Чем трехфазное напряжение отличается от однофазного
Статья адресована начинающим электрикам. Я тоже когда-то был начинающим, и всегда рад поделиться знаниями и поднять профессиональный уровень моих читателей.
Итак, почему в некоторые электрощитки приходит напряжение 380 Вольт, а в некоторые – 220? Почему у одних потребителей напряжение трёхфазное, а у других – однофазное? Было время, я задавался этими вопросами и искал на них ответы. Сейчас расскажу популярно, без формул и диаграмм, которыми изобилуют учебники.
Очень коротко, для тех, кто не будет читать дальше: напряжение 380 В называется линейным и действует в трехфазной сети между любыми из трёх фаз. Напряжение 220 В называется фазным и действует между любой из трёх фаз и нейтралью (нулём).
Другими словами. Если к потребителю подходит одна фаза, то потребитель называется однофазным, и напряжение его питания будет 220 В (фазное). Если говорят о трехфазном напряжении, то всегда идёт речь о напряжении 380 В (линейное). Какая разница? Далее – подробнее.
Чем три фазы отличаются от одной?
В обоих видах питания присутствует рабочий нулевой проводник (НОЛЬ). Про защитное заземление я подробно рассказал здесь, это обширная тема. По отношению к нулю на всех трёх фазах – напряжение 220 Вольт. А вот по отношению этих трёх фаз друг к другу – на них 380 Вольт.
Напряжения в трёхфазной системе
Так получается, потому что напряжения (при активной нагрузке , и ток) на трёх фазных проводах отличаются на треть цикла, т.е. на 120°.
Подробнее можно ознакомиться в учебнике электротехники – про напряжение и ток в трехфазной сети, а также увидеть векторные диаграммы.
Получается, что если у нас есть трехфазное напряжение, то у нас есть три фазных напряжения по 220 В. И однофазных потребителей (а таких – почти 100% в наших жилищах) можно подключать к любой фазе и нулю. Только делать это надо так, чтобы потребление по каждой фазе было примерно одинаковым, иначе возможен перекос фаз.
Подробнее о перекосе фаз, и от чего он бывает – здесь.
А защититься от перекоса фаз лучше всего с помощью реле напряжения, например Барьер или ФиФ ЕвроАвтоматика.
Кроме того, чрезмерно нагруженной фазе будет тяжело и обидно, что другие “отдыхают”)
Преимущества и недостатки
Обе системы питания имеют свои плюсы и минусы, которые меняются местами или становятся несущественными при переходе мощности через порог 10 кВт. Попробую перечислить.
Однофазная сеть 220 В, плюсы
- Простота
- Дешевизна
- Ниже опасное напряжение
Однофазная сеть 220 В, минусы
- Ограниченная мощность потребителя
Трехфазная сеть 380 В, плюсы
- Мощность ограничена только сечением проводов
- Экономия при трехфазном потреблении
- Питание промышленного оборудования
- Возможность переключения однофазной нагрузки на “хорошую” фазу при ухудшении качества или пропадании питания
Трехфазная сеть 380 В, минусы
- Дороже оборудование
- Более опасное напряжение
- Ограничивается максимальная мощность однофазных нагрузок
Когда 380, а когда 220?
Так почему же в квартирах у нас напряжение 220 В, а не 380? Дело в том, что к потребителям мощностью менее 10 кВт, как правило, подключают одну фазу. А это значит, что в дом вводится одна фаза и нейтральный (нулевой) проводник. В 99% квартир и домов именно так и происходит.
Однофазный электрощиток в доме. Правый автомат – вводной, далее – по комнатам. Кто найдёт ошибки на фото? Хотя, этот щиток – одна сплошная ошибка…
Однако, если планируется потреблять мощность более 10 кВт, то лучше – трехфазный ввод. А если имеется оборудование с трехфазным питанием (содержащее трехфазные двигатели), то я категорически рекомендую заводить в дом трехфазный ввод с линейным напряжением 380 В. Это позволит сэкономить на сечении проводов, на безопасности, и на электроэнергии.
Трехфазный ввод. Вводной автомат на 100 А, далее – на счетчик трехфазный прямого включения Меркурий 230.
Не смотря на то, что есть способы включения трехфазной нагрузки в однофазную сеть, такие переделки резко снижают КПД двигателей, и иногда при прочих равных условиях можно за 220 В заплатить в 2 раза больше, чем за 380.
Однофазное напряжение применяется в частном секторе, где потребляемая мощность, как правило, не превышает 10 кВт. При этом на вводе применяют кабель с проводами сечением 4-6 мм². Потребляемый ток ограничивается вводным автоматическим выключателем, номинальный ток защиты которого – не более 40 А.
Про выбор защитного автомата я уже писал здесь. А про выбор сечения провода – здесь. Там же – жаркие обсуждения вопросов.
Но если мощность потребителя – 15 кВт и выше, то тут обязательно нужно использовать трехфазное питание. Даже, если в данном здании нет трехфазных потребителей, например, электродвигателей. В таком случае мощность разделяется по фазам, и на электрооборудование (вводной кабель, коммутация) ложится не такая нагрузка, как если бы ту же мощность брали от одной фазы.
Пример трехфазного электрощитка. Потребители и трехфазные, и однофазные.
Например, если дом питается от одной фазы, и потребляет мощность 15 кВт – это ток около 70А, нужен медный провод сечением не менее 10 мм². Стоить кабель с такими жилами будет существенно. А автоматов на одну фазу (однополюсных) на ток больше 63 А на ДИН-рейку я не встречал.
Кстати, если вас интересует кабель ВВГ-нг-ls, рекомендую обратиться на сайт xcabel.ru. Там вы найдёте самый широкий ряд различных кабелей по оптимальным ценам.
Поэтому в офисах, магазинах, и тем более на предприятиях применяют только трёхфазное питание. И, соответственно, трёхфазные счетчики, которые бывают прямого включения и трансформаторного включения (с трансформаторами тока).
И на вводе (перед счетчиком) стоят примерно такие “ящички”:
Трехфазный ввод. Вводной автомат перед счетчиком.
Существенный минус трехфазного ввода (отмечал его выше) – ограничение по мощности однофазных нагрузок. Например, выделенная мощность трехфазного напряжения – 15 кВт. Это значит, что по каждой фазе – максимум 5 кВт. А это значит, что максимальный ток по каждой фазе – не более 22 А (практически – 25). И надо крутиться, распределяя нагрузку.
Надеюсь, теперь понятно, что такое трехфазное напряжение 380 В и однофазное напряжение 220 В?
Схемы Звезда и Треугольник в трехфазной сети
Существуют различные вариации включения нагрузки с рабочим напряжением 220 и 380 Вольт в трехфазную сеть. Эти схемы называются “Звезда” и “Треугольник”.
Когда нагрузка рассчитана на напряжение 220В, то она включается в трехфазную сеть по схеме “Звезда”, то есть к фазному напряжению. При этом все группы нагрузки распределяются так, чтобы мощности по фазам были примерно одинаковы. Нули всех групп соединены вместе и подключены к нейтральному проводу трехфазного ввода.
В “Звезду” подключены все наши квартиры и дома с однофазным вводом, другой пример – подключение ТЭНов в мощных калориферах и конвектоматах.
Когда нагрузка на напряжение 380В, то она включается по схеме “Треугольник”, то есть к линейному напряжению. Такое распределение по фазам наиболее типично для электродвигателей и другой нагрузки, где все три части нагрузки принадлежат к единому устройству.
Система распределения электроэнергии
Исходно напряжение всегда является трехфазным. Под “исходно” я подразумеваю генератор на электростанции (тепловой, газовой, атомной), с которого напряжение в много тысяч вольт поступает на понижающие трансформаторы, которые образуют несколько ступеней напряжения. Последний трансформатор понижает напряжение до уровня 0,4 кВ и подаёт его конечным потребителям – нам с вами, в квартирные дома и в частный жилой сектор.
На крупных предприятиях с потреблением мощности более 100 кВт обычно существуют собственные подстанции 10/0,4 кВ.
Трехфазное питание – ступени от генератора до потребителя
На рисунке упрощенно показано, как с генератора G напряжение (везде речь идёт про трехфазное) 110 кВ (может быть 220 кВ, 330 кВ или другое) поступает на первую трансформаторную подстанцию ТП1, которая понижает напряжение в первый раз до 10 кВ. Одна такая ТП устанавливается для питания города или района и может иметь мощность порядка от единиц до сотен мегаватт (МВт).
Далее напряжение поступает на трансформатор ТП2 второй ступени, на выходе которого действует напряжение конечного потребителя 0,4 кВ (380В). Мощность трансформаторов ТП2 – от сотен до тысяч кВт. С ТП2 напряжение поступает к нам – на несколько многоквартирных домов, на частный сектор, и т.п.
Такие ступени преобразования уровня напряжения необходимы для того, чтобы уменьшить потери при транспортировке электроэнергии. Подробнее о потерях в кабельных линиях – в другой моей статье.
Схема упрощённая, ступеней может быть несколько, напряжения и мощности могут быть другие, но суть от этого не меняется. Только конечное напряжение потребителей одно – 380 В.
Напоследок – ещё несколько фото с комментариями.
Электрощит с трехфазным вводом, но все потребители – однофазные.
Трехфазный ввод. Переход на меньшее сечение проводов, чтобы подключить их к счетчику.
Виды подключений
В настоящее время типы подключений различаются по количеству фаз: одна, две или три. Отсюда и названия типов подключений:
однофазное;
двухфазное;
трехфазное.
Однофазное подключение предусматривает самый простой способ подключить нагреватель к источнику питания: на один из двух проводов, идущих от сердечника нагревателя, подается фаза, на другой провод – нейтраль или, как принято говорить, «ноль» (рис. 1).
Рисунок 1. Однофазное подключение.
Однофазный тип подключения широко применяется в типичной электросети, где напряжение составляет 220 – 240 Вольт, и в других сетях, которые имеют такие значения напряжения: 12, 24, 36, 48, 60 и 110 Вольт.
На рисунке 2 показана схема подключения к однофазному источнику питания.
Рисунок 2. Схема однофазного подключения.
В силу того, что нагреватель не предполагает наличие собственной полярности, фаза может подаваться на любой из проводов. Данный факт относится к преимуществам использования такого типа подключения: простота и универсальность.
Двухфазное подключение также используется с помощью двух проводов, идущих от нагревателя. Однако там, где в однофазном подключении подается «ноль», в двухфазном подается вторая фаза (рис. 3). Таким образом , данный вид подключения не предусматривает наличие нейтрали.
Рисунок 3. Двухфазное подключение.
Двухфазное подключение используется в энергосетях, напряжение которых варьируется в пределах 380 – 400 Вольт.
На рисунке 4 показана схема подключения к двухфазному источнику питания. Как было сказано раннее, визуальных и конструктивных изменений, по сравнению с однофазным типом, данный тип подключения не имеет.
Рисунок 4. Схема двухфазного подключения.
Преимуществом такого типа подключения является возможность получить больше мощности от нагревательного элемента. Повышение мощности оказывает негативное влияние на надежность и ресурс нагревателя – это является единственным недостатком использования двухфазного подключения
Трехфазное подключение может быть реализовано двумя способами. На рисунке 5 показаны две схемы исполнения трехфазного подключения: звезда и треугольник.
Рисунок 5. Схемы исполнения трехфазного подключения.
Разница между этими схемами заключается только лишь в отличительном напряжении питания, которое будет подаваться нагревателю: либо фазные 220 вольт, либо линейные 380 вольт к источнику питания. Фазы будут иметь одинаковый ток, какой бы не была выбрана схема.
Трехфазное подключение по схеме звезда показано на рисунке 6.
Рисунок 6. Трехфазное подключение по схеме звезда.
Подключение по схеме звезда предусматривает наличие нулевого провода, который для визуальной разницы имеет синий цвет. Существует возможность не использовать нулевой провод, если его наличие в схеме не было предусмотрено клиентом. Однако, мы настоятельно не рекомендуем использовать подключение по схеме звезда без использования нулевого контакта.
На рисунке 7 представлен принцип подключения по схеме звезда.
Рисунок 7. Принцип подключения по схеме звезда.
Если нагреватель имеет вместо проводов для подключения контакты, то производитель отмечает нулевые контакты синим цветом так, как это показано на рисунке 8, 9.
Рисунок 8. Подключение по схеме звезда без проводов в нагревателе.
Рисунок 9. Подключение сухого ТЭНа по схеме звезда.
Преимуществом схемы звезда трехфазного подключения является повышение надежности и срока службы используемого нагревателя. Данный факт объясняется использованием фазного напряжения, которое составляет 220 -240 вольт, а также использованием резистора в цепи с более высокими показателями сечения. Недостатком такой схемы является обратная сторона преимущества – при использовании фазного напряжения показатели мощности не так велики, как при использовании другой схемы подключения – треугольной.
Трехфазное подключение по схеме треугольник показано на рисунке 10.
Рисунок 10. Трехфазное подключение по схеме треугольник.
Подключение по схеме треугольник используется при работе с линейным напряжением порядка 380 вольт. Поэтому каждый участок цепи нагревателя получает две фазы, чем отличается от подключения по схеме звезда, где на каждый участок цепи приходится лишь одна фаза.
Треугольное подключение, которое принято считать классическим, имеет 3 провода, на которые подается три фазы. Наличие нулевого провода данная схема подключения не предусматривает. На рисунке 11 и 12 показаны принципы подключения нагревателя и сухого ТЭНа по схеме треугольник.
Рисунок 11. Принцип подключения по схеме треугольник.
Рисунок 12. Подключение сухого ТЭНа по схеме треугольник.
Преимуществом такой схемы подключения является более высокие значения мощности, по сравнению со схемой звезда, а также более удобное подключение без использования лишних проводов. Недостатком такой схемы является лишь недостаток использования высокого напряжения, которое снижет ресурс нагревателя.
Заземление предназначено для предотвращения несчастных случаев на производстве, а зануление предназначено для выравнивания потенциалов в цепи – не стоит данные понятия считать синонимами.
Оборудование должно быть изначально заземлено, что требует техника безопасности, тем ниже риск несчастного случая (рис. 13). Исключениями являются нагреватели без металлического корпуса, которые не нуждаются в заземлении.
Рисунок 13. Влияние заземления на безопасность человека.
На рисунке 14 — 16 показаны различные схемы подключения с использование заземляющего провода.
Для чего нужна цветовая маркировка проводов
Проводка
На сегодняшний день представить себе монтаж электропроводки в квартире или частном доме проводами без цветной изоляции просто невозможно. Цветовая маркировка провода – это не погоня за модой и не маркетинговый ход производителя, желающего заманить потенциального покупателя своей красочной электротехнической продукцией.
Различие проводов электропроводки по цвету — это острая необходимость. Во-первых, по цветовой гамме мы сможем определить назначение каждого проводника, находящегося в той или иной группе проводов. Во-вторых, многократно снижается вероятность ошибиться в ходе подключения и соединения электрических проводов, а это спасет электропроводку от короткого замыкания и поражения человека электрическим током. 
Цвет изоляции проводов выбирается не произвольно. Существует единый стандарт расцветки, четко прописанный в ПУЭ (правила устройства электроустановок). Там сказано, что все жилы проводов и кабелей нужно идентифицировать по цветовым или буквенно-цифровым обозначениям.
С принятием единого стандарта цветового обозначения электрических проводников значительно облегчился их монтаж. Каждая жила, имеет определенное назначение и обозначается уникальным цветом: черным, белым, желто — зеленым, синим и т. д.
Чаще всего изоляция электрического провода окрашивается в цветовую гамму по всей своей длине. Но также допускается применение цветных термоусадочных трубок (кембриков) или цветной изоленты на концах жил и в точках соединений.
Рассмотрим, какая цветовая маркировка проводов используется в сетях однофазного, трехфазного и постоянного тока.
Цвета проводов в однофазной электропроводке
В электрических сетях переменного тока применяются многожильные провода с различного цвета изоляцией, что существенно облегчает монтажные работы и исключает ошибки в соединениях.
Узнаем, какую расцветку имеют проводники в электроустановках переменного тока напряжением до 1000В и с глухозаземленной нейтралью (большинство административных зданий и все жилые дома).
Цвет нулевого защитного и нулевого рабочего проводников
Нулевой рабочий проводник (N) всегда должен иметь голубой цвет. Нулевой защитный проводник (РЕ) -окрашивается в желто-зеленые продольные или поперечные полосы. Провода с данной комбинацией цветов должны применяться только по своему назначению!
Совмещенный нулевой рабочий и нулевой защитный (PEN) провод имеет синий цвет по всей длине проводника с желто-зелеными полосами на концах. ГОСТ допускает и противоположный вариант – желто-зеленые полосы по всей длине с синим цветом на концах. 
Итак, нулевые провода по цвету:
• нулевой рабочий (N) – голубой цвет;
• нулевой защитный (PE) – желто-зеленый цвет;
• совмещенный (PEN) — желто-зеленый на концах голубые метки (или наоборот).
Цвет фазных проводов
Фазные провода в электропроводке, согласно рекомендации ПУЭ, должны иметь вот такие цвета: черный, коричневый, красный, серый, фиолетовый, розовый, белый, оранжевый и бирюзовый.
Мы знаем, что однофазная электрическая проводка создается путем ответвления от трехфазной. При этом, фазный провод однофазной цепи по цвету должен обязательно совпадать с фазным проводником трехфазной, с которым он соединяется.
Цвета фазных проводников ни в коем случае не должны совпадать с цветами нулевых и заземляющих проводников (N, РЕ, РЕN).
При использовании многожильного провода (кабеля) с одноцветной маркировкой, цветных метки ставят на концах проводов (после прозвонки). Для этого используется цветная термоусадочная трубка (кембрик) или цветная изолента.
Цвет проводников в переменной трехфазной сети
В трехфазных сетях шины и высоковольтные ввода трансформаторов на электрических станциях и подстанциях должны иметь следующую окраску: фаза «А» — желтый цвет, фаза «В» — зеленый, фаза «С» — красный. 
Цвет проводов в сети постоянного тока (+ и -)
Как мы знаем, в цепи постоянного тока используется только два провода. Здесь нет фазного или нулевого проводника, а есть только положительный (+) и отрицательный (-) провод. 
По нормативам электрические проводники положительного заряда (+) окрашиваются в красный цвет, а проводники отрицательного заряда (-) в синий. Средний проводник (М) обозначается голубым цветом.
