? Потому как трёхфазная сеть и это хорошо. Двигатели трёхфазные, опять же очень просты и долговечные. А что же плохого (это про мамку которая не велит!) ? Сейчас увидим.
Ну, да. Пока мы перегоняли энергию с места на места всё как бы было нормально, всё замечательно! Про вторые провода (итого, шесть) для каждой части никто и не думал. Но вот ОНО в городе, селе и вообще... И чё с ём, нам делать, с этими тремя фазами? А?! Да, двигатели это хорошо. Но у нас ведь лампочки повсюду (особенно в туалете :-)) Где взять трёхфазные лампочки? Вы не знаете случайно? Вот и я об этом же! И вот, чтобы развязать этот «Гордиев узел», связали эти три фазы в узел и назвали его нулём или нейтралью. Потому как в общем виде три тока, как оказалось, компенсируют друг друга и в итоге через узел ток не проходит (как бы?). А если рассмотреть в отдельности каждую фазу и ноль, то очень даже проходит! Хитрая система, мать яя, получилась! И каждая такая цепочка фаза-ноль даёт нам однофазный ток. То есть, нам как бы по барабану эти три там фазы или их десять?! Нам давай эти, как их там, 220, а остальное хоть трава не расти! :-)) Про траву не знаю как там, а вот от зависимости нам, как оказалось не уйти. Это опять про мамку! И хочется получить выгоду (три провода вместо шести) и сверхвысоких напряжений благодаря идиотам с двумя высшими не получить! Увы!
На рис3 Вы видите функциональную схему трёхфазного трансформатора. Ну во-первых надо же перейти с сумасшедших 110-1150 тысяч вольт на 220, (пусть и не сразу, а ступенчато), а во-вторых организовать этот чёртов ноль! Вот! Вот этим и занимается трёхфазный трансформатор, шоб он сгорел! :-)) Обратим наш взор на рис1. Это вот то, что и находится непосредственно в нашем распоряжении. В селе, маленьком посёлке, это какой-то маломощный генератор. В городе трансформатор во дворе, в подстанции. В каждый дом (многоквартирный) приходят 4-х проводная линия (по кабелю в городе или по воздуху на окраине). А затем разводится в подъезде по стоякам, каждый из них это: фаза и ноль. А далее в квартиру. И казалось бы нам ехало-болело, что делается на соседнем стояке (фаза-ноль)! Но к сожалению это далеко не так! Так же как после развала СССР все стали независимыми... От одних и шибко зависимыми от других! Дурдом! Ну да ладно, чёрт с ними, с независимыми! Может когда-нибудь поумнеют?! У нас же своя свадьба, своя проблема, причём трёхфазная. Так, что же происходит? Почему на одной фазе, один дебил делает короткое замыкание, а у других пожар?! Вопрос, далеко не праздный?!
Думаю, что для некоторых читателей всё нижесказанное воспримется как зубная боль, но? Но без этого Вы так ничего и не поймёте? И даже если и прочитаете всё равно не поймёте! :-)) Итак, по порядку: открываем умную книгу и читаем: «Трёхфазные сети проектируются и эксплуатируют таким образом, чтобы нагрузка в них была по возможности симметричной. При этом, ток нейтрального провода незначителен и его сечение можно существенно уменьшить (отчего его сопротивление Z увеличится!) по сравнению с сечением линейных проводов». Ну, проектируются, эксплуатируют это понятно. А, остальное? Это об чём книга глаголет? Честно признаюсь, — тема муторная и в чём-то тёмная!
Вспомним, как в школе пытались нам показать как вращающаяся стрелочка (вектор) даёт проекцию на ось ординат. И как далее строится синусоида. Вот и нам теперь для понимания, придётся построить синусоиду и не одну, а даже три. Ведь наш ток не только синусоидальный, но ещё и трёхфазный. Мало, что он состоит из трёх синусоид, так ещё и во времени все эти синусоиды располагаются в определённом порядке. А порядок таков: все три синусоиды сдвинуты относительно друг-друга на 120°. А это как? И причём какие-то там градусы? Посмотрите на рис6. Если рассматривать только один вектор А, то на рисунке он находится как бы в нулевом положении. Так ещё его проекция вершины вектора на ось ординат, есть бесконечно-малая точка. При вращении против часовой стрелки (так КПСС решило! :-)), вектор будет поворачиваться на какой либо угол. Если ось абсцис проградуировать в угловых значениях, в соответствии с углом поворота вектора, то? То, каждому углу поворота вектора будет соответствовать в пространстве проекция вершины вектора А. Совокупность точек будет кривая-синусоида (кривая А). Синусоида принимающая как положительные, так и отрицательные значения. Один оборот вектора, это один период синусоиды. На оси абсцис это 360° или 6,28 радиан. Кому, что нравится?
Если мы рассматриваем синусоиду как ток или напряжение и нам интересна сама загогулина, то ось абсцис превращаем в ось времени, как у нас на рис6. Теперь несколько слов о фазе? В нашем случае фаза это какой-то момент или состояние синусоиды в данный момент времени. С другой стороны этот момент соответствует какому-либо положению вращающегося вектора А. В смысле на какой угол он повёрнут в интересующий нас момент, — фазу. Чаще нас интересует не сама фаза, а отношение двух и более синусоид построенных своими векторами, скажем как у нас векторами В и С. И соответственно вводится такое понятие как сдвиг фаз и опережение-отставание одних от других. Так у нас, в трёхфазной системе этот сдвиг всех трёх фаз равен 120°. Так красиво получается потому-как углы между векторами строго равны 120°!
А, что значит вектор для наших синусоид? В нашем случае все три вектора равны по длине (это я по-русски) Его длина есть амплитуда синусоиды, точнее токов или напряжений. В свою очередь амплитуда это наибольшее значение синусоиды, независимо с каким знаком (+ или -). Если мы испытываем нескрываемый интерес к поведению и форме синусоиды во времени, то мы пользуемся временными диаграммами (правая часть рис6). Но если нас интересует только амплитуды токов или напряжений (для нас синусоидальные колебания) и их фазные соотношения (сдвиги фаз), то пользуемся векторными диаграммами (левая часть рис6). И все эти взаимоотношения подчиняются правилами операций с векторами. Понимаю, что Вам это всё трудно воспринимать (для большинства читателей), то принимайте всё сказанное ниже, как есть, на слово!
Замороженная диаграмма трёхфазного тока и есть те самые три вектора (три синусоиды) А, В, С. Длина векторов измеряется для напряжений в вольтах, а токов в амперах. Ну а углы фаз (фазы) в чем Вам вздумается, также как и авторам всяких книг-учебников. И кстати фазами будут называться и проводники этих токов и напряжений. На рис1 показана трёхфазная система (один из вариантов) которая нам ближе и дороже! Наша домашняя. Из-за необычности системы различают два вида напряжений. Это линейные: UАВ; UСА; UВС. и фазовые, напряжения: UNA; UNB; UNC. Со стороны нагрузок, аналогичные напряжения, только обозначаются строчными (маленькими) буквами. Такое соединение генератора и нагрузок называется соединением звездой. Если нагрузки одинаковые и система симметричная, то для нас все фазные напряжения равны 220 В., а линейные 380 В, как со стороны трансформатора, так и нагрузок. Если конечно допустить, что все сопротивления проводов Z = 0. Раньше в городах и наверное не только применялось соотношение 127/220 В. Существовали ещё как бы фазные 110 В. Кто жил в 50-60 годы то наверное встречали радиоприёмники, имеющие переключатели напряжений по сети: 220; 127; 110 В. Сейчас по-видимому везде 220 В. У меня дома где-то с тех времён валялся «раритет», — купленный в Москве паяльник на 127 В (в городах 127, а других не было).
Красные прямоугольнички это сопротивления проводников и нагрузок. Обозначение сопротивлений буквой Z это проводники и нагрузки. Да, где-то можно не учитывать эти Z, а где-то не очень... А, что это на рис4,5,6 за пирамиды «Хеопса»? Это то, что нам с Вами поможет понять все эти трёхфазные страсти-мордасти! Это векторные диаграммы, поясняющие состояние системы в разных вариантах и самое главное в аварийных ситуциях. Оговорюсь сразу, каждая пирамида иллюстрирует сразу несколько ситуаций! На рис4, — 2, на на рис5, — 1, а на рис6 аж 5. Начнём с рис5, с голубой пирамиды. К сожалению из-за ограниченности размеров иллюстраций мне придётся на пальцах (как для глухонемых) объяснять, что и как?! Как уже говорилось, мы представляем кучу всяких напряжений и токов (синусоид) в виде неких векторов. Их относительная длина (при одинаковом масштабе для всех) есть амплитуда, направление и положение на плоскости, полярность и фазовые взаимоотношения. Ну голубые три вектора под 120° Вы узнали. Это и есть три фазных напряжений. Да это наши «родные» 220! А вот те три, что и образуют египетскую пирамиду? Откуда они взялись? Ну, да, видим, что это те 380, там же всё написано! А почему они под такими углами и причем одинаковыми 60°?
Рассмотрим два вектора NA и NC (по правилам игры первая буква, — начало вектора, — конец, стрелочка). Чтобы найти величину вектора AC нужно (по правилам сложения-вычитания) из вектора NC вычесть вектор NA. Мы в итоге получаем треугольник ANC и чтобы найти величину вектора АС опустим из вершины треугольника N перпендикуляр ND. Быстренько с помощью тригонометрии находим половину длины вектора AC, катет DC = NCcos30° = 220 X 0,866;, а величина вектора AC = 2NC = 380. А так как вектор NC и AC это фазное и линейное напряжения, то мы и имеем взаимосвязанные, те самые 220 на 380!
Вот мы и подошли к самому главному (ну почти, главному) как поведут себя эти самые эти самые 220/380?.. И когда? Ну, в разных нештатных ситуациях. Итак, рис1, схема трёхфазной системы, так называемые соединения генератора (трансформатора) звездой. Отбросим на время красные кресты символизирующие разрыв линий. Согласно умным книгам, то бишь учебникам нагрузочные сопротивления, Za; Zb; Zc, могут быть разные, а идеальная картинка останется прежней и ничего с нами не случится! А, что для нас с Вами это означает? Все эти нагрузочные сопротивления наши: лампочки, холодильники, СВЧ и много-много других неожиданностей! Это в идеале все нагрузки равны! Вы верите в такое? Я тоже нет! То есть должны быть какие-то последствия? А, у нас получается почти по Жванецкому... «И по документам я ушёл без штанов!» Вот и у нас по документам (книгам, учебникам) всё тип-топ! А на самом деле проблема десятилетиями висит как меч!!! И никто и ничего: горят новые совершенно лампочки, холодильники, телевизоры и пр... Всё это раньше называлось перекос фаз (перекос напряжений)! А, это чё тако, а? Для Вас это значит, что в одном доме, подъезде, этаже, в одной квартире в сети 220, в другой 250, в третьей 190... А, если ещё завёлся какой-нибудь идиот... Всё, — туши свет, ну помните, как в начале лекции?!
Сделаем отступление и возвратим красный крест на место, а именно на линию N-n соединяющую нейтрали (провод где как бы тока нет) генератора и нагрузки. Что получится? Те же звёзды, но без нейтрали. Такие системы существуют, но только там где потребляющие трёхфазные нагрузки имеют одинаковые плечи, те самые Za,b,c сопротивления нагрузочные. Такими симметричными являются двигатели. То есть в основном применение такой системы нашло только в промышленности и без вмешательства всяких доморощенных идиотов с двумя высшими образованиями. Мы с Вами рассмотрим реакцию при несимметричных нагрузках и критических: коротких замыканий и обрывов фаз, либо нагрузок, что почти одно и тоже!
Рассмотрим пирамиду на рис6. А перед тем как продолжить, хочу уточнить. Из-за ограниченности размера иллюстраций в нашем случае фазные и линейные вектора одни и те же, что для генератора-трансформатора так и для нагрузок. В смысле Здесь и вообще в литературе прописными буквами обозначено всё, что относится к генерирующей стороне, в том числе и напряжения. Если в отсутствии нейтрального провода нагрузки в сети одинаковые (система симметричная), то как напряжения так и точка нейтрали совпадают с генерирующей стороной. Конечно если пренебречь сопротивлениями Z линий. А для отличия обозначаются теми же буквами, только строчными. Но всё это в идеале, а как в действительности? Правильно сопротивления нагрузок разнятся в большей или меньшей степени. Посмотрим как это всё влияет на систему?
Вариант 1. Одна из нагрузок (na. Za) отличается от остальных. Уменьшим сопротивление и соответственно напряжение Una уменьшится. Нейтраль n (нагрузок) пододвинется ближе к точке А. При дальнейшем уменьшении сопротивления n вплотную подойдёт к А, при сопротивлении равном нулю n сольётся с точкой А. Это режим короткого замыкания (КЗ). А, что произойдёт с остальными фазными (для нагрузок) напряжениями? Начала векторов na и nc последуют за нейтралью n. Длина векторов и направление изменятся и стало быть напряжение на нагрузках увеличится (более 220 В). При коротком замыкании станет равно линейному, то есть 380 В. Представляю Вашу радость после того как лампочки дружно, одна за другой перегорят, а холодильник вместе с телевизором выйдут на околоквартирную орбиту!
Вариант 2. Увеличим наше сопротивление более чем у остальных. Нейтраль n наоборот переместится далее от А. Напряжения Unb и Unc уменьшатся и станут менее 220 В. При увеличении сопротивления до бесконечности (практически обрыв фазы) n переместится в середину вектора АС. На каждую оставшуюся нагрузку будет приходится по 190 В. То есть половина линейного, что и видно из диаграммы.
Вариант 3. Сопротивления нагрузок отличаются друг от друга, — несимметричный режим, наиболее вероятный в реальных условиях. Ситуация прежних вариантов повторяется в несколько изменённом виде. На рис4 мы это и видим. Напряжения Unb и Unc своей неодинаковостью смещают нейтраль n в сторону от перпендикуляра Аn. Как и в варианте 2, при увеличении сопротивления an до бесконечности (обрыв фазы) n перемещается но не на середину вектора СВ, а в точку n' которая делит вектор в соответствии с пропорциями Unb и Unc. При коротком замыкании фазы А, по идее напряжения приблизятся к линейному 380 В. При любом раскладе в нулевом проводе из-за раздрая в величинах напряжений: Una; Unb; Unc будет присутствовать напряжение UNn сдвигающую точку n то есть, вектор Nn. На рис7 показана формула для нахождения величины этого напряжения. В розовом квадратике YN, — проводимость нулевого провода (Y = 1/Z). В отсутствие провода Y = 0, а при идеальном нулевом Y равна бесконечности (Z = 0). Ну, а там как карта ляжет?!
Вся эта красивая сказка верна лишь для трёхпроводной системы. А на кой нам это всё, если у нас четырёхпроводная? Ну в общем-то да, вроде бы ни к чему, но? Но, если у нас по какой то причине отвалится нулевой проводок и, что тогда? Всё верно, наша 4-х превратится в 3-х, со всеми этими пирамидами. И из-за какого-то идиота с двумя высшими, сгорит кое-что!
Ну, хорошо, ноль (нуль) никуда не делся в большинстве случаев, а какого тогда существует понятие как перекос фаз (напряжений), так красиво показанный мною? Думаю, что какая-то часть читателей сталкивалась (в смысле осознанно) с таким?.. Ну это когда у Вас дома 240, а у соседей 190 или наоборот? То есть нулевой провод всё-таки не панацея от перекосов фаз?! И вот перелопатив кучу книг, я так и не нашёл ответ?! Когда врач не знает как ему лечить Вашу болезнь у него всегда есть палочка-выручалочка: «А попейте-ка Вы БАДЫ!» Глядишь и поможет?! Вот так и с перекосами! А нужно, оказывается выровнять нагрузки и будет Вам щастя! А где гарантия, что один идиот (ну, чтобы не бегать и менять предохранитель) ставит несгораемый предохранитель, а второй идиот с двумя высшими делает короткое замыкание и любуются как дымит проводка! А на соседних фазах горят лампочки и пр...
А, есть ли лекарство, то есть защита от идиотов? Да, есть! Это специальные устройства следящие за напряжением в сети и отключающие Вас при высоких или низких напряжений! Ну, в смысле как Вы пожелаете (выставите режим)?! Называется это лекарство, — реле контроля напряжения, — РКН или ещё вариант, — УЗМ, устройство защиты многофункциональное. Чего там оно ещё многофункционализирует, вопрос конечно интересный?! Кому уж очень интересно можете набрать в поисковике и Вам вывалится куча разных разновидностей этих самых РКН, УЗМ! А заодно и рекламу всякой дряни, на всю оставшуюся жизнь! Одно такое устройство Вы и видите на рис8, — РН-113.
Если у Вас все эти скачки напряжений и перекосов зубная боль и у Вас много денег под матрасом (матрацем :-)), то можете приобрести стабилизатор напряжения или на меньшую мощность, — бесперебойник...
И последнее. Вдруг Вы окажетесь в сельской местности, вдали от всяких трёхфазных (думаю такие глухие места ещё существуют) и у Вас будут проблемы, то? То, низкое напряжение может быть не связано с какими-то перекосами. Маломощный генератор может быть однофазный и низкое напряжение это всего лишь из-за потерь в линиях. И не только из-за Вашей нагрузки, но и других потребителей. С отдалённостью и числом потребителей связано постепенное уменьшение напряжения в сети. Довелось мне жить в таких глухих местах. У генератора (маломощной электростанции) лампочки полыхали, а через два километра вполнакала! Днём ещё туда-сюда, вечерами сидели как с лучиной! Радиоприёмники отказывались работать...