Author Topic: Трёхфазная электросеть vs. двух- или четырёхфазной  (Read 1927 times)

Offline Toman

  • Ветеран
  • *****
  • Posts: 1274
  • Карма: +217/-34
    • View Profile
Интересно, из каких соображений в своё время популярность получила и была принята как стандартная во всём мире именно трёхфазная система электросетей переменного тока, а не двухфазная/четырёхфазная?
Скажем, если брать конструкцию синхронных и асинхронных электрических машин, на которых была основана (и поныне пока остаётся в большей своей части) генерация и большая часть промышленных приводов соответственно, то в трёхфазных машинах нужны соответственно три обмотки - тогда как в двух/четырёхфазных - только две, т.е. конструкция их пусть немножко, но проще.

Расход металла на рабочий нулевой проводник в линии, где возможна несимметричная нагрузка по фазам, исходя из худшего возможного случая, для четырёхфазной системы лишь очень незначительно больше, чем в трёхфазной (четверть корня из 2 vs. 1/3, т.е. около 0,354 vs. около 0,333 от суммарного сечения фазных проводов).

А в собственно двухфазной (несимметричной самой по себе) ноль вообще является всегда рабочим в полной мере, в то время как "завышенное" (относительно фазного) межфазное напряжение в большинстве конфигураций ЛЭП и шинных монтажей всё равно естественным образом с избытком компенсируется удвоенным (например) расстоянием между этими фазными проводами/шинами, так что по расходу металла на провода и токоведущие шины при равных габаритах опор, воздушных промежутков между соседними фазными проводниками и т.п. эта  несимметричная двухфазная система, кажется (по крайней мере, на первый взгляд), имеет все перспективы чуть-чуть рулить над симметричной трёхфазной, даже в условиях идеально равномерной нагрузки между фазами (когда в трёхфазной линии не требуется нулевой проводник), и уж совсем рулить в случаях, когда нагрузка не равномерна по фазам - поскольку при всём том нулевой проводник в двухфазной линии уже есть, и его не нужно специально добавлять "на случай, с запасом".

Что же пошло не так, и почему в нашей реальности победила всё-таки трёхфазная система, а не двухфазная?

Offline DarkMax

  • Жестянщик
  • Герой
  • *
  • Posts: 2530
  • Карма: +492/-12
  • Gender: Male
  • UeArtemis
    • View Profile
    • Наша писемність
https://ru.wikipedia.org/wiki/Трёхфазная_система_электроснабжения#Преимущества
Quote
Для трёхфазной электрической сети требуются линии с меньшей массой проводящих материалов (как правило, металлов) при том же самом напряжении и большей передаваемой мощности, в сравнении с двухфазной четырёхпроводной системой[3]. Двухфазные линии в большинстве применений впоследствии были вытеснены трёхфазными в электрических распределительных сетях, однако они до сих пор используются в некоторых системах управления, в сервоприводах.

Передаваемая мгновенная активная мощность в трёхфазных и двухфазных электрических сетях постоянна при симметричной нагрузке. Однако в однофазных сетях мгновенная активная мощность колеблется с частотой, в два раза большей частоты напряжения в линии. Эти пульсации мощности приводят к повышенному шуму и механическим вибрациям в электрооборудовании с намагничивающимися материалами из-за магнитострикционного эффекта, а также к вращательным вибрациям валов электродвигателей.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Двухфазная_электрическая_сеть
« Last Edit: 17 January 2023, 23:27:51 by DarkMax »
Tej wojny nikt za nas nie wygra! © Wiedźmin III
Коли зчинять лемент: "Хто ж знав?!" — відповімо: "Ми".

Offline Toman

  • Ветеран
  • *****
  • Posts: 1274
  • Карма: +217/-34
    • View Profile
Отношение к делу из цитаты (и не только из цитаты, а из всего текста обеих статей) имеет только одна фраза:

Quote
Для трёхфазной электрической сети требуются линии с меньшей массой проводящих материалов (как правило, металлов) при том же самом напряжении и большей передаваемой мощности, в сравнении с двухфазной четырёхпроводной системой[3].

Она относится к двухфазной четырёхпроводной системе (которую вполне можно было бы называть и четырёхфазной, если соединить средние точки "поперечных" обмоток), и неизвестно ещё, при каких условиях (чтобы это узнать, нужно, как минимум, прочитать книгу, на которую там ссылка).

Тут сразу вопрос - что значит в данном случае "то же самое напряжение"? Фазное? Межфазное (между ближайшими по последовательности фазами)? Линейное (между, наоборот, самыми далёкими друг от друга фазами, т.е. самое высокое, какое можно найти между какими-либо фазами)?

В ЛЭП с заземлённой нейтралью вся конструкция (размеры, изоляторы и т.д.) определяется преимущественно фазным напряжением, т.к. расстояния между фазными проводами и заземлёнными частями опор как правило намного меньше, чем расстояния между фазными проводами.

Если взять именно фазное напряжение за постоянную величину, то необходимое суммарное сечение проводников для любой симметричной многофазной линии с заземлённой нейтралью без нулевого проводника (начиная хотя бы даже с симметричной однофазной линии с заземлённой средней точкой) совершенно одинаково для заданной мощности, и пропорционально этой самой мощности. Т.е. тут разница только в количестве проводов, но не в эффективности использования их материала.

Если взять за постоянную величину напряжение между наиболее далёкими фазами (т.е. линейное в случае трёхфазной линии и напряжение между проводами в диаметральных парах четырёхпроводной двухфазной линии), то тут да, трёхфазная линия как бы будет выигрывать, поскольку фазное напряжение у неё при этом будет фактически немножко больше (в 2/√3 раз, т.е. примерно в 1,155 раз), и во столько же раз меньше ток для той же мощности. Такое условие имеет смысл только для линий с изолированной нейтралью, поскольку там именно такое линейное напряжение будет появляться при замыкании одного фазного провода на землю, так что изоляция должна быть рассчитана на работу в таком режиме. Но в то же время ничто не мешает для такой четырёхпроводной двухфазной линии немножко усилить изоляцию на случай такого режима и работать с тем же фазным напряжением, как трёхфазная линия, сохраняя паритет по эффективности использования металла проводов.

Теперь что касается сетей с несимметричной нагрузкой от отдельных однофазных потребителей. В трёхфазной сети в нашей реальности при этом применяется нулевой проводник, и однофазные потребители включаются между ним и одной из фаз. В худшем случае при синусоидальной нагрузке (работа на максимальной мощности одной фазы или двух фаз в чистом виде) по нулевому проводнику будет течь ток, равный максимальному току одной фазы, поэтому в норме обычно это будет проводник такого же сечения, как фазные. Хотя при какой-то средней случайной нагрузке по фазам по нему будет течь какой-то сравнительно небольшой ток. Т.е. расход металла из-за этой несимметричной нагрузки на худший случай - четвёртый "лишний" проводник к трём фазным, работающим по полной, т.е. 33,3% "лишних".

Если использовать такой же подход в четырёхпроводной двухфазной сети, подключая однофазные потребители между нулевым проводником и одним из фазных, худшим случаем будет работа на полной мощности двух соседних по последовательности фаз, а поскольку они расположены под 90 градусов друг к другу, они при этом создадут в нулевом проводнике ток в √2 раз больше фазного, значит, и нулевой проводник должен быть примерно во столько же раз толще. Но и фазных проводов при этом 4 штуки, так что расход металла на нулевой проводник составит √2/4 от суммы фазных проводов, т.е. около 35,4%. Совсем небольшая разница.

Есть варианты включать однофазные потребители между диаметральными по последовательности фазами из четырёх (т.е. к парам фазных проводов четырёхпроводной двухфазной сети) или между просто какими-то двумя фазами трёхфазной, при которых никакого рабочего нуля вообще не потребуется. Но от этого отказались, кажется, по соображениям электробезопасности (то ли ненадёжность двухполюсного отключения в защитных аппаратах (и просто нереализуемость оного на плавких предохранителях), то ли просто чтобы не заморачиваться двухполюсным отключением во всех выключателях повсюду и, опять же, за счёт этого экономить провода - хотя у этого есть и минус: ИРЛ всякие горе-электрики очень любят путать фазу с нулём, и выключатель у них оказывается в нуле). Да и, если исходить из фиксированного напряжения для однофазных потребителей, при этом придётся понизить фазное напряжение в сети соотв. в 2 раза или в √3, и во столько же раз увеличить сечение фазных проводников - а это будет больше, чем в принятом сейчас варианте с нулевым проводником.

Итого, по эффективности использования металла проводов и/или по потребной изоляции различия между трёхфазной и симметричной (четырёх/пятипроводной) двухфазной - какие-то микроскопические и теряющиеся на фоне тех запасов, которые обычно принимаются при проектировании сетей. Но при этом у симметричной двухфазной системы, конечно, некоторый минус тупо в том, что у неё проводов больше на одну штуку. Хотя, с другой стороны, в многоквартирных домах, например, чаще всего на этажном щитке 4 квартиры, и при 4 фазных проводниках их было бы куда удобнее раскидывать по фазам, чем когда фазы три, а квартир четыре. (Это уж если вообще не заикаться о том, что сам отказ от ввода в квартиры и частные дома трёхфазной (или, соответственно, двухфазной) сети - можно считать, эпик фейл - куча оборудования, причём такого, постоянно молотящего и жрущего, могла бы работать куда экономичнее ещё в эпоху до силовой электроники - как те же холодильники, вентиляторы, и проблем с блоками питания, перегружающими нулевые проводники, упомянутых в статье, просто бы не возникало именно в таком остром виде, если их можно было бы, грубо говоря, просто вообще не подключать к нулю).

Offline pitonenko

  • Трижды герой
  • ***
  • Posts: 21310
  • Карма: +590/-6425
  • Gender: Male
    • View Profile
Предположу, что из-за конструкции генераторов.
Ждет тебя дорога к партизанам в лес густой.

Offline Upliner

  • Администратор
  • Дважды герой
  • *****
  • Posts: 5022
  • Карма: +449/-18
  • Gender: Male
  • Кис-кис-кис!
    • View Profile
    • лифчег
Масоны во всём виноваты, не иначе.
Quote
Всеви́дящее о́ко, или лучеза́рная де́льта, — масонский символ, символизирующий Великого Архитектора Вселенной, наблюдающего за трудами вольных каменщиков. Изображается как глаз, вписанный в треугольник.
Насчёт знаковости числа три скажу также, что это размерность нашего пространства.
Дві найголовніші помилки українського народу -- зек і зєк.

Offline Toman

  • Ветеран
  • *****
  • Posts: 1274
  • Карма: +217/-34
    • View Profile
Предположу, что из-за конструкции генераторов.
Генератор всё равно на сколько фаз делать. Ну и преобразование между любым числом фаз в принципе возможно на трансформаторной подстанции при помощи специальных на это рассчитанных трансформаторов. Т.е. в единой сети без проблем могут работать и трёхфазные, и двухфазные сегменты.

...Упомянув в прошлом посте ЛЭП с изолированной нейтралью (а это на постсоветском пространстве в основном линии 6 или 10 кВ - основные в распределении по районам до населённых пунктов в сельской местности, которые "выступают в одной весовой категории" со всякими деревьями и часто с ними поневоле контактируют), у которых есть "полуаварийный" режим работы при замыкании одной фазы на землю, я не сказал ещё о другом типе ЛЭП, для которых именно такой режим является штатным - ЛЭП со штатно заземлённой одной из фаз. Такого типа линии применяются на постсоветском пространстве в качестве линий продольного электроснабжения железных дорог, электрифицированных на переменном токе, там это называется линия ДПР - "два провода-рельс" (на самом деле, конечно, рельсы во мн.ч.), на 10 кВ. На участках, электрифицированных постоянным током, а тем более на неэлектрифицированных, такое не применяется, а используются обычные трёхпроводные ЛЭП 10 кВ, поскольку там, во-первых, традиционно частота 50 Гц используется для рельсовых цепей, и транзитный ток той же частоты при малейшей несимметрии нарушал бы их работу, во-вторых, на неэлектрифицированных участках в большинстве вообще РЦ не оборудованы для пропуска обратных тяговых или каких-то ещё транзитных токов. А на переменном токе, где и так пропускается обратный тяговый, ещё фазный ток электроснабжения на той же частоте погоды не делает, РЦ там работают на других частотах (25 или 75 Гц, либо тональные, ещё выше).

Кроме того, подобного типа линии одно время пробовали применять в СССР в качестве непосредственно контактной сети для трёхфазных электровозов узкоколеек на торфоразработках, одновременно играющей роль электроснабжения стационарных объектов на территории торфоразработок. (Там над путями вешали по два провода, а у электровоза были два токоприёмника бок о бок).
Если не ошибаюсь, аналогичным образом в ещё более давние времена (в первой половине 20-го века) была организована КС на электрифицированных трёхфазным током участках магистральных ЖД Италии - была у них такая вот экзотика.

Так вот, в частности, подобного рода линии, где один из проводников штатно заземлён и радикально отличается по параметрам от двух других, вполне могли бы быть и двухфазными трёхпроводными, и это смотрелось бы более логично.

Offline Yougi

  • Ветеран
  • *****
  • Posts: 1021
  • Карма: +125/-43
    • View Profile
 Важным преимуществом трёх фаз супротив двух является возможность играться со звездой-треугольником.
 Трёхфазные сети выиграли ещё и исторически - Доливо-Добровольский на практике запустил именно трёхфазную сеть.

ЗЫ посмотрел ролик - в принципе там правильно всё.
« Last Edit: 21 January 2023, 19:39:08 by Yougi »

Offline Upliner

  • Администратор
  • Дважды герой
  • *****
  • Posts: 5022
  • Карма: +449/-18
  • Gender: Male
  • Кис-кис-кис!
    • View Profile
    • лифчег
Ещё хотелось бы обсудить вопрос с заземлением. Почему победила TN, а не IT и TT?
Дві найголовніші помилки українського народу -- зек і зєк.

Offline Toman

  • Ветеран
  • *****
  • Posts: 1274
  • Карма: +217/-34
    • View Profile
Ещё хотелось бы обсудить вопрос с заземлением. Почему победила TN, а не IT и TT?
Смотря где победила. В сельской местности TT практически безальтернативна (если вообще применять какое-то заземление - а целую кучу приборов без заземления использовать вообще нельзя), т.к. к нулю, идущему по воздушной линии, заземляться чрезвычайно небезопасно: он может просто оборваться, и тогда на нём появится произвольное напряжение вплоть до полного фазного, либо он может замкнуться с соседним фазным, и т.д.
В многоэтажках же (запитанных от подстанции по кабелям) преобладает фактически сочетание TN с TT, т.е. TN с повторным заземлением на месте, в конкретном доме, в дополнение к заземлению нейтрали на подстанции.

IT не обеспечивает защитного отключения по току на стороне потребителя при замыкании на корпус/землю, обнаружение таких ситуаций происходит только на подстанции, и только подстанция может выключить всех потребителей (ну или выборочно отключать ветви по одной, пока не найдётся место, где проблема), если у кого-то где-то замыкание. Это как бы понятно, что не очень удобно.

Offline Toman

  • Ветеран
  • *****
  • Posts: 1274
  • Карма: +217/-34
    • View Profile
Важным преимуществом трёх фаз супротив двух является возможность играться со звездой-треугольником.
Ну, в симметричной (четырёхпроводной) двухфазной тоже можно аналогично, там, по сути, вообще три уровня напряжений, которые можно получить переключением одних и тех же 4 обмоток (или, допустим, каких-нибудь тэнов): фазное, межфазное в √2 раз больше, и удвоенное фазное. Но в реальности эта возможность не то чтобы очень активно используется. Ну, унифицировали какие-то трансформаторы так, что можно использовать с линиями как 6 кВ, так и 10 кВ один и тот же трансформатор, ну вот и всё. Если бы нужно было делать отдельные с разными высоковольтными обмотками, ничего страшного бы не было. Треугольник в трансформаторе годится по сути только для линий с изолированной нейтралью. А учитывая, что переходы со звезды на треугольник или наоборот крутят фазы на 60 градусов, во всяких кольцевых (имеющих хоть какое-то дублирование линий) сетях просто так так играться и нельзя. Ну, в тяговых подстанциях ж.д. переменного тока на постсоветском пространстве вроде обычно применяют треугольник (по крайней мере на стороне КС 27,5 кВ), один угол которого - земля (т.е. рельсы, а точнее, средняя точка дроссель-трансформатора, куда подключается отсасывающий фидер), а два других - контактная сеть двух соседних участков, запитанных разными фазами, но вроде и тут именно треугольник не особо принципиален.
Трёхфазные сети выиграли ещё и исторически - Доливо-Добровольский на практике запустил именно трёхфазную сеть.
Так двухфазные линии были придуманы и в каком-то количестве вводились как раз раньше. Разве что, может быть, это было менее масштабно.

Offline Yougi

  • Ветеран
  • *****
  • Posts: 1021
  • Карма: +125/-43
    • View Profile
Quote
Смотря где победила.
Никто никого не победил.
 Заземление - практически единственный раздел электротехники, где властвуют шаманство и традиции, а также толика здравого смысла, помноженная на местные условия.
 Американский стандарты заземления кое в чём противоречат немецким ( читай - европейским ), а те, в свою очередь - британским.
Ну и экс-СССР наособицу стоит, на всё заморское поплёвывая свысока...
Quote
Разве что, может быть, это было менее масштабно.
до Доливо-Добровольского всё это не выходило за рамки экспериментальных установок. А традиции в технике - это ого-го! Диды три фазы юзали, ну а мы чем хуже?