Принципы расчета трехфазных цепей при несимметричных системах питающих напряжений

До сих пор рассматривались трехфазные цепи при непременном выполнении поставщиком энергии условия симметрий фазных ЭДС и, следовательно, фазных напряжений на генераторе. Это условие входит в состав оценочных критериев качества поставляемой электрической энергии. Симметрию ЭДС современные синхронные генераторы должны быть способны поддерживать в любых режимах работы. Однако, напряжения на зажимах генератора, следовательно, на входе трехфазной цепи гарантированно симметричными будут только в случае идеальных источников ЭДС,внешняя характеристика которых не зависит от токов в цепи. В реальных ситуациях внутреннее сопротивление в фазах генератора, конечно, отлично от нуля, а напряжения на их зажимах отличается от ЭДС на величину формируемого фазным током падения напряжения внутри источника в связи с тем, что . Понятно, что в случае симметричных нагрузок падения напряжений внутри источников будут одинаковыми по величине и смещенными друг относительно друга по фазе на 120°. Это, конечно, изменит фазные напряжения, но к нарушению симметрии не приведет. Однако, присутствие в трехфазных системах несимметричных приемников нарушает симметрию токов и неизбежно приводит к искажению симметрии напряжений на зажимах фаз генератора. В связи с этим могут возникнуть обстоятельства, когда не считаться с несимметрией напряжений на стороне генератора невозможно. Асимметричность нагрузки и связанная с этим асимметричность линейных токов приводит к искажению симметрии напряжений на стороне приемника и за счет падений напряжений в линейных проводах, поскольку напряжения на нагрузке отличаются от напряжений на генераторе на величину падения напряжения в линейных проводах. Например, . Таким образом, даже при симметрии напряжений на генераторе при удаленной от генератора нагрузке, когда в качестве источников питания выступают напряжения на входе приемника (любого объекта), система этих напряжений может оказаться несимметричной.

Тем не менее, в обычных ситуациях эта несимметрия на работу трехфазных сетей и эксплуатационные свойства существенного влияния не оказывает, что в большинстве случаев позволяет с нею не считаться.

Однако, в случае включения в трёхфазные цепи мощных однофазных потребителей или при аварийных ситуациях, например связанных с однофазными короткими замыканиями между линейным и нулевым проводом, с двухфазными короткими замыканиями между двумя линейными проводами или короткими замыканиями на нейтрале, роль которой в высоковольтных сетях выполняет земля, искажения симметрии питающих напряжений оказывается существенным.

Несмотря на то, что короткие замыкания в связи с отключением повреждённых участков релейной защитой кратковременны, они оказывают значительное влияние на работу трёхфазных синхронных генераторов и сети в целом.

Когда говорят о несимметричных явлениях в трёхфазных цепях, часто различают два вида несимметрии – поперечную и продольную.

Поперечной называют такую несимметрию, которая возникает в случаях, когда к симметричной нагрузке параллельно с ней подключается мощная нагрузка с ярко выраженной несимметрией. К такого вида несимметрии относятся, в частности, рассмотренные аварийные ситуации в системе.

Непосредственным следствием поперечной несимметрии является возникающая при этом несимметрия боков, конечно, сопровождающаяся несимметрией напряжений.

Продольной называют несимметрию, возникающую в сети при неодинаковых сопротивлениях в линейных проводах, что может быть связано, например, с «перекрытием» изоляторов на опорах трёхфазной системы или при обрыве линейных проводов.

Во всех этих случаях, даже при симметричной системе ЭДС генератора в цепи возникает значительная несимметрия токов и напряжений.

Конечно, расчет трёхфазных цепей в любых конфигурациях всегда может быть выполнен любым из рассмотренных методов традиционных расчётов.

Тем не менее, общим методом исследования и расчёта несимметричных режимов, в частности, режимов работы мощных синхронных генераторов является метод симметричных составляющих, который в большинстве случаев позволяет и упростить расчёты, и повысить их наглядность, и создать условия для прогнозирования последствий.

Сущность метода заключается в следующем:

1. Любую несимметричную трехфазную систему напряжений или токов представляют тремя симметричными системами прямой, обратной и нулевой последовательностей фаз.

2. Схему рассчитывают для каждой симметричной составляющей в отдельности.

3. Используя принцип наложения по найденным симметричным составляющим находят действительные токи или напряжения в каждой фазе.