Обзор трехфазных розеток и особенности их подключения

Если говорить о силовых коммутационных устройствах, которыми являются розетки и вилки, образующие пару, то они явно отличаются от привычной для большинства обывателей 1-фазной точки подключения.

В первую очередь, отличие касается передаваемого напряжения, которое для обычной квартирной розетки поддерживается на уровне 220В. Для ввода в эксплуатацию мощных приборов и оборудования его недостаточно, чтобы обеспечить нормальную работу и вообще возможность запуска. Поэтому используется напряжение в 380В.

Вторым отличием является количество пар соединений. Стандартная 220-вольтовая евро вилка и розетка имеют схему с двумя контактами – фазным и нулевым. В отдельных случаях, если это предусматривает проект электроснабжения, используются точки с дополнительным заземлением в виде диаметрально расположенных прижимных скоб. Силовые трехфазные устройства имеют стандартных 4 игольчатых или ножевых контакта в схеме подключения. Три из них отведено под каждую из трех фаз (L1, L2, L3 или A,B,C), а четвертый – под «ноль» (N). Существует также компоновка на пять пар, с отдельно выделенным нулевым и заземляющим контактом (PE).

Общие сведения о трехфазных розетках

Современная промышленность выпускает два основных вида контактных разъемов. Первый вариант с 4 контактами используется для передачи электроэнергии к нагрузке, подключенной по схеме «треугольник». Это широко распространенная розетка трехфазная с заземляющим контактом, в которой установлены 3 фазных контакта и 1 – заземления. Второй тип разъемов оборудован 5 контактами и подключается по схеме «звезда». В этих устройствах 3 контакта являются фазными, а 2 остальных используются в качестве рабочего нуля и заземления.

С целью обеспечения повышенной защиты от поражения электрическим током используются специальные трехфазные розетки и вилки с 7 контактами. В них каждой фазе соответствует свой рабочий ноль, для чего оказываются задействованными 6 контактов, а 7-й контакт является заземлением. В данной схеме подключения на каждой фазе устанавливается собственное устройство защитного отключения.

Как правило, силовые разъемы используются на линиях, питающих стационарное и переносное оборудование повышенной мощности, используемое в промышленности, строительстве, на транспорте и других областях. Материалом корпусов служит противоударный каучук или пластик на основе полиамидных смол. Он обладает высокой устойчивостью к перепадам температур в пределах от -40 до + 125 градусов, а также к воздействию повышенной влажности и активных веществ. Дополнительная защита от случайных прикосновений, воздействия неблагоприятных внешних условий обеспечивается с помощью герметизирующих откидывающихся крышек или заглушек.

Корпуса трехфазных розеток могут изготавливаться в различных вариантах. Основными модификациями являются монтажные розетки, розетки с заглушкой, наружные, тройные и наклонные розетки с заглушками и без заглушек, а также плоские устройства для электрических щитов.

Трехфазные линии, питающие мощные нагрузки, подключаются к разъемам, способным работать при высоком рабочем напряжении от 440 до 600 В и при токе 30-40 А. Большие нагрузки возникают под действием высокого линейного межфазного напряжения 380 вольт.

Провода и кабели, по которым питание поступает к розетке, также рассчитываются на большие токи и высокое напряжение. Это достигается за счет большой площади сечения и качественной изоляции проводников. Подключение трехфазных розеток может производиться по различным схемам. Данная процедура достаточно сложная и ответственная, поэтому для ее выполнения рекомендуется привлекать только квалифицированных специалистов.

Что показывает вольтметр, или математика розетки

Сегодня я ненадолго отступлю от своей обычной темы о визуальном программировании контроллеров и обращусь к теме измерений напряжения прямо в ней, в розетке!

Родилась эта статья из дискуссий за чаем, когда разразился спор среди «всезнающих и всеведающих» программистов о том, чего многие из них не понимают, а именно: как измеряется напряжение в розетке, что показывает вольтметр переменного напряжения, чем отличается пиковое и действующие значения напряжений.

Скорее всего, это статья будет интересна тем, кто начинает творить свои устройства. Но, возможно, поможет и кому-то опытному освежить память.

В статье рассказано о том, какие напряжения есть в сети переменного тока, как их измеряют и о том, что следует помнить при проектировании электронных схем.
Всему дано краткое и упрощённое математическое обоснование, чтобы было ясно не только «как», но и «почему».

Кому не интересно читать про интегралы, ГОСТы и фазы — могут сразу переходить к заключению.

Вступление

Когда люди начинают говорить о напряжении в розетке, очень часто стереотип «в розетке 220В» скрывает от их взора реальное положение дел.

Начнем с того, что согласно ГОСТ 29322-2014, сетевое напряжение должно составлять 230В±10% при частоте 50±0,2Гц (межфазное напряжение 400В, напряжение фаза-нейтраль 230В). Но в том же ГОСТ имеется примечание: «Однако системы 220/380 В и 240/415 В до сих пор продолжают применять».

Согласитесь, что это уже совсем не то однозначное «в розетке 220В», к которому мы привыкли. А когда речь начинает идти о «фазном», «линейном», «действующем» и «пиковом» напряжениях — вообще каша получается знатная. Так сколько же вольт в розетке?

Чтобы ответить на этот вопрос начнем с того, как измеряется напряжение в сети переменного тока.

Как измерять переменное напряжение?

Прежде, чем углубиться в дебри цепей переменного тока и напряжения, вспомним школьную физику цепей тока постоянного.

Цепи постоянного тока — вещь простая. Если мы возьмем некоторую активную нагрузку (пусть это будет обычная лампа накаливания, как на рисунке) и воткнем ее в цепь постоянного тока, то все, что происходит в нашей цепи будет характеризоваться всего двумя величинами: напряжением на нагрузке U и током, протекающим через нагрузку I. Мощность, которая потребляется нагрузкой однозначно вычисляется по формуле, известной со школы: .

Или, если учесть, что по закону Ома , то мощность P, потребляемую нагрузкой-лампочкой, можно вычислить по формуле .

С переменным напряжением все куда сложнее: в каждый момент времени — оно может иметь разное мгновенное значение. Следовательно, в разные моменты времени, на нагрузке, подключенной к источнику переменного напряжения (например, на лампе накаливания, воткнутой в розетку) будет выделяться разная мощность. Это очень неудобно с точки зрения описания электрической цепи.

Но нам повезло: форма напряжения в розетке синусоидальная. А синусоида, как известно, полностью описывается тремя параметрами: амплитудой, периодом и фазой. В однофазных сетях (а обычная розетка с двумя дырочками именно и есть однофазная сеть) про фазу можно забыть. На рисунке подробно показаны два периода сетевого однофазного напряжения. Того самого, что в розетке.

Рассмотрим, что означают все эти буковки на рисунке.

Период T — это время между двумя соседними минимумами или соседними максимумами синусоиды. Для осветительной сети РФ этот период составляет 20 миллисекунд, что соответствует частоте 50Гц. Частота колебаний напряжения электрической сети выдерживается очень точно, до долей процента.

Очевидно, что в любых двух точках синусоиды, отстоящих друг от друга на целое число периодов, напряжения всегда равны между собой.

Амплитуда Um — это максимальное напряжение, пик синусоиды. Про действующее напряжение Uд поговорим чуть ниже.

Напряжение в розетке (или однофазной сети) описывается формулой

где t — текущий момент времени, Um — амплитуда (или пиковое значение) напряжения, T — период сетевого напряжения.

Если с однофазным переменным напряжением более или менее все ясно, то попробуем посчитать мощность, которая выделяется на нашей любимой лампе накаливания, при втыкании ее прямо в розетку.

Так как лампа накаливания является активной нагрузкой (а это значит, что ее сопротивление не зависит от частоты напряжения и тока), то мгновенная мощность, выделяемая на лампе накаливания, воткнутой в розетку, будет вычисляться по формуле

где t — текущий момент времени, а R — сопротивление лампы накаливания при нагретой спирали. Зная амплитуду переменного напряжения Um, можно записать:

Понятно, что мгновенная мощность — неудобный параметр, да и на практике не особо нужный. Поэтому практически обычно применяется мощность, усредненная за период.
Именно усредненная мощность указана на лампочках, нагревателях и прочих бытовых утюгах.

Рассчитывается усредненная мощность в общем случае по формуле:

А для нашей синусоиды — по гораздо более простой формуле:

Можете сами подставить вместо функцию и взять интеграл, если не верите.

Не думайте, что про мощность я вспомнил просто так, из вредности. Сейчас поймете, зачем она нам была нужна. Переходим к следующему вопросу.

Что же показывает вольтметр?

Для цепей постоянного тока, тут все однозначно — вольтметр показывает единственное напряжение между двумя контактами.

С цепями переменного тока все опять сложнее. Некоторые (и этих некоторых не так мало, как я убедился) считают, что вольтметр показывает пиковое значение напряжения Um, но это не так!

На самом деле, вольтметры обычно показывают действующее или эффективное, оно же среднеквадратичное, напряжение в сети Uд.

Разумеется, речь идет о вольтметрах переменного напряжения! Поэтому, если будете измерять вольтметром напряжение сети, обязательно убедитесь, что он находится в режиме измерения переменного напряжения.

Оговорюсь, что «пиковые вольтметры», показывающие амплитудные значения напряжения, тоже существуют, но на практике при измерении напряжения питающей сети в быту обычно не применяются.

Разберемся, почему такие сложности. Почему бы не измерять просто амплитуду? Зачем выдумали какое-то «действующее значение» напряжения?

А все дело в потребляемой мощности. Я ведь не просто так писал о ней. Дело в том, что действующее (эффективное) значение переменного напряжения равно величине такого постоянного напряжения, которое за время, равное одному периоду этого переменного напряжения, произведет такую же работу, что и рассматриваемое переменное напряжение.

Или, по-простому, лампочка накаливания будет светить одинаково ярко, воткнем ли мы ее в сеть постоянного напряжения 220В или в цепь переменного тока с действующим значением напряжения 220В.

Для тех, кто уже знаком с интегралами или еще не забыл математику, приведу общую формулу расчета действующего напряжения произвольной формы:

Из этой формулы также становится ясно, почему действующее (эффективное) значение переменного напряжения также называют «среднеквадратичным».

Заметим, что подкоренное выражение и есть та самая «усредненная за период мощность», стоит только поделить это выражение на сопротивление нагрузки R.

Применительно к синусоидальной форме напряжения, страшный интеграл после несложных преобразований превратится в простую формулу:

где Uд — действующее или среднеквадратичное значение напряжение (то самое, которое обычно показывает вольтметр), а Um — амплитудное значение.

Действующее напряжение хорошо тем, что для активной нагрузки, расчет усредненной мощности полностью совпадает с расчетом мощности на постоянном токе:

Это и не удивительно, если вспомнить определение действующего значения напряжения, которое было дано чуть выше.

Ну и, наконец, посчитаем, чему же равна амплитуда напряжения в розетке «на 220В«:

В худшем случае, если у вас сеть на 240В, да еще и с допуском +10%, амплитуда будет аж !

Поэтому, если хотите, чтобы ваши устройства, питающиеся от сети, работали стабильно и не сгорали, выбирайте элементы, которые выдерживают пиковые напряжения не менее 400В. Разумеется, речь идет об элементах, на которые непосредственно подаётся сетевое напряжение.

Отмечу, что для не-синусоидальной формы сигнала действующее значение напряжения рассчитывается по иным формулам. Кому интересно — могут сами взять интегралы или обратиться к справочникам. Нас же интересует питающая сеть, а там всегда должна быть синусоида.

Фазы, фазы, фазы…

Помимо обычной однофазной осветительной сети

220В все слышали и о трехфазной сети

380В. Что такое 380В? А это межфазное эффективное напряжение.

Помните, я сказал, что в однофазной сети про фазу синусоиды можно забыть? Так вот, в трехфазной сети этого делать нельзя!

Если говорить по простому, то фаза — это сдвиг во времени одной синусоиды относительно другой. В однофазной сети мы всегда могли принять за начало отсчета любой момент времени — на расчеты это не влияло. В трехфазной сети необходимо учитывать насколько одна синусоида отстоит от другой. В трехфазных сетях переменного тока каждая из фаз отстоит от другой на треть периода или на 120 градусов. Напомню, что период измеряется также в градусах и полный период равен 360 градусов.

Если мы возьмем осциллограф с тремя лучами и прицепимся к трем фазам и одному нулю, то увидим такую картину.

«Синяя» фаза — начинается от нуля отсчета. «Красная» фаза — на треть периода (120 градусов) позже. И, наконец «зеленая» фаза начинается на две трети периода (240 градусов) позже «синей». Все фазы абсолютно симметричны друг относительно друга.

Какую именно фазу брать за точку отсчета — не важно. Картина будет одинаковой.

Математически можно записать уравнения всех трех фаз:

«Синяя» фаза:

«Красная» фаза:

«Зеленая» фаза:

Если измерить напряжение между любой из фаз и нулем в трехфазной сети — то получим обычные 220В (или 230В или 240В — как повезет, см. ГОСТ).

А если измерить напряжение между двумя фазами — то получим 380В (или 400В или 415В — не забываем об этом).

То есть трехфазная сеть — многолика. Ее можно использовать как три однофазные сети с напряжением 220В или как одну трехфазную сеть с напряжением 380В.

Откуда взялось 380В? А вот откуда.

Если мы подставим в формулу расчета действующего напряжения наши данные о двух любых фазах, то получим:

Uдф — действующее межфазное, оно же линейное напряжение.

Учитывая, что амплитуда каждой фазы получим, чтодля межфазного напряжения. На рисунке наглядно показано, как образуется межфазное напряжение, которое обозначено F1-F2 из двух фазных напряжений фаз F1 и F2. Напряжение фаз F1 и F2 измеряется относительно нулевого провода. Линейное напряжение F1-F2 измеряется между двумя разными фазными проводами.

Как видим, что действующее межфазное напряжение больше амплитуды синусоидального напряжения одной фазы.

Амплитуда межфазного напряжения составляет:

Для наихудшего случая (сеть 240В и межфазное напряжение 415В, да еще 10% сверху) амплитуда межфазного напряжения составит:

Учтите это при работе в трехфазных сетях и выбирайте элементы, рассчитанные не менее, чем на 650В, если им предстоит работать между двумя фазами!

Надеюсь, теперь понятно что показывает вольтметр переменного тока?

Заключение

Итак, очень кратко, почти на пальцах, мы ознакомились с тем какие напряжения действуют в бытовых сетях переменного тока. Подведем краткие итоги всего, изложенного выше.

Монтаж розетки

Рассмотрим порядок подключения трехфазных розеток на примере розетки фирмы ABB.

• Сначала разбираем розетку на составляющие элементы, выкрутив пару винтов крепления на передней. Она состоит из основания (базы), крышки, уплотнительного кольца с отверстием 20 мм и механизма розетки, помимо этого, в комплекте имеется резиновый сальник для скрытого подключения проводки из стены или заведения кабелей внутрь без гофры.
• Сперва необходимо зафиксировать в выбранном месте основание. Для чего приставляем базу к стене, выравнивая её по месту посредством уровня. Затем простым карандашом делаем отметки на местах крепежных отверстий. Если стена дерева или гипса, то можно основание можно сразу крепить саморезами. Если стена кирпичная или бетонная, то предварительно перфоратором проделывают отверстия диаметром 6-8 мм, в которые устанавливают дюбеля соответствующего диаметра и уже после крепят основание, вкручивая шурупы.
• Затем подготавливают силовой кабель. Для этого заводят гофру в сальник на 1-2 см, а кабель протягивают еще на 9-10 см внутрь корпуса.
• Далее снимают общую защитную оболочку, оставляя 25-30 мм, и оголяют концы проводов на 10-12 мм. При этом жила защитного заземления делается немного короче других, но изоляции с нее срезается больше.
• После проведённых манипуляций, заводят концы проводов в соответствующие места согласно маркировке и фиксируют с помощью отвертки.
• Следующим шагом, устраивают проверку надежности крепления кабеля и правильности сборки, закрывают крышку и затягивают винты.
• В итоге после несложных действий устройство готово к использованию.

Для чего нужно знать сколько ампер в розетках в квартире

Сила тока измеряется в Амперах (А). Знать этот показатель необходимо, так как розетки различаются по нему.

Стандартные современные розетки рассчитаны на 6, 10 и 16 А. У советских приборов максимальный номинал равен 6,3 А. Для потребителей с повышенной мощностью выбирают соответствующие розетки, у которых повышенная стойкость к большим значениям.

Знание основ электротехники пригодится при поездке в другую страну. У государств могут различаться стандарты частоты и напряжений, и невозможно будет подключить привезенные с собой приборы к местной сети. Каждая розетка имеет маркировку, на которой указана максимальная сила тока.

Новый стандарт сетевого напряжения в Европе

Дальнейшие развитие электротехники и появление новых электроизоляционных материалов привели к повышению указанных значений: сначала в Германии, а затем и во всей Европе был принят стандарт 380 В – для линейного напряжения и 220 В – для фазного (бытового). Сделано это было с целью экономии – при росте напряжения (с сохранением установленной мощности) в цепи снижается сила тока, что позволило использовать проводники с меньшей площадью сечения и сократить потери в кабельных линиях.

Защита от скачков напряжения в квартире

Для того, чтобы предотвратить скачки напряжения в электросети и защитить проводку от перегрузки, нужно соблюдать осторожность в пользовании удлинителями и тройниками. Когда в сети возникает перегрузка, проводка начинает нагреваться и может произойти короткое замыкание, либо возгорание.

Немаловажен так же такой фактор, как сечение проводки (упрощенно – ее толщина), от которой зависит ее выносливость. Поэтому, в идеале, необходимо рассчитывать нагрузку не только на отдельные розетки, но и на всю электросеть квартиры. Тогда будет проще определить общую допустимую мощность электроприборов, ламп и люстр. Такие меры предосторожности особенно полезны в старых домах.

Чтобы не возникало проблем с недостатком розеток, планировать их расположение и количество необходимо заранее. При капитальном ремонте квартир, проводку часто полностью заменяют на новую, с большим сечением. В этом случае допустимо установить евророзетки, сила тока в которых от 10А до 16А, суммарная мощность электроприборов, соответственно может быть намного больше.

Существуют некоторые нормы, по которым в каждой комнате должно быть не менее 2 розеток (по 1 на каждые 4 кв м площади), а на кухне – 4. Но, на сегодняшний день этого количества бывает недостаточно. Чтобы не перегружать имеющиеся розетки, лучше провести дополнительные, с учетом общей допустимой нагрузки на проводку.

Соблюдая простые меры предосторожности, так же, поддерживая проводку в доме в исправном состоянии, можно обезопасить свое жилище от пожара и долго сохранять электроприборы в рабочем состоянии.