Сплит -фазная или однофазная трехпроводная система — это тип однофазного распределения электроэнергии . Это эквивалент переменного тока (AC) оригинальной трехпроводной системы постоянного тока Edison Machine Works . Ее основное преимущество заключается в том, что при заданной мощности распределительной системы она экономит материал проводника по сравнению с однофазной системой с одним выводом. [1]
Система распространена в Северной Америке для жилых и легких коммерческих помещений. В помещения подаются две линии переменного тока 120 В , которые сдвинуты по фазе на 180 градусов друг относительно друга (когда обе измеряются относительно нейтрали), вместе с общей нейтралью. Нейтральный проводник подключается к заземлению на центральном отводе трансформатора. Цепи для освещения и розеток для небольших бытовых приборов используют цепи 120 В , подключенные между одной линией и нейтралью. Высокопотребляющие устройства, такие как духовки, часто питаются от цепей переменного тока 240 В — они подключаются между двумя линиями переменного тока 120 В. Эти нагрузки 240 В либо жестко подключены, либо используют розетки, которые намеренно не взаимозаменяемы с розетками 120 В.
Другие применения системы питания с расщепленной фазой используются для снижения опасности поражения электрическим током или для снижения электромагнитного шума.
Трансформатор , питающий трехпроводную распределительную систему, имеет однофазную входную (первичную) обмотку. Выходная (вторичная) обмотка имеет центральный отвод, подключенный к заземленной нейтрали . Как показано на рис. 1 , любой конец к центру имеет половину напряжения от конца к концу. Рис. 2 иллюстрирует векторную диаграмму выходных напряжений для трансформатора с расщепленной фазой. Поскольку два вектора не определяют уникального направления вращения для вращающегося магнитного поля , расщепленная однофазная система не является двухфазной.
В Соединенных Штатах и Канаде эта практика возникла вместе с системой распределения постоянного тока, разработанной Томасом Эдисоном . Благодаря последовательному соединению пар ламп или групп ламп в одной цепи и удвоению напряжения питания размер проводников был существенно уменьшен. Подключение точки соединения каждой параллельной ветви двух последовательных ламп к общей нейтрали, возвращенной к центральному отводу напряжения питания, стабилизировало напряжения в ответвленной цепи от изменений при включении и выключении нагрузок. Нейтральный проводник переносил только дисбаланс тока, протекающего от одной группы нагрузок к другой.
Напряжение между линией и нейтралью составляет половину напряжения между линией и нейтралью. Освещение и небольшие приборы могут быть подключены между линейным проводом и нейтралью. Более мощные приборы, такие как кухонное оборудование, отопление помещений, водонагреватели, сушилки для одежды, кондиционеры и зарядное оборудование для электромобилей, подключаются к двум линейным проводникам. Это означает, что для подачи того же количества мощности ток уменьшается вдвое. Можно использовать проводники меньшего размера, чем потребовалось бы, если бы приборы были спроектированы для питания от более низкого напряжения. [2]
Если бы нагрузка была гарантированно сбалансирована (одинаковый ток, потребляемый от каждой линии), то нейтральный проводник не проводил бы никакого тока, и система была бы эквивалентна односторонней системе с удвоенным напряжением, где линейные провода потребляют половину тока. Это вообще не потребовало бы нейтрального проводника, но было бы непрактично для изменяющихся нагрузок; простое последовательное соединение групп привело бы к чрезмерному изменению напряжения и яркости при включении и выключении ламп.
Подключив две группы ламп к нейтрали, промежуточной по потенциалу между двумя токоведущими ветвями, любой дисбаланс нагрузки будет подаваться током в нейтрали, давая практически постоянное напряжение на обеих группах. Общий ток, протекающий по всем трем проводам (включая нейтраль), всегда будет вдвое больше тока питания наиболее нагруженной половины.
Для коротких участков проводки, ограниченных допустимой нагрузкой по току проводника , это позволяет заменить два полноразмерных проводника тремя половинными проводниками, используя 75% меди эквивалентной однофазной системы.
Длинные проводные линии ограничены допустимым пределом падения напряжения в проводниках. Поскольку напряжение питания удваивается, сбалансированная нагрузка может выдерживать двойное падение напряжения, что позволяет использовать проводники размером в четверть; это использует 3/8 меди эквивалентной однофазной системы.
На практике выбирается некое промежуточное значение. Например, если дисбаланс ограничен 25% от общей нагрузки (половина от половины), а не абсолютным худшим случаем в 50%, то проводники размером 3/8 от однофазного размера будут гарантировать такое же максимальное падение напряжения, в сумме составляющее 9/8 одного однофазного проводника, 56% меди двух однофазных проводников.
В так называемой сбалансированной системе питания , иногда называемой «технической мощностью», изолирующий трансформатор с центральным отводом используется для создания отдельного питания с проводниками со сбалансированным напряжением относительно земли. Цель сбалансированной системы питания — минимизировать шум, наводимый на чувствительное оборудование от источника питания.
В отличие от трехпроводной системы распределения заземленная нейтраль не распределяется по нагрузкам, используются только линейные соединения на 120 В. Сбалансированная система питания используется только для специализированного распределения в студиях аудио- и видеопроизводства, звукового и телевизионного вещания, а также для установки чувствительных научных приборов.
В Национальном электротехническом кодексе США предусмотрены правила для технических установок электропитания. [3] Системы не должны использоваться для освещения общего назначения или другого оборудования и могут использовать специальные розетки, чтобы гарантировать, что к системе подключено только одобренное оборудование. Кроме того, технические системы электропитания уделяют особое внимание способу заземления распределительной системы.
Риск использования сбалансированной системы питания в установке, которая также использует "обычную" мощность в тех же помещениях, заключается в том, что пользователь может непреднамеренно соединить системы питания вместе через промежуточную систему аудио- или видеооборудования, элементы которого могут быть подключены к разным системам питания. Вероятность этого может быть снижена за счет соответствующей маркировки сбалансированных розеток питания и использования типа розетки питания для сбалансированной системы, которая физически отличается от "обычной" системы питания, чтобы еще больше их различать.
В Европе чаще всего используется трехфазное напряжение 230/400 В. Однако трехпроводные двухфазные системы электропитания 130/225 В, называемые B1, используются для работы старых установок в небольших группах домов, когда используются только два трехфазных высоковольтных проводника . Сдвиг фаз в Европе составляет 120°, как и в случае с трехфазным током. Вот почему мы рассчитываем 130 В * √3 = 225 В. Затем используется трехфазный конечный понижающий трансформатор. Один дом получает фазы A и B, следующий дом получает фазы B и C, третий дом получает фазы A и C. Некоторые установки, такие как фермы (особенно те, которые никогда впоследствии не были модернизированы до трехфазного) могут снабжаться обеими фазами для одного и того же потребителя. Хотя обычно измеряется через две выбранные фазы типичного трехфазного счетчика, эти две фазы будут использоваться только по отдельности, а не, как в США, для обеспечения более высокого напряжения. Тем не менее, они помогают в ситуациях, когда один источник не может обеспечить достаточно мощности для установки.
В Соединенном Королевстве электроинструменты и переносное освещение на крупных строительных площадках и площадках для сноса регулируются стандартом BS 7375 и, где это возможно, рекомендуется питать их от системы с центральным отводом, где между токоведущими проводниками и землей всего 55 В (так называемый CTE или заземление с центральным отводом , или 55–0–55). Эта пониженная система низкого напряжения используется с оборудованием на 110 В. Нейтральный провод не распределяется. В местах с высокой опасностью может использоваться дополнительная двухполюсная защита RCD . Цель состоит в том, чтобы снизить опасность поражения электрическим током, которая может существовать при использовании электрооборудования на мокрой или открытой строительной площадке, и устранить необходимость быстрого автоматического отключения для предотвращения поражения электрическим током во время неисправностей. Переносные трансформаторы, которые преобразуют однофазное напряжение 240 В в эту систему с расщепленной фазой 110 В, являются обычным элементом строительного оборудования. Генераторные установки, используемые на строительных площадках, оборудованы для его непосредственного питания. Однако крупной ферме может быть предоставлена поставка 230–0–230 (номинальная).
Дополнительным преимуществом является то, что нити накаливания ламп на 110 В, используемых в таких системах, толще и, следовательно, механически более прочны, чем нити ламп на 240 В.
Эта трехпроводная однофазная система распространена в Северной Америке для жилых и легких коммерческих помещений. Панели автоматических выключателей обычно имеют два провода под напряжением (горячих) и нейтраль, подключенную в одной точке к заземленному центральному отводу местного трансформатора. Обычно один из проводов под напряжением черный, а другой красный; нейтральный провод всегда белый. Однополюсные автоматические выключатели питают цепи 120 В от одной из шин 120 В внутри панели, или двухполюсные автоматические выключатели питают цепи 240 В от обеих шин. Цепи 120 В являются наиболее распространенными и используются для питания розеток NEMA 1 и NEMA 5 , а также большинства жилых и легких коммерческих цепей прямого подключения освещения. Цепи 240 В используются для приложений с высоким спросом, таких как кондиционеры , обогреватели , электроплиты , электрические сушилки для одежды , водонагреватели и точки зарядки электромобилей . В них используются розетки NEMA 10 или NEMA 14 , которые не подходят для вилок на 120 В.
Правила электропроводки регламентируют применение цепей с разделенной фазой, чтобы общая нейтраль могла быть защищена от избыточного тока. Нейтральный провод может быть общим только для двух цепей, питаемых от противоположных линий системы питания, с использованием автоматических выключателей, соединенных шиной так, чтобы оба срабатывали одновременно ( [4] NEC 210.4); это предотвращает подачу 120 В на цепи 240 В.
В системе электроснабжения железных дорог Швеции на некоторых железных дорогах также используется расщепленная фаза электроэнергии. Средний отвод заземлен, и один полюс подается на участок контактного провода, а другой провод используется для другого участка.
Распределение расщепленной фазы используется в системе тягового питания Amtrak 60 Гц в Северо-восточном коридоре между Нью-Йорком и Бостоном. Два отдельных провода проложены вдоль пути, контактный провод для локомотива и электрически отдельный питающий провод. Каждый провод питается 25 кВ относительно земли, с 50 кВ между ними. Автотрансформаторы вдоль пути уравновешивают нагрузки между контактными и питающими проводами, уменьшая резистивные потери.