Fasbalansering och dess betydelse för elektriska installationer och utrustning

Fasbalansering på en trefasinstallation är ofta okänd eller har ignorerats. Fasbalansen har en avgörande betydelse för att optimera prestanda och effektivitet på en elektrisk installation och dess utrustning. I den här artikeln beskriver vi konsekvenserna av dålig balans på en elektrisk installation och beskriver varför obalans kan ha betydelse samt hur man undviker det.

När ett kommersiellt eller industriellt elektriskt system först designas och installeras ägnas stor omsorg och hänsyn till fördelningen av eventuella 1-fasbelastningar över de tre faserna för att säkerställa att de är jämnt balanserade.

En ojämn belastning resulterar i att en eller flera faser bär en högre ström än de andra. Det ger ökade förluster på grund av uppvärmning och minskar den tillgängliga försörjningskapaciteten. I värsta fall kan det leda till en obalans av spänningen som negativt påverkar delar av 3-fasutrustningen i samma installation.

Ett 3-fas kraftsystem sägs vara balanserat när fasspänningarna har samma amplitud och är åtskilda av en fasvinkel på 120 grader. Följaktligen beskrivs spänningsobalans som en variation i ett kraftsystem där spänningsstorlekarna och/eller fasvinkelskillnaderna inte är lika.

Obalanser av spänningen orsakas av stora 1-fasbelastningar som t.ex. induktionsugnar, drivsystem och andra stora induktiva maskiner. Dessa belastningar drar antingen en ström mellan en fas och nollan som inte uppträder på de andra två faserna eller mellan två faser så att ström bara dras på två av de tre faserna. Oavsett vilket så innebär det att de högre belastade faserna upplever ett större spänningsfall vilket minskar spänningen på dessa faser för all annan utrustning som är ansluten till samma strömförsörjning.

Den här typen av laster existerade tidigare ofta bara i stora industriella installationer. Användningen av nivå 2 EV-laddare i lätt industri och i kommersiella anläggningar samt i fastigheter har avsevärt utökat problemet med obalans. Nivå 2 1-fasladdare kan dra över 7kW och man bör därför noggrant överväga antalet utplacerade laddare och fasfördelningen mellan dem. Samtidigt behöver man beakta de redan befintliga faslasterna.

Ibland kan också en ojämn fördelning av mer allmänna 1-fasbelastningar med lägre effekter över ett 3-fassystem vara tillräckligt för att orsaka obalans av spänningen. Detta inträffar när en befintlig installation byggs ut med utrustning, vilket den ursprungliga installationen inte balanserades för under sin design och konstruktion.

I mer sällsynta fall kan spänningsobalans orsakas av ojämlik försämring eller fel på en eller flera PFC-kondensatorbanker. Tillfälliga spänningsobalanser kan också orsakas av ett fel på någon av faserna antingen inom anläggningen eller längre upp i försörjningsnätet.

Att ha balanserade fasspänningar är utan tvekan ett av de viktigaste kraven för en industriell installation särskilt om den innehåller 3-fasmotorer. Obalanserade spänningar som matar en motor kan orsaka fasobalanser av strömmen på upp till 10 gånger av den procentuella obalansen av spänningen för en fullastad motor. Följaktligen behöver motorer som arbetar på obalanserade försörjningar nedgraderas betydligt för att minska tillgängliga belastningar redan för relativt små obalanser av spänningen. Obalanser kan också kräva nödvändiga nedgraderingar av kraftkablarna på grund av ökade förluster i kablarna.

Enligt IEC definieras spänningsobalans som förhållandet mellan negativ sekvensspänning och positiv sekvensspänning. I grund och botten kan de tre fasspänningarna uttryckas matematiskt som en summa av positiva, negativa och nollsekvenskomponenter. Positiv sekvensspänning skapar flöde i den riktning som motorn är avsedd att rotera i och negativ sekvensspänning roterar i motsatt riktning. Detta skapar dock ett flöde i motsatt riktning, men eftersom de positiva spänningarna alltid är mycket större påverkas inte motorns rotationsriktning.

Det motroterande negativa sekvensflödet som orsakas av negativa sekvensspänningar skapar däremot ytterligare uppvärmning i motorlindningarna som så småningom kommer att leda till isolationsbrott och för tidigt fel på motorn. Vid en kontinuerlig drift på 10 °C över den normala rekommenderade driftstemperaturen kan det minska en roterande maskins livslängd med en faktor två.

Standarden SS-EN 60034-1 föreskriver en 1% negativ fasföljdsspänningsgräns för spänningsmatning av maskiner. Men i SS-EN 50160 (Spänningens egenskaper i elnät för allmän distribution) anges att obalanser på upp till 3% kan förväntas.

Förutom själva motorerna innehåller många solid state-styrenheter och växelriktare komponenter som är särskilt känsliga för obalans av spänning. Vissa komponenter skyddar sig själva och motorn i händelse av obalans i spänningen och vägrar då att fungera. För mindre sofistikerade enheter som t.ex. för variabla frekvensomriktare och busskondensatorer är en reducerad livslängd ett vanligt resultat orsakat av spänningsobalans.

UPS enheter, fasomvandlare och strömförsörjning till växelriktare fungerar också med reducerad effektivitet med spänningsobalanser på matningen. Det skapar oönskat rippel på DC-sidan och bidrar i många fall därför ökade harmoniska strömmar på matningen.

PEL113 visar obalanserad fasbelastning

Det går enkelt att mäta upp spännings- och lastbalans (ström) och därigenom identifiera obalans med hjälp av en portabel effekt- och energilogger. Genom att ansluta en logger till inkommande matning så kan belastningen över faserna för hela installationen övervakas över tid för att se hur den kan variera under en normal driftdag eller under en hel vecka.

Portabla effekt- och energiloggrar kan snabbt flyttas runt i installationen utan störande inkopplingar med driftstopp. De kan användas för att mäta individuella utrustningar eller hela kretsbelastningar och spänningar för att uppnå balans genom hela installationen. Därefter kan de återanslutas till den inkommande matningen för fortlöpande övervakning. Förutom spänning och lastbalans är det även möjligt att mäta och övervaka andra strömkvalitetsparametrar som t.ex. effektfaktor och övertoner.

PEL113 visar obalans av spänning över faserna

Det finns uppenbara försiktighetsåtgärder för att minska spänningsobalansen och dess effekter. Använd separata kretsar för stora 1-fasbelastningar och anslut dem så nära punkten för den inkommande matningen som möjligt. Detta säkerställer att belastningen inte orsakar ett spänningsfall på någon ledning som används av annan utrustning som sedan skulle kunna utsättas för spänningsfallet. Se till att alla 1-fasbelastningar, stora som små är jämnt balanserade över alla tre faserna.