При несимметрии в трехфазных сетях появляются дополнительные потери в элементах электросетей, сокращается срок службы ламп и электрооборудования и снижаются экономические показатели его работы.
При несимметрии напряжений в электрических машинах переменного тока возникают магнитные поля, вращающиеся не только с синхронной скоростью в направлении вращения ротора, но и в противоположном с удвоенной синхронной скоростью. В результате возникает тормозной электромагнитный момент, а также дополнительный нагрев активных частей машины, главным образом, ротора за счет токов двойной частоты.
Ток I2 обратной последовательности [4]
(12)
где Sab и Sbc – однофазная нагрузка соответственно между фазами ab и bc.
Этот ток создает вращающееся магнитное поле обратной последовательности, индуцируя в цепях роторов ЭДС и токи двойной частоты, что приводит к дополнительному нагреву машины.
В АД при коэффициентах обратной последовательности напряжения, встречающихся на практике (К2U 0,05—0,06), снижение вращающего момента оказывается пренебрежимо малым. Влияние несимметрии на потери в электродвигателе и, следовательно, нагрев и сокращение срока службы изоляции его проявляются в большей мере. В целом срок службы АД при К2u- 2—4 % сокращается на 11 % [3].
При работе электродвигателя с номинальным вращающимся моментом и коэффициентом несимметрии напряжений К2U = 4 %, срок службы его сокращается примерно в 2 раза только за счет дополнительного нагрева. Если напряжение на одной из фаз будет значительно превышать номинальное значение, сокращение срока службы изоляции будет еще больше. Для обеспечения нормальных условий работы электродвигателей в этом случае необходимо снижать располагаемую мощность их, а при проектировании — увеличивать номинальную мощность электродвигателей, если не предусматриваются специальные мероприятия по симметрированию напряжений сети. Эти обстоятельства возникают, например, при проектировании электрифицированного железнодорожного транспорта, на горнообогатительных и некоторых других промышленных предприятиях.
Для расчета дополнительных потерь, вызванных несимметрией напряжения на вводах АД может быть использовано следующее выражение [4]:
(13)
где ΔРмIном — потери в меди статора при номинальном токе основной частоты; КI — кратность пускового тока при номинальном напряжении основной частоты; εU – коэффициент несимметрии напряжения в отн. ед.
При несимметрии напряжений в синхронных машинах (СМ) наряду с возникновением дополнительных потерь и нагревом статора и ротора могут возникать опасные вибрации в результате появления знакопеременных вращающих моментов и тангенциальных сил, пульсирующих с двойной частотой сети.
При значительной несимметрии вибрация может оказаться опасной, в особенности при недостаточной прочности или наличии дефектов сварных соединений. При несимметрии токов, не превышающей 30 % опасные перенапряжения в элементах конструкций, как правило, не возникают. Снижение срока службы СД при К2и = 2 — 4 % составляет 16 % [3].
Дополнительные потери мощности в СМ при несимметричной нагрузке вызывают появление местных (локальных) нагревов обмотки возбуждения, что приводит к необходимости снижать ток возбуждения и тем самым уменьшать значение реактивной мощности, выдаваемой в сеть. При этом может возникнуть необходимость снизить активную нагрузку генератора или момент на валу синхронного двигателя. Дополнительные потери в статоре СМ значительно меньше аналогичных потерь в обмотке ротора, поэтому ими обычно20 пренебрегают
(14)
где ΔРДном = 3I2НОМr2P — дополнительные потери в СМ при токе обратной последовательности, равном номинальному;
r2P — активное сопротивление обратной последовательности обмотки ротора;
Z2CM -полное сопротивление обратной последовательности СМ.
Несимметрия напряжений не оказывает заметного влияния на работу воздушных и кабельных линий, в то же время нагрев трансформаторов и, следовательно, сокращение срока их службы могут оказаться существенными. В случае несимметрии токов трансформатора нагрев масла будет несколько меньше, чем в случае симметричной нагрузки при токе фаз, равном току наиболее загруженной фазы. Это объясняется более интенсивным охлаждением обмотки этой фазы. Такие условия имеют место в сетях 6—10—35 кВ промышленных предприятий, работающих с изолированной или компенсированной нейтралью. Расчеты показывают, что при номинальной нагрузке трансформатора и коэффициенте несимметрии токов равном 10 % срок службы изоляции трансформатора сокращается на 16%.
Дополнительные потери в силовых трансформаторах можно оценить по формуле
(15)
где ΔРХХ, ΔРкз, uK — расчетные данные трансформатора.
Срок службы трансформаторов при К = 2—4 % сокращается на 4 %[3].
При несимметрии линейных напряжений реактивная мощность, генерируемая батареей конденсаторов, изменяется по сравнению с номинальным значением QНОМ на величину
(16)
где U1 — линейное напряжение прямой последовательности; Uном — номинальное напряжение батареи конденсаторов.
При К2U = 0,05—0,06 значение ΔQ = (0,01—0,04)QНОМ. Поскольку на практике напряжение U1 может быть больше или меньше напряжения UHOM, то возможно как увеличение, так и уменьшение генерируемой реактивной мощности. В последнем случае в наиболее загруженной фазе значения тепловых потерь могут значительно превосходить номинальное значение, создавая местный перегрев изоляции, приводящий к сокращению срока ее службы на 20 % [3]
(17)
где Qном — номинальная мощность конденсаторной батареи (КБ);
tg — тангенс угла диэлектрических потерь;
εU — относительное значение коэффициента несимметрии.
Несимметрии напряжений и токов отрицательно влияет на работу руднотермических печей, вызывая снижение их производительности, увеличение расхода электроэнергии и, тем самым, уменьшение КПД печи. Ухудшение основных показателей работы рудно-термических печей после некоторых граничных значений несимметрии, когда наблюдается резкое падение производительности и КПД печи при резком возрастании расхода электроэнергии. Последнее объясняется возникновением зон активного и пассивного хода реакции и, тем самым, неравномерностью распределения энергии по объему ванны печи. Увеличение напряжения обратной последовательности на 20 % приводит к снижению производительности рудно-термических печей на 30—40 % [3].
При появлении в 3-фазной сети 380 В напряжения нулевой последовательности ухудшаются режимы однофазных ЭП. Токи нулевой последовательности постоянно протекают через заземлители и значительно высушивают грунт, увеличивая сопротивление заземляющих устройств. Это может быть недопустимо для работы релейной защиты, из-за усиления воздействия токов нулевой последовательности на низкочастотные установки связи, устройства железнодорожных блокировок. При появлении токов обратной и нулевой последовательности увеличиваются суммарные токи в отдельных фазах сети.