Я Вам всегда рекомендовал, и даже принудительно заставлял, для защиты электрооборудования и электрических приборов своих квартир и домов от повышения или понижения напряжения в сети устанавливать однофазное или трехфазное реле напряжения, в зависимости от Вашей сети.

В качестве реле однофазного напряжения можно применять устройства разных производителей, например, РН-113 от «Новатек-Электро», УЗМ-51 от «Меандр»,RV-32A от EKF, CM-EFS.2 от АВВ, АЗМ-40А от «Ресанта», ZUBR D40t от «ДС Электроникс» и другие им подобные.

В качестве трехфазных реле напряжений могу порекомендовать: цифровое реле напряжения V-protector 380V от «Digitop», РНПП-311 от «Новатек-Электро», РКН-3-15-15 и УЗМ-3-63 от «Меандр», CM-MPS.11 от АВВ.

Все перечисленные выше устройства контролируют входное напряжение сети, и если напряжение по каким-то причинам вышло за пределы заданных уставок, то они должны отключить потребителей, тем самым защищая и спасая их от выхода из строя.

Напомню, что согласно ГОСТа 29322-92, табл.1, номинальное напряжение однофазной сети должно быть 230 (В), а трехфазной — 400 (В). А по ГОСТу 13109-97, п.5.2, предельно-допустимое отклонение напряжения не должно превышать ±10%, т.е. для однофазной сети это напряжение от 207 (В) до 253 (В), а для трехфазной — от 360 до 440 (В).

Причин для отклонения напряжения может быть множество, и в одной из своих статей я их уже перечислял. Но сегодня я хотел бы остановиться на одной очень распространенной причине, как обрыв нуля.

В Интернете имеется не мало статей по этой теме, но вся представленная информация в основном теоретическая и поверхностная. Я же в данной статье расскажу Вам очень подробно про возникновении такой ситуации, произведу расчеты токов и напряжений в нормальном режиме и при обрыве нуля, исходя из реальных нагрузок на примере нескольких квартир, а в самом конце сымитирую ситуацию с обрывом нуля в трехфазной сети на реальном примере.

Итак, поехали.

Расчет несимметричного режима трехфазной сети с нулевым проводом

Для интереса, теорию будем рассматривать не в чистом виде, а на наглядном примере. Предположим, что на площадке у нас расположено три квартиры.

[540x700]

Вот пример такого этажного щита на три квартиры, о котором у меня написана отдельная и подробная статья.

[561x483]

Каждая квартира питается с подъездного щита, но с разных фаз — обычное дело. Квартира №1 запитана с фазы А, квартира №2 — с фазы В, а квартира №3 — с фазы С.

[540x700]

Возьмем за условность, что в какой-то определенный момент времени в квартире №1 был включен в розетку электрический чайник мощностью 2000 (Вт), в квартире №2 — горели лампы накаливания общей мощностью 400 (Вт), а в квартире №3 — горела одна единственная лампа накаливания мощностью 75 (Вт).

Я специально в качестве примера привел чисто активную нагрузку, чтобы не усложнять расчеты и векторные диаграммы углами сдвига и т.п. Естественно, что в реальности чисто активной нагрузки по квартирам не бывает, но тем не менее смысл остается прежним.

А теперь вспомним немного ТОЭ.

Нагрузку каждой квартиры представим в виде сопротивлений, которые обозначим «Z». Z — это и есть полное сопротивление цепи, с учетом активной и реактивной составляющей, но как я уже сказал выше, реактивной составляющей у нас нет (нагрузка чисто активная), поэтому в нашем случае Z=R. Получается следующее:

• Zа = Ra = 24,2 (Ом) — сопротивление нагрузки квартиры №1
• Zb = Rb = 121 (Ом) — сопротивление нагрузки квартиры №2
• Zc = Rc = 645,3 (Ом) — сопротивление нагрузки квартиры №3

Как видите, нагрузка по квартирам разная, т.е. это типичный несимметричный режим работы четырехпроводной трехфазной сети с нейтральным проводом при соединении нагрузки по схеме «звезда». В этой схеме есть свои особенности, но об этом чуть позже.

[561x424]

Итак, номинальное линейное (межфазное) напряжение сети составляет 400 (В), а фазное напряжение (между фазой и нулем) — 230 (В).

На источнике питания линейные напряжения обозначаются, как U_AB, U_BC и U_CA, а фазные U_A, U_B и U_C. На нагрузке такие же обозначения, только с маленькими буквами (индексами).

Но на практике такие идеальные значения редко встречаются по нескольким причинам. Изначально на трансформатор может приходить высокое питающее напряжение с неидеальными линейными напряжениями, которое преобразуется на низкую сторону тоже с некоторой разницей. К тому же сам трансформатор может иметь какие-то наиболее загруженные фазы, на которых напряжение будет чуть снижено, по сравнению с другими.

Я возьму реальный пример из практики, поэтому линейные и фазные напряжения у меня имеют следующие значения:

• U_AB = 403 (В), U_BC = 421 (В), U_CA = 402 (В)
• U_A = 239 (В), U_B = 225 (В), U_C = 232 (В)

[563x426]

Будем считать, что нейтральный (нулевой) проводник от трансформаторной подстанции (ТП) до этажного щита у нас идеальный (Z_N=0), т.е. я пренебрегаю его сопротивлением, которое складывается из сопротивлений переходных контактов и самих проводов. Сопротивления контактных соединений и проводников фаз я тоже учитывать не буду.

[561x425]

Таким образом получается, что напряжение между нулем источника питания (в моем случае это трансформатор) и нулем нагрузки (потребители) равно нулю, т.е. эти точки имеют одинаковый потенциал.

Напряжение между этими точками называется напряжением смещения нейтрали и его обозначают, как U_nN.

В рассматриваемом случае напряжение смещения нейтрали равно нулю (U_nN = 0), а значит фазные напряжения у источника питания (трансформатор) и на нагрузке (потребители) совершенно одинаковые:

• U_A = Ua = 239 (В)
• U_B = Ub = 225 (В)
• U_C = Uc = 232 (В)

Векторная диаграмма напряжений будет иметь следующий вид. Для наглядности хотел построить ее в масштабе, но не нашел достойного онлайн сервиса, а рисовать ее на миллиметровой бумаге, как в университете, у меня нет времени.

[560x358]

Естественно, что фазные напряжения сдвинуты относительно друг друга на 120 электрических градуса.

Теперь нам нужно узнать токи нагрузки по фазам, которые рассчитаем по закону Ома для участка цепи, зная фазные напряжения и сопротивления нагрузок. Расчет фазных токов буду производить в показательной форме комплексного числа.

[562x427]

Теперь отложим полученные значения токов на нашей векторной диаграмме. Т.к. нагрузка у нас чисто активная, то векторы токов будут сонаправлены с векторами фазных напряжений.

[560x358]

Вот это нормальный режим работы, когда нет обрыва нейтрального проводника, т.е. это несимметричный режим работы четырехпроводной трехфазной сети с нулевым проводом.

Ради интереса можно рассчитать ток в нулевом проводе, который равен геометрической сумме всех фазных токов. Для удобства сложения комплексных чисел переведу их из показательной формы в алгебраическую, а результат запишу опять в показательной.

[560x291]

Получилось, что значение тока в нуле составляет 8,86 (А).

Расчет несимметричного режима трехфазной сети без нулевого провода

Но сейчас перейдем к самому интересному!

Предположим, что в этажном щите из-за плохого контакта у нас отгорел магистральный ноль N (PEN), или же электрик, выполняя работу, ошибочно его разорвал, например, в этом месте (место разрыва я указал не схеме красным крестиком). Я лишь указал две причины обрыва нуля, на самом деле их может быть множество.

[561x483]

[558x426]

Вот фотография подобного по исполнению этажного щита. Кстати, этот щит находится в аварийном состоянии и о нем у меня есть отдельная статья, где я подробно рассказываю, как и что в нем нужно устранить и исправить.

[559x403]

[561x426]

Так что же произойдет при обрыве магистрального нуля N (PEN)?!

 

При обрыве нулевого провода все три сопротивления окажутся включенные звездой, но без нуля. Произойдет смещение нейтрали и перераспределение (перекос) фазных напряжений квартир. По сути, у нас получилась трехфазная трехпроводная сеть без нулевого проводника, но с неодинаковыми нагрузками.

[561x425]

А чтобы понять, как именно распределятся фазные напряжения, сначала необходимо найти напряжение смещения нейтрали (по методу узловых напряжений).

[561x427]

Таким образом получилось, что при обрыве нуля между нейтралью трансформатора и отгоревшей нейтралью в этажном щите появится потенциал около 181 (В).

Если у Вас в жилом доме применена устаревшая система заземления TN-C, в которой все открытые металлические конструкции присоединены к нейтрали (занулены), то эта разность потенциалов (напряжение) окажется на всех зануленных металлических частях, а в нашем примере под напряжением окажется металлический корпус этажного щита и все, что подключено к нулевой колодке N, а это у нас нулевые проводники всех трех наших квартир.

Задев корпус щита или любой нулевой проводник, Вы попадете под действие электрического тока.

Про последствия я рассказывать не буду, об этом уже написано несколько статей на сайте с реальными случаями, знакомьтесь:

• тяжелый несчастный случай с электромонтером по ремонту и обслуживанию электрооборудования
• несчастный случай с электромонтером в РУ-0,4 (кВ)
• несчастный случай со смертельным исходом на РП-10 (кВ)
• групповой несчастный случай на ГРУ-10 (кВ)

Если же в этажном щите Вы сделали разделение PEN проводника и перешли с системы заземления TN-C на TN-C-S, то эта разность потенциалов окажется не только на отгоревшем нуле и на конструкции щита, но и на корпусах всех Ваших электрических приборов и техники, что значительно увеличивает шансы попасть под действие электрического тока. Кстати, это еще одно доказательство тому, чторазделение PEN проводника необходимо выполнять не в этажном щите, а в ВРУ.

Но это еще не все.

Определим фазные напряжения на нагрузке с учетом смещения нейтрали.

[561x426]

И что мы видим?! А видим мы перекос фаз в трехфазной сети.

В фазе А напряжение снизится с 239 (В) до 65 (В), в фазе В — напряжение с 225 (В) увеличится до 335 (В), а в фазе С — напряжение с 232 (В) увеличится до 372 (В).

Естественно, что в квартире №1 при таком низком напряжении 65 (В) с электрическим чайником ничего не произойдет, он просто напросто не станет работать. Но вот если вместо чайника был бы подключен холодильник, кондиционер или другие потребители с двигательной нагрузкой, то большая вероятность, что они вышли бы из строя.

А вот в квартирах №2 и №3 последствия будут весьма печальными. При напряжении 335 (В) и 372 (В) лампы в них моментально сгорят. Если вместо ламп будет включена другая нагрузка, будь это телевизор, компьютер и прочая бытовая техника, то они тоже моментально выйдут из строя, если конечно в них нет встроенной защиты от перепадов напряжения. Не исключено, что может возникнуть даже пожар.

Да, кстати, вот так примерно будет выглядеть наша векторная диаграмма после отгорания нуля.

[560x358]

Как видите, точка нейтрали n сдвинулась в точку n’, т.е. к наиболее загруженной фазе А. В наиболее загруженной фазе напряжение снизилось, а в менее загруженных, наоборот, увеличилось и практически до линейного напряжения.

При изменении сопротивлений фазных нагрузок напряжение смещения нейтрали U_nN может изменяться в широких пределах, при этом точка нейтрали n’ может находиться в разных местах векторной диаграммы, а фазные напряжения у потребителя могут иметь величины от нуля и вплоть до линейного напряжения.

При всей этой ситуации фазные напряжения на источнике питания (трансформаторе) останутся неизменными, т.е. несимметрия нагрузки никак не влияет на систему напряжений источника питания.

А теперь, опять же ссылаясь на закон Ома, рассчитаем фазные токи.

[562x350]

Проведем проверку наших расчетов по первому закону Кирхгофа — геометрическая сумма токов всех фаз при обрыве нулевого провода должна быть равна нулю. Вот и проверим это тождество.

[560x282]

Тождество верно, с учетом небольших погрешностей, возникших при расчетах.

Но и это еще не все. После того, как от повышенного напряжения выйдут из строя потребители, начнется очередное перераспределение фазных напряжений, но уже с учетом этих сгоревших потребителей, и тогда напряжение может повыситься уже в другой фазе. В общем такая бесконечная реакция будет продолжаться до того момента, пока все не сгорит.

Выводы

Какой же вывод можно сделать?!

В данном примере я смоделировал обрыв нулевого проводника в этажном щите, с которого питались однофазные нагрузки трех квартир с разных фаз. Если рассмотреть в целом многоквартирный дом, то ситуация будет аналогичной, т.к. нагрузка по фазам сильно колеблется и в любом случае будет несимметричной. Аналогичная ситуация может произойти и в частном доме, имеющий трехфазный ввод.

Таким образом, из расчетов следует, что при обрыве нулевого проводника в трехфазных сетях с глухозаземленной нейтралью при несимметрии нагрузок фазные напряжения могут достигать опасных значений. Напомню, что в рассматриваемом примере в фазе В и фазе С напряжение увеличилось до 335 (В) и 372 (В) соответственно, т.е. возросло почти до линейного.

Здесь же хотел добавить, что при симметричной нагрузке в случае обрыва нуля перекоса фаз не возникнет. Вот поэтому многие трехфазные двигатели запитывают четырехжильными кабелями без нуля (А, В, С и PE).

Защита от обрыва нуля

Какие же меры можно предпринять для предотвращения подобных случаев?

Если это многоквартирный дом, то настойчиво требовать от обслуживающей организации постоянного контроля и регулярных проверок состояния электропроводки от ВРУ до этажных щитов, в том числе с проведением всех необходимых измерений с привлечением электротехнической лаборатории (ЭТЛ). Нас, кстати, регулярно привлекают управляющие компании (УК) для проведения подобных работ, потому что эти измерения необходимо производить с определенной периодичностью, которая указана в ПУЭ и ПТЭЭП. К слову, вот фотографии с последней проверки одного многоквартирного дома. И как там еще что-то работало?!

[562x426]

[562x426]

Об этом ВРУ я скорее всего напишу отдельную статью с указанием конкретных замечаний, так что подписывайтесь на новости сайта, чтобы не пропустить самое интересное.

Вот еще несколько фотографий с объектов. Порой в электрический щит даже заглянуть страшно, не говоря уже о выполнении в нем каких-либо работ.

[561x428]

[561x396]

[560x394]

Если с Вами все таки произошла ситуация с обрывом нуля, то Вас спасут только лишь устройства (реле), про которые я говорил в самом начале статьи. К тому же, «Библия электрика» (ПУЭ, п.7.1.21) рекомендует не пренебрегать данными советами.