Что такое фаза и ноль в электричестве

Фаза и нуль в электрике

Электроэнергия появляется в результате упорядоченного движения заряженных частиц в проводах — электронов. Рождаются эти электроны в огромных электростанциях — таких как, например, Волгоградская ГРЭС (гидроэлектростанция), Нововоронежская АЭС (атомная электростанция) и многих других в нашей стране. Далее по очень толстым проводам эта энергия передается на промежуточные подстанции (как правило, такие стоят по периферии городов), а от них — до местных КТП (комплектная трансформаторная подстанция), которые есть почти в каждом дворе.


Линия электропередач

Уровни напряжения в таких сетях варьируются от 750000 вольт до 380 вольт в конечной КТП. И именно последние делают так, что в розетке обычного дома появляется 220В. Казалось бы, все просто, но! В розетке находятся два провода. И из уроков физики каждый знает, что в электрике есть «фаза» и «нуль». Эти два слова дают нам свет, тепло, воду, газ и многое другое, чем мы пользуемся каждый день. Теперь по-порядку.

КТП

Трехпроводная система

Посмотрим на разрез трехжильного провода, который применяется для прокладки бытовых электросетей.

Цвет проводов указывает, где находятся фаза, ноль и земля. Дополнительно, на рисунке приведены типовые буквенные обозначения, применяемые в электрических схемах. Взяв в руки такой чертеж, можно визуально определить правильность выполненного подключения.

Давайте заглянем в ГОСТ и посмотрим, насколько приведенная на рисунке цветовая маркировка проводов соответствует требованиям. Пункт 5.1 общих положений содержит описание двенадцати цветов, которые должны использоваться для маркировки.

Девять цветов выделяется для обозначения фазных проводов, один для нулевого и два для заземления. Стандартом предусматривается выполнение заземляющего провода в комбинированном желто-зеленом исполнении. Разрешается продольное и поперечное нанесение полос, при это преимущественный цвет не должен занимать более 70 % площади оплетки. Отдельное использование желтого или зеленого цвета в защитном покрытии прямо запрещается пунктом 5.2.1.

Указанная схема применяется при однофазном подключении, подходящем для большинства электрических приборов. Запутаться в ней, при правильно маркированном проводе, практически невозможно.

Что такое земля

Нулевая точка трансформатора обычно . Нулевой проводник должен также дополнительно заземляться через определенное расстояние. Так поступают чтобы потенциал между нулевым проводником и землей был как можно меньше. Делается это для срабатывания автоматического отключения в аварийной ситуации. К примеру, при обрыве провода с опоры электропередач, он упадет на землю. Ток потечет через землю к нулевой точке трансформатора. Земля служит как бы дополнительным проводником. Если бы нулевая точка не была заземлена, то ток просто утекал бы в землю. При этом силы тока могло быть недостаточно для того чтобы перегорел предохранитель на подстанции. Иначе говоря, могло не сработать автоматическое отключение. И на месте падения провода было бы опасное для жизни людей .

Пробой фазы на корпус в системе TT (заземление без зануления). Ток стекает в землю по PE проводнику. Происходит защитное отключение. Жизнь и здоровье человека спасены

Система защитного заземления TN-S

Иначе говоря, напряжение между проводником PE и землей (почвой) составляет примерно 0 вольт. То есть, ток по проводнику PE в рабочем состоянии практически не течет. Ток начинает течь по проводнику PE в аварийном состоянии.

Такой проводник получают двумя способами. Во-первых, путем отвода его от заземленной нулевой точки на трансформаторной подстанции. Такая система защиты . Во-вторых, защитный проводник PE получают делением нулевого защитного PEN проводника уже у потребителя электроэнергии. Разделенный проводник PE дополнительно заземляется. Такой вариант называется . Нулевым защитным PEN проводником может быть нулевой N рабочий проводник, если он имеет определенное сечение и состояние.

Система защитного заземления TN-C-S

Заземление

Повторное заземление производят также и на стороне потребителя электроэнергии. Заземляются корпуса оборудования и металлические части которые могут попасть под напряжение в аварийной ситуации. Заземление применяется в целях снизить разность потенциалов (напряжение) между землей и корпусом оборудования. А также, для защитного автоматического отключения. Обычно автоматическое отключение осуществляется и .


Для вашего удобства подборка публикаций

Зачем нужен ноль в электричестве

Нуль замыкает электрическую цепь. Без этого провода в цепи не может быть электрического тока, который и дает мощность для питания бытовых приборов. По сути, нулевой провод — это земля.

Откуда берется ноль в электросети

Начало свое нуль берет от комплектной трансформаторной подстанции 6(10)/0,4 кВ, где трансформатор своей нулевой шиной соединен с контуром заземления. Изначально именно земля является проводником с нулевым потенциалом, и именно поэтому многие путают нуль с землей. ВЛ (воздушная линия электропередачи), выходя из КТП, имеет 4 провода — 3 фазы и нуль, который в начале линии соединен с нулем трансформатора. На протяжении воздушной линии через одну опору производится повторное заземление, которое дополнительно связывает нуль линии с землей, что дает более полноценную связь цепи «фаза — нуль» для того, чтобы у конечного потребителя в розетке было не менее 220В.

Зачем нужен нуль

Основное назначение нулевого провода — замыкание цепи для создания электрического тока для работы любого электроприбора. Ведь для того, чтобы ток появился, необходима разность потенциалов между двумя проводами. Нуль потому так и называется, что потенциал на нем равен нулю. Отсюда и уровень напряжения 220В — 230В.

Отличия переменного тока от постоянного

Изменения направления течения и характеристик переменного тока связаны с методом его получения. Получают переменный ток в результате работы генераторов переменного тока. Генератор состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная (статичная) часть генератора. Он имеет форму полого конуса, внутри которого расположены катушки с намотанной проволокой. Эти катушки образуют обмотку статора. Из обмотки выходят концы намотанной проволоки (выводы). На этих выводах, при работе генератора, образуется напряжение. Если к выводам, находящимся под напряжением, подключить нагрузку, через неё начнет течь электрический ток. Протекая через нагрузку (электроприбор), ток совершает какую-нибудь работу. Например, раскаляет нить лампы накаливания. Соответственно, лампа что-нибудь освещает.

Устройство генератора переменного тока

Ротор — подвижная часть генератора и расположен внутри статора. На нем также расположены катушки. Они образуют обмотку ротора. Когда на эту обмотку подается постоянный ток, ротор становится электромагнитом. Электромагнит создаёт вокруг себя магнитное поле. Считается, что линии магнитного поля пересекают обмотку статора и индуцируют (наводят) в ней электродвижущую силу (ЭДС). Затем ротор начинают вращать. Например, с помощью турбины, которую в свою очередь вращает падающая с высоты вода. Разумеется, вместе с ротором вращается и магнитное поле. Считается, что результате вращения поля, по обмотке статора начинает течь электрический ток. Это явление называют .

Три фазы изменения переменного тока

Полюса вращающегося ротора-электромагнита постоянно меняют свое положение относительно катушек статора. То есть, плюс становится на место минуса, а минус на место плюса. А затем минус и плюс меняют места обратно. Это продолжается пока генератор работает. По этой причине и ток индуцируемый в статоре постоянно меняет направление своего течения. Считается, что направление течения тока от минуса к плюсу. Потому как электроны — отрицательно заряженные частицы. Имеется мнение что электрический ток в металлах — это движение электронов. А заряженные частицы стремятся к частицам с зарядом противоположным. От одноименно заряженных частиц они наоборот отталкиваются. Это можно продемонстрировать на примере двух постоянных магнитах.

Ротор стандартного генератора совершает 3000 оборотов в минуту. Отсюда и появляется частота 3000 оборотов /60 секунд = 50 герц. То есть, 50 оборотов ротора в секунду. Считается, что такая частота была установлена потому что позволяла светить лампам накаливания без мерцания. А также давала возможность стабильно работать электродвигателям. Пятьдесят периодов изменения тока — 100 раз в секунду изменяется направление течения бытового переменного тока. 

Генератор постоянного тока в общих чертах схож с генератором тока переменного. Но конечно он имеет и отличия. Магнитное поле здесь создают неподвижные катушки статора. Напряжение на генераторе постоянного тока получают на выводах обмотки ротора, во время его вращения. Обмотка ротора делится на множество частей. Каждая часть имеет выводы на контакты коллектора. Съем тока происходит с контактов коллектора ротора с помощью двух щеток. Одна щетка — плюс, а вторая — минус. Так как щётки неподвижны, то они попеременно соприкасаются с разными контактами. Переход с контакта на контакт происходит в тот момент, когда синусоидальная ЭДС в контуре переходит через своё нулевое значение. В итоге, каждая щётка сохраняет свою полярность неизменной.

Устройство генератора постоянного тока

То есть, постоянный ток движется всегда в одном направлении. Плюс и минус являются указателями направления движения электрического тока. Постоянные значения характеристик постоянного ток достигаются за счет деления обмотки ротора на множество частей. Существуют разные способы подключения генератора постоянного тока.

Вопрос8.Как построить совмещенные векторные диаграммы напряжений и токов для исследованных режимов трехфазной цепи?

Ответ8 .

Построение векторных диаграмм начинаем с векторов линейных напряжений, задаваемых сетью и от условий опыта не зависящих. Это равносторонний треугольник образованный векторами линейных напряжений. Длина вектора соответствует линейному напряжению, а углы между векторами соответствуют сдвигу фаз между векторами напряжений.

Построение векторной диаграммы для случая равномерной нагрузки .(симметричный режим).

1.Выбираем комплексную плоскость (+1,j). Реальную ось +1 направляем вертикально вверх, мнимую- вдоль оси -Х. (поворот на угол +90°).

2. Выбираем масштаб напряжений, например 1см→20В. Вектор U a(в масштабе) откладываем вдоль реальной оси +1.Конец вектора обозначаем малой буквойа .

3.Вектора U b иU c (в масштабе) рисуем под углами +120° и –120° соответственно. Концы векторов обозначаем малыми буквамиb иc соответственно.

4. Точку, соответствующую началу координат, обозначим малой буквой n . Это точка нейтрали приемника.

5.Строим вектора линейных напряжений. Для этого соединяем концы фазных векторов. Получим вектора U a b =U A B , U bc =U BC , U c а =U C А. Отметим, что линейные напряжения приемника равны линейным напряжениям генератора.

ТочкаN на векторной диаграмме, соответствующая нейтральной точке генератора, находится в центре треугольника линейных напряжений. В данном случае нейтраль генератора N совпадает с нетралью приемника n . В общем случае точку n , соответствующую нейтральной точке нагрузки, находят методом засечек. Векторы токов откладывают по отношению к соответствующим векторам фазных напряжений с учетом сдвига фаз между ними.

Ниже приведены векторные диаграммы для различных режимов работы.

Режим 2. Обрыв фазы А (рис. 9):

При обрыве фазы А и одинаковой нагрузке двух других фаз, нейтральная точка приемника n переместится на середину линейного напряжения Ů BC .СопротивленияZ b иZ c окажутся соединенными последовательно и включенными на линейное напряжение BC . Падение напряжения между точками А иn увеличится, а фазные напряжения b и c станут равными половине линейного BC .

Режим 3. Короткое замыкание фазы А (рис. 9).

При замыкании фазы А и одинаковой нагрузке двух других фаз (то есть при соединении начала нагрузки фазы А с нулевой точкой нагрузки) точка nперемещается в точку А. Фазное напряжение Ů а становится равным нулю, ток İ a увеличивается, а фазные напряжения b и c становятся равными линейным.

Сопротивления, Z а ≠Z b ≠Z c , фазные напряжения приемника а ≠ b ≠ c , между точкамиNиnпоявляется напряжение смещения нейтрали.

4.1 Вначале строим треугольник линейных напряжений.

4.2. Методом засечек (циркулем или линейкой) из каждой вершины откладываем соответствующие вектора фазных напряжений приемника. Точка пересечения дуг даст точку нейтрали приемника n . Точку нейтрали генератораN оставляем на прежнем месте.

4.3 Соединяем точку n иN . Это вектор напряжения смещения нейтралиU nN (в масштабе).

4.4 Строим вектора фазных токов нагрузки. В случае, если нагрузкой являются лампочки, которые можно представить как активные сопротивления, то сдвига фаз между фазным напряжением и фазным током нагрузки не будет. Поэтому вектора токов откладываем (в масштабе) вдоль соответствующих векторов фазных напряжений.

***) В общем случае надо определить сдвиги фаз между током и соответствующим фазным напряжением по закону Ома в комплексной форме и строить вектор тока с помощью транспортира.

Режим 5 . Неравномерная нагрузка с нейтральным проводом (рис.11).

При наличии нейтрального провода фазные напряжения приемника становятся равными фазным напряжениям источника A = а; В = b ; C = c:

Причины возникновения короткого замыкания


Короткое замыкание становится возможным, когда ток не проходит через «ноль» к контуру заземления А0, В0 и С0. Вместо этого токи двигаются по внешним контурам АВ, ВС и СА, которые питаются от напряжения в 360 вольт. Таким образом, на одном квартирном щитке может оказаться слишком маленькое напряжение, так как экономный жилец выключил все электроприборы, а на другом образовывается напряжение, приближённое к линейному — 360 вольт. Это и становится причиной повреждения проводов. Приборы, в свою очередь, перегреваются в результате поступления на них нерасчётных токов.

Чтобы избежать такой ситуации и защититься от резкого скачка напряжения, имеются приборы защиты, которые устанавливаются внутри квартирных щитков. Также их ставят в корпусе дорогостоящих электроприборах для предотвращения поломок, например, в холодильниках и морозильных камерах.

Правила подключения нейтрали

Глава 1.7 ПУЭ подробно рассматривает электрическую безопасность при заземлении. В «Библии электрика» сказано:

  • для электрических установок напряжением более 1 кВ требуется глухозаземленная нейтраль, отводящая большие токи замыкания в грунт;
  • для оборудования до 1 В можно использовать изолированную или глухую нейтраль;
  • глухозаземленную нейтраль обязательно зануляют и присоединяют к линии заземления через трансформатор;
  • заземление и нейтраль выполняются при помощи медных (сечение 4 мм2), алюминиевых (сечение 6 мм2), изолированных (1,5 мм2 и 2,5 мм2) кабелей;
  • соединенные в одной скрутке кабели из меди должные иметь сечение 1 мм2, из алюминия – 2,5 мм2;
  • если от щитка квартиры или этажа протягивается 3 провода, используется защитная нейтраль;
  • если групповую сеть выполняют при помощи двух кабелей, нейтраль защиты протягивается от ближнего щита;
  • к нулю присоединяются все домашние приборы – чайник, кондиционер, компьютер, стиралка, кипятильник, холодильник.

Роль нулевого провода – раздел Философия, Расчет цепей переменного тока с последовательным соединением элементов А) Нулевой Провод Необходим, Чтобы Напряжения На Фазах Нагрузки Оставалось Од.

а) Нулевой провод необходим, чтобы напряжения на фазах нагрузки оставалось одинаковыми в случае неравномерной нагрузки (не было перекоса фаз);

б) Нулевой провод необходим на случай аварийного режима:

– Короткое замыкание фазы. Если нет нулевого провода, то на оставшихся фазах нагрузки, вместо фазного напряжения будет действовать линейное напряжение (в корень из 3 раз большее), что приведет к выходу оборудования из строя. Если нулевой провод подключен, напряжение на нагрузках не изменится.

– Обрыв фазы. При отсутствии нулевого провода оставшиеся фазы оказываются соединены последовательно и включены на линейное напряжение, следовательно, напряжение на них уменьшится. Если нулевой провод подключен, напряжение на нагрузках не изменится.

Практически ток в нулевом проводе в 2 – 3раза меньше тока в линейных проводах, поэтому нулевой провод выполняется меньшим сечением. Обрыв нулевого провода крайне нежелателен, поэтому предохранители в него не ставят.

Пример:

Нагрузка соединена звездой,

Характер нагрузки индуктивный. Определить: IФ, IЛ, RФ, P, S, Q.

Ток в нулевом проводе равен 0, следовательно, нагрузка равномерная.

Метод определения нуля и фазы в доме


Чтобы выявить неисправность в электропроводке дома, чаще всего используют бюджетную отвёртку со световым индикатором. Такой прибор работает благодаря прохождению внутри его корпуса ёмкостного тока. Внутренняя часть такого прибора оснащена следующими составными частями:

  • металлический оголённый наконечник, который служит для присоединения его к фазе или нулевому проводнику;
  • резистор, который снижает амплитуду проходящего по отвёртке тока до безопасной величины;
  • световой индикатор, который загорается при протекании тока по металлической части прибора. Горящий индикатор свидетельствует о наличии тока в фазе;
  • площадка, благодаря которой ток проходит сквозь тело человека и достигает потенциала земли.

Опытные электрики для поиска неисправностей приобретают более функциональные приборы, к примеру, многофункциональный электронный индикатор в виде отвёртки, работающий на двух батарейках, благодаря которым устройство способно создавать напряжение 3 вольта. Помимо определения фазы, такие устройства выполняют и другие задачи.

Если лампочка засветилась при соприкосновении прибора с электрическим контактом, значит обнаружена фаза. При соприкосновении индикатора с проводниками PE и N световой индикатор гореть не должен. Если это не так, значит электрическая схема является неисправной.

Дополнительный

  1. Электротехника. /Под ред. В.Г. Герасимова – М.: Высшая школа, 1985. – С.121-131.

  2. Борисов Ю.М., Липатов Д.Н., Зорин Ю.Н. Электротехника. — М.: Энергоатомиздат, 1985. – С. 123-138.

  3. Волынский Б.А., Зейн Е.Н., Шатерников В.Е. Электротехника. Учебное пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – С. 124-143.

К лабораторной работе №7. “Исследование трехфазной электрической цепи с активной нагрузкой , соединенной по схеме “звезда”.

Цель работы:

Таблица.1

Измерено на клеммах источника питания Вычислено
Линейные напряжения Фазные напряжения
U АВ, В U ВС, В U СА, В U А, В U В, В U С, В U Л, В U Ф, В U Л / U Ф
№ опыта Режим работы цепи Токи, мА Напряжения, В
I a I b I c I N U a U b U c U nN
1
2
3
4

Расчетно-графическая часть

Среднее значение тока при симметричной нагрузке Iф= Векторные диаграммы (m V =______B/Cm; m I =______A/Cm)

Краткие выводы по работе: Группа____________Студент_____________ Дата________ Преподаватель________________________

1. Назовите отличительные признаки симметричной трехфазной системы ЭДС

Электродвижущие силы одинаковы по амплитуде и различаются по фазе на 120 o

Сумма электродвижущих сил симметричной трехфазной системы в любой момент времени равна нулю. e A + e B + e C = 0

При симметричной системе ЭДС источника линейное напряжение больше фазного в √3 раз.

Фазные токи одинаковы по величине и совпадают по фазе со своими фазными напряжениями. Ток в нейтральном проводе отсутствует

2. Напишите уравнения мгновенных значений и комплексные выражения действующих значений симметричной трехфазной системы ЭДС.

Если ЭДС одной фазы (например, фазы А) принять за исходную и считать её начальную фазу равной нулю, то выражения мгновенных значений ЭДС можно записать в виде

e A = E m sin ωt, e B = E m sin (ωt — 120°), e C = E m sin (ωt — 240°) = E m sin (ωt + 120°).

Комплексные действующие ЭДС будут иметь выражения:

Ė A = E m e j0° = E m (1 + j0), Ė B = E m e -j120° = E m (-1/2 — j/2), Ė C = E m e +j120° = E m (-1/2 + j/2).

3. Объясните роль нулевого провода при симметричной и несимметричной нагрузке. Приведите соответствующие выражения токов и напряжений и векторные диаграммы.

В случае несимметрии нагрузки трехфазной трехпроводной цепи (при отсутствии нулевого провода) между нейтральными точками генератора и приемников возникает узловое напряжение или иначе – происходит смещение нейтрали приемников. Из-за смещения нейтрали нарушается симметрия фазных напряжений на приемнике, что приводит к его ненормальной работе.

Чтобы восстановить равенство фазных напряжений на приемниках при несимметричной нагрузке, в трехпроводную цепь добавляется нулевой провод, благодаря которому потенциал нулевой точки приемников становится равным потенциалу нулевой точки источника.

В этом случае при любой несимметрии нагрузки смещения нейтрали не происходит и система фазных напряжений будет симметричной.

При несимметричной нагрузке обрыв нулевого провода вызывает значительное изменение фазных напряжений и токов у потребителя, что в большинстве случаев не допустимо. Поэтому в нулевой провод предохранители не устанавливаются.

Симметричная нагрузка без нулевого провода

Несимметричная нагрузка с нулевым проводом

При соединении приемника звездой с нулевым проводом фазы работают независимо друг от друга. В этом случае по нулевому проводу протекает ток, действующее значение которого равно геометрической сумме действующих значений токов в фазах.

4. Как изменится напряжение в трехфазной симметричной системе, соединенной звездой без нулевого провода при коротком замыкании одной фазы нагрузки?

В случае обрыва одной из фаз без нейтрального провода, две другие фазы оказываются включенными последовательно и находятся под линейным напряжением UВС. Если сопротивления одинаковы, то напряжения их будут равны, и каждое составляет половину линейного напряжения UВС/2.

5. Для какого вида нагрузки применяется трехфазная четырехпроводная система?

Для несимметричной нагрузки

Методика определения ноля и заземления

В ходе работы с зануленными электрическими частями, нередко возникает вопрос, как определить ноль и заземление. Для этого существует специальная методика, принцип которой, мы объясняем для читателей доступным языком

Сразу обращаем внимание новичков, если вам требуется установить прибор в домашних условиях, определять ноль, фазу и заземление необходимо в месте крепления

Начнем методику при помощи специальной лампы. Но для начала соберем ее в единое целое; Берем обычный патрон и вкручиваем в него подходящую лампу накаливания; На клемму гнезда крепим провода и избавляем их концы от изоляционного слоя при помощи стриппера; Теперь поочередно соединяем провода лампы с поддающимися определению жилами, если лампочка загорится, значит, вы нашли фазу

В ситуации с двухжильными кабелями дело обстоит намного проще, вам важно найти лишь фазу, при находке которой лампочка загорается, следовательно, оставшийся проводник — это нейтраль.

Что бывает при обрыве нуля в поводке

Нейтраль в ЛЭП

Дополнительные сведения: Заземление

В линиях электропередач разных классов применяются различные виды нейтралей. Это связано с целевым назначением и различной аппаратурой защиты линии от короткого замыкания и утечек. Нейтраль бывает глухозаземлённая, изолированная и эффективно-заземленная.

Глухозаземлённая нейтраль

Применяется в линиях напряжением от 0,4 кВ и до 35 кВ, при небольшой длине ЛЭП и большом количестве точек подключения потребителей. Потребителю приходят 3 фазы и нуль, подключение однофазной нагрузки осуществляется между фазой и нулевым проводом (нейтралью). Нулевой провод генератора также заземлён.

Изолированная нейтраль

Применяется в линиях с напряжением свыше 2 кВ до 35 кВ, такие линии имеют среднюю протяжённость и сравнительно небольшое число точек подключения потребителей, которыми обычно являются ТП в жилых районах и мощные машины фабрик и заводов. В линиях на 50 кВ может применяться как изолированная, так и эффективно-заземлённая нейтраль.

Эффективно заземленная нейтраль

Применяется на протяжённых линиях с напряжением от 110 кВ до 220 кВ (п. 1.2.16 ПУЭ) {{Работа электрических сетей напряжением 110 кВ может предусматриваться как с глухозаземленной, так с эффективно заземленной нейтралью.

Электрические сети напряжением 220 кВ и выше должны работать только с глухозаземленной нейтралью. }}

Чем опасно повреждение нулевого провода

Перегрев нулевых проводов из-за плохого контакта

Ноль повреждается при механических воздействиях, коротких замыканиях, некачественном подключении или в результате старости проводки. Обрыв нейтрали:

  • PEN-проводник в кабеле питания – остается один заземляющий контур, который визуально не заметно;
  • сгорание проводника в распредщитке – фазные проводники перекашиваются, показатель напряжения увеличивается до 380 В;
  • обрыв в щитке квартиры – в розетках остается вторая фаза, бытовая техника от них не запитывается.

Повреждение нейтрали исключает равность потенциалов сетей с различной нагрузкой, в результате чего может сгореть бытовая техника. Изоляция в таких случаях пробивается. В старом жилом фонде со схемой подключения TN-C (нуль – защитный проводник) при поломках существуют риски поражения током. В новостройках повреждения нуля приводит к тому, что при касании к технике чувствуются легкие разряды тока.


С этим читают