Трехфазная система электроснабжения — рисуем схему в программе Multisim

Трехфазная система — что мы видим вокруг

В доме мы включаем свет выключателями, а бытовую электротехнику запитываем через розетки. К розеткам и выключателям электроэнергия по двум проводникам кабеля приходит от домового электрического щита. Если у вас есть заземление, то проводка в доме делается уже трехжильным кабелем. То есть вместо двух проводников к розеткам и выключателям подходят три проводника кабеля. Сразу стоит отметить, что вопросы заземления и зануления в данном обзоре не будут рассмотрены. Этому будут посвящены отдельные темы.

Идем дальше. От близлежащей опоры к электрическому щиту дома подводятся два провода — одна фаза и ноль. Также к дому может подходить сразу три фазы и ноль. Но наиболее распространенный случай, если речь о частном доме, это однофазное потребление. По самим же опорам проложены три фазных провода и один нулевой, которые берут свое начало от распределительного трансформатора.

Мы кратко рассмотрели то, что находится на поверхности трехфазной системы электроснабжения. Со всеми ее элементами мы сталкиваемся каждый день. Но не всегда мы понимаем, как все это работает. Далее мы углубимся в особенности функционирования трех фаз на наглядном примере моделирования электроснабжения условной улицы с частной жилой застройкой.

Видео — трехфазная система

Рисуем трехфазную систему в программе Multisim

Начнем с распределительного трансформатора, который является последним звеном трансформации напряжения на пути от электростанции до вашего дома. Всю цепочку производства и распределения электроэнергии мы сейчас рассматривать не будем, но кратко остановимся на основной схеме:

На рисунке показано, что электроэнергия, выработанная генератором 1, по толстым проводам 2 поступает на трансформатор 3. После повышения напряжения ток передается потребителям по сравнительно тонким проводам 4. Для этого используют специальные прочные опоры 5 с гирляндами изоляторов 6. Когда электроэнергия доходит по проводам 4 до места потребления, применяют понижающий трансформатор 7, от которого энергия поступает к потребителям 9. Энергия может поступать и к другим трансформаторам, понижающим напряжение еще сильнее. Как правило, энергия, подающаяся в город по высоковольтной линии, проходит через несколько понижающих трансформатора. Они понижают напряжение каскадно, чтобы получались различные напряжения, необходимые как промышленным, так и бытовым потребителям.

Вернемся к нашему трансформатору. Выглядит он так:

К первичной обмотке трансформатора подходит 6000 или 10000 Вольт. На вторичной обмотке это напряжение понижается до линейного напряжения 400 Вольт и распределяется между потребителями (домами). Для справки: линейное или межфазное напряжение — это напряжение между двумя разными фазными проводами одной трехфазной сети; фазное напряжение — это напряжение между фазой и нулевым проводом.

Нам нужно как-то добавить трансформатор в схему. Выбираем нужный компонент в программе Multisim:

Так как сеть у нас трехфазная, то создаем следующую комбинацию из трех трансформаторов. Первичные обмотки, на которые подается высокое напряжение 10000 Вольт, соединяем треугольником, а вторичные, от которых пониженное напряжение уже расходится по конечным потребителям, соединяем звездой.

Генератор электростанции вырабатывает напряжение, исчисляемое десятками тысяч вольт. Затем это напряжение на всем протяжении пути трансформаторами повышается и понижается. Соответственно нам стоило бы данные трансформации указать на схеме. Но это очень сильно усложнило бы и загромоздило схему. А в разрезе рассматриваемой темы такое усложнение не требуется. Поэтому, учитывая, что на выводах вторичных обмоток нашего распределительного трансформатора фазное напряжение 230 Вольт, то весь участок от генератора электростанции до последнего трансформатора можно заменить трехфазным генератором 230 Вольт. Покажем этот компонент в программе Multisim:

THREE PHASE WYE — это трехфазный генератор, обмотки которого соединены звездой. Мы выбрали этот генератор, так как вторичные обмотки нашего трансформатора также соединены звездой. Соединение треугольником нам не подходит, так как там нет нейтрали (нулевой точки).

Выбранный компонент можно заменить тремя однофазными генераторами, соединенными звездой. Покажем это на схеме:

Именно на варианте с тремя однофазными генераторами мы и остановимся, так как он более понятный. Здесь мы видим, что концы обмоток соединены в одной точке (нейтрали, нулевой точке), а сами обмотки генераторов смещены друг относительно друга на 120°. Данное смещение имеет очень важное значение, о котором поговорим отдельно в следующих публикациях.

Перейдем к следующему шагу — проводам воздушной линии, проложенным по опорам. Начнем непосредственно с трех фазных проводов, идущих по улице. Подключим их к трансформатору и покажем на схеме:

Не забываем и о нулевом проводе. Его подключаем к глухозаземленной нейтрали трансформатора:

Казалось бы, все просто. Но прежде чем переходить к подключению домов, рассмотрим важнейший элемент, который многие могут упустить, — сопротивление. То что мы добавили в схему компонент «Земля», еще не говорит о том, что нейтраль заземлена. Любой заземлитель обладает сопротивлением растеканию тока. Как же это показать на схеме? Нужно просто добавить резистор. Резистор — пассивный элемент электрических цепей, обладающий определенным или переменным значением электрического сопротивления. Добавим в схему резистор 4 Ом, который будет отвечать за сопротивление заземлителя нейтрали трансформатора:

Здесь важно понимать, что 4 Ом — это не сопротивление конкретной железяки, вбиваемой в землю. 4 Ом здесь — это сопротивление растеканию тока, создаваемое определенным объемом земли, контактирующим с металлическим заземлителем. Земля (грунт) — это по сути тот-же проводник. А любой проводник обладает сопротивлением.

Так как любой проводник обладает сопротивлением, то нам стоит учесть этот факт при отрисовке воздушных линий на схеме. Сопротивление зависит от материала проводника, его сечения и длинны. Мы не будем сейчас углубляться в расчеты, а просто условно примем, что сопротивление каждого провода в нашей схеме 0,2 Ом. Также допустим, что на улице установлены 4 опоры. Их может быть больше, но, чтобы не загромождать схему, остановимся на четырех. Соответственно провод можно поделить на четыре участка с сопротивлением 0,05 Ом. Эти участки будут своего рода ориентирами расположения опор. Покажем все это на схеме:

Теперь можно перейти к домам — потребителям электроэнергии. И здесь также основным компонентом является резистор. Давайте разберемся почему. Каждый электроприбор в доме (чайник, лампочка, холодильник) обладают некоторой мощностью потребления. Допустим в сеть включено несколько электроприборов суммарной мощностью 2990 Вт. Как же эту мощность перевести в сопротивление. Все просто — нужно воспользоваться Законом Ома. Согласно ему формула мощности P = U×I, где P — мощность, U — напряжение, I — сила тока. Нам известны мощность и напряжение. Поэтому нетрудно определить силу тока I = P/U = 2990/230 = 13 А. Силу тока можно определить и по следующей формуле I = U/R. И именно отсюда мы можем выразить сопротивление R = U/I = 230/13 = 17,7 Ом. Получается, что если мы добавим в нашу схему резистор сопротивлением 17,7 Ом, то он будет аналогом дома, в котором включены электроприборы мощностью 2990 Вт. Таким же образом можно заменить на схеме все дома:

Как выше уже отмечалось, вопросы заземления и зануления сейчас не рассматриваются. Поэтому к домам мы подвели пока просто фазу и ноль.

Завершая рассмотрение трехфазной системы электроснабжения на конкретном примере, добавим в схему компоненты вольтметр и амперметр, включим моделирование и посмотрим результаты:

• Амперметры U1, U2, U3, U4 показывают ток в фазных проводах и в нулевом проводе.
• Вольтметр U5 показывает линейное напряжение 396 Вольт.
• Вольтметры U6, U7, U8 показывают фазное напряжение на разных участках цепи. Так можно увидеть, что в ближайшем от трансформатора доме по фазе А напряжение 228 Вольт, а в последнем по линии доме на фазе А 225 Вольт. Данное падение напряжения происходит из-за сопротивления проводов.