Spenningsusymmetri (§ 3-6)

Spenningsusymmetri oppstår når linjespenningenes effektivverdier (grunnharmonisk komponent) eller fasevinklene mellom etterfølgende linjespenninger i et flerfaset system, ikke er helt like. Spenningsusymmetri er definert i § 1-4 Definisjoner, punkt nr. 39.

I et symmetrisk trefasesystem er de tre fasespenningene innbyrdes 120° faseforskjøvet, og har samme effektivverdi og maksimalverdi, se figur 1.

Usymmetri i de tre fasespenningene defineres som en tilstand hvor fasespenningenes effektivverdier, eller tidsforskyvningen mellom de tre fasespenningene i et trefasesystem, ikke er like. I figur 2 er det gitt et eksempel der fase L3 har 150 V effektivverdi og er -30 grader faseforskjøvet i forhold til symmetriske forhold. Fase L1 og L2 har effektivverdi på 230 V.

Et usymmetrisk kraftsystem kan beskrives som summen av et positivt system, et negativt system og et nullsystem, som hver har symmetriske egenskaper. I det positive systemet er fasespenningene innbyrdes 120° faseforskjøvet og roterer med en positiv faserekkefølge. I det negative systemet er fasespenningene også innbyrdes 120° faseforskjøvet, men systemet roterer med en negativ faserekkefølge. I nullsystemet er fasespenningene i fase med hverandre. Strømmer som flyter i nullsystemet, vil summeres i systemets stjernepunkt og returnere gjennom systemets nullimpedans. Dersom de tre fasene i et kraftsystem er koblet sammen i trekant (delta-vikling), vil strømmer som flyter i nullsystemet, sirkulere i trekantviklingen.

Grad av usymmetri beregnes ved forholdet mellom spenningens negative og positive sekvenskomponent, og kan uttrykkes ved (i henhold til § 1-4 Definisjoner, nr. 39):

der U_- er spenningens negative sekvenskomponent og U₊ er spenningens positive sekvenskomponent. β er definert ved

U_ij representerer linjespenningens grunnharmoniske komponent mellom de nummererte fasene.

Det er to vanlige årsaker til at last kan føre til spenningsusymmetri: stor last på en av fasene eller skjev fordeling av last mellom fasene. Usymmetri kan også oppstå ved manglende revolvering av lange kraftledninger (gjelder høyere spenningsnivå). Ledninger som henger ved siden av hverandre har ulik innbyrdes avstand og dermed ulik innbyrdes kapasitiv og induktiv kobling, men alle har samme avstand til jord og dermed samme kapasitiv og induktiv kobling mot jord.

Ledninger som henger i trekantformasjon har samme innbyrdes avstand og derfor samme innbyrdes induktiv og kapasitiv kobling, men ulik avstand til jord og derfor ikke samme induktiv og kapasitiv kobling mot jord.

For å utjevne ulike innbyrdes avstander, eller ulike avstander til jord, kan ledningen revolveres, det vil si at fasene skifter plass ved mastepunkene, slik at både de innbyrdes avstandene og avstandene mot jord i gjennomsnitt blir konstant over noen kilometer.

Usymmetri kan også oppstå som følge av jordslutninger, tofase kortslutninger og fasebrudd. Sistnevnte årsak vil normalt ikke være et problem fordi feiltilfellene vil føre til hurtig utkobling av anleggsdelen med feil, med unntak av jordfeil og fasebrudd i kompenserte og isolerte nettsystemer. Fasebrudd kan føre til fare for mennesker og alvorlige feil dersom utkobling ikke skjer.

Usymmetriske fasespenninger kan medføre økt spenningsfall og strømbelastning i faser, og dermed økte tap. Usymmetri kan også medføre økt tap, temperaturstigning, nedsatt ytelse og nedsatt levetid på motorer og generatorer, og i ytterste konsekvens havari. Kraftelektronisk utstyr kan også få redusert kvalitet som følge av usymmetri.

Det er størrelsen på fasespenningene i det negative systemet som er problematisk for motorer og generatorer, fordi disse fører til at det settes opp et magnetfelt som roterer i motsatt retning i forhold til hovedfeltet i maskinene. En gitt usymmetri i spenningen vil ofte medføre 5–10 ganger større usymmetri i strømmen som flyter i maskinens viklinger. En liten usymmetri i spenningen kan dermed medføre store økninger i elektriske tap og temperaturstigninger i maskinen. Usymmetri i påtrykte fasespenninger vil for en gitt maskin medføre en drastisk reduksjon i mengde belastning maskinen tåler. En usymmetri i spenningen på 15 % kan være så stor at maskinen ikke kan drive noen belastning uten at det vil føre til for høy temperatur i motoren [1]. I internasjonale og nasjonale rapporter og standarder er det derfor forholdet mellom spenningens negative og positive sekvenskomponent som omhandles vedrørende usymmetri.

Usymmetriske spenninger som oppstår i anlegg med høyere spenningsnivåer vil, hvis underliggende nett er symmetrisk, transformere seg til underliggende anlegg. Usymmetri som oppstår i underliggende anlegg, og som gjelder samme fase som overliggende usymmetri, vil da legges til denne. Usymmetri som oppstår i anlegg med høyere spenningsnivå, vil imidlertid dels kunne utjevnes i underliggende anlegg dersom det oppstår usymmetri i dette anlegget i en annen fase.