Sieci trójfazowe jednofazowe

W rolnictwie energia elektryczna jest rozprowadzana w sieciach trójfazowych o napięciu z reguły 10 kV z transformatorowymi punktami odbiorczymi. Ten system dystrybucji został przyjęty bez znaczących zmian w stosunku do praktyki użyteczności publicznej w zakresie dostarczania energii elektrycznej do małych miast i przedmieść z niską zabudową. Jednak w warunkach wiejskich gęstość obciążenia elektrycznego jest znacznie mniejsza niż w miastach, dlatego nowoczesny system dystrybucji energii elektrycznej prowadzi w wielu przypadkach do znacznych nadmiernych wydatków na metal drutów.

Jego poważną wadą są ciężkie sieci o napięciu 380 V. Ze względu na stosunkowo dużą moc stacji transformatorowych (średnio 63 — 100 kVA), każdy transformator obsługuje znaczny obszar, co wymaga zastosowania przewodów o dużym przekroju -przekrój w sieciach o napięciu 380 V. W rezultacie drut metalowy jest zwykle zużywany w 2 — 3 razy więcej niż w sieciach 10 kV.

Zużycie przewodów w sieciach niskiego napięcia można zmniejszyć, zwiększając liczbę stacji transformatorowych i zmniejszając ich średnią moc oraz promień działania. Jednak trójfazowa stacja transformatorowa jest stosunkowo kosztowną konstrukcją, której koszt nieznacznie spada wraz ze spadkiem mocy zainstalowanego transformatora. Dlatego obniżenie średniej mocy stacji transformatorowej poniżej 40 lub 63 kVA w sieciach trójfazowych prowadzi do nadmiernego wzrostu kosztów całkowitych stacji transformatorowych. Dlatego ten sposób zmniejszenia zużycia przewodów w sieciach niskiego napięcia nie zawsze jest ekonomiczny.

Z drugiej strony, w trójfazowej dystrybucji energii często konieczne jest zasilenie małych odbiorców trzema przewodami sieci 10 kV. W takim przypadku przekroje drutów są pobierane powyżej niezbędnych, w zależności od warunków utrata napięcia, ponieważ są one wybrane jako minimalne dopuszczalne pod względem wytrzymałości mechanicznej. W rezultacie nadmiar metalu jest zużywany w sieci wysokiego napięcia.

Aby przezwyciężyć wady istniejącego systemu dystrybucji energii, mieszany trójfazowy jednofazowy system dystrybucji.

Istota mieszanego systemu dystrybucji energii jest następująca.

1. Stosowane są mieszane trójfazowe linie jednofazowe o napięciu 10 kV, gdzie główne linie są trójfazowe i wszyscy duzi, w tym energetyczni, są do nich podłączeni. Drobni odbiorcy, głównie oświetlenie i odbiorniki bytowe, są zaopatrywani w jednofazowe linie odgałęźne 10 kV.

2. Jednofazowe stacje transformatorowe małej mocy służą do zasilania odbiorców jednofazowych.

Przybliżony schemat sieci ze stacjami transformatorowymi wykonanymi według mieszanego trójfazowego układu jednofazowego przedstawiono na rysunku 1.

Ryż. 1. Przykład schematu mieszanej trójfazowej sieci jednofazowej

Jak widać na tym wykresie, duzi użytkownicy z większością Obciążenie mają zasilanie trójfazowe, a mali odbiorcy, głównie budynki mieszkalne, zasilani są z jednofazowych stacji transformatorowych. Transformatory jednofazowe obejmuje napięcie międzyfazowe.

Obliczenia porównawcze pokazują, że zastosowanie układu mieszanego może zmniejszyć zużycie metalu w przewodach wysokiego i niskiego napięcia o 25 - 35% w porównaniu z konwencjonalnym układem trójfazowym. Początkowy koszt sieci przy istniejących cenach i rodzajach sprzętu można obniżyć stosując system mieszany do zaledwie 5-10%.

W sieci wysokiego napięcia wykonanej w układzie mieszanym transformatory jednofazowe łączone są w trójkąt dla napięcia sieci 6 lub 10 kV, jak pokazano na rysunku 1.

Udowodniono, że w nierównomiernie obciążonej sieci trójfazowej suma liniowych strat napięciowych przy tych obciążeniach pozostaje niezmieniona niezależnie od rozkładu obciążeń między fazami, tj. duab + dubc + duca = const.

W praktyce do sieci zawsze podłączona jest znacząca liczba odbiorników jednofazowych. Obciążenia te można rozłożyć w taki sposób, aby straty napięcia międzyfazowego w punktach końcowych były w przybliżeniu sobie równe: dUab ≈ dUbc ≈ dUca

W tym przypadku wydajność linii obciążonej nierównomiernie jest taka sama jak w przypadku linii trójfazowej obciążonej równomiernie o tych samych parametrach. We wszystkich innych przypadkach wydajność jest niższa.

Oczywiście projektując sieć dla układu mieszanego należy, poprzez odpowiedni rozkład obciążeń, osiągnąć warunek równości międzyfazowych strat napięciowych. W tym przypadku straty napięciowe w linii trójfazowej są określone wzorami dla obciążenia symetrycznego i mają najmniejszą możliwą wartość. Obliczenia w tym przypadku są znacznie uproszczone.

Jednofazowe gałęzie z sieci 10 kV mają 2-6 razy mniejszą przepustowość niż trójfazowe gałęzie o takim samym przekroju. Jednak w przypadku stacji transformatorowych małej mocy bardzo często przekrój przewodów odgałęźnych jest określony minimalnym dopuszczalnym ze względów mechanicznych. W tym przypadku są jednofazowe, gałęzie mają dwa druty o tym samym przekroju zamiast trzech, a oszczędność drutu metalowego wynosi 33%.

Jednofazowa sieć niskiego napięcia zgodnie z systemem mieszanym jest trójprzewodowa ze średnim przewodem. Napięcie między przewodem środkowym i końcowym wynosi 220 V (rys. 2), a między przewodami końcowymi 440 V. Przewód środkowy uziemia się tak samo jak przewód neutralny w sieci 380 V z uziemionym przewodem neutralnym, a metalowe części sprzętu są również do niego podłączone. Oświetlenie jest włączane między przewodami środkowym i zewnętrznym, a zasilanie między przewodami zewnętrznymi. Małe transformatory 2 kVA mają dwa wyjścia niskonapięciowe — 220 lub 127 V.

Jednofazowe stacje transformatorowe są realizowane zgodnie ze schematem ideowym pokazanym na rysunku 2.

Ryż. 2. Schemat jednofazowej stacji transformatorowej

Transformatory zawieszone są na prostym wsporniku sieci pośredniej 10 kV.Są one podłączone do sieci wysokiego napięcia poprzez rozłącznik zainstalowany na sąsiednim wsporniku. Transformatory są zabezpieczone przed zwarciem bezpiecznikami wysokonapięciowymi.

Po stronie niskiego napięcia w małej skrzynce zamontowano wyłącznik i bezpieczniki.

Linie na napięcie do 1 kV o układzie mieszanym wykonywane są jak w sieciach konwencjonalnych. Jeśli trasy się pokrywają, zaleca się zawieszenie ich na tych samych wspornikach z liniami wysokiego napięcia.

W większości przypadków układów mieszanych stosuje się zazwyczaj trójfazowe silniki indukcyjne zasilane z sieci trójfazowej. Silniki elektryczne jednofazowe małej mocy są stosowane w miejscach, gdzie dostępna jest tylko energia jednofazowa, np. silnik wentylatora na przenośnym palenisku w młynie polowym, silnik pompy na węźle kolejowym itp. Zazwyczaj moc takich silników wynosi 1 — 2 kW, a rzadko 3 — 4 kW.

W sieciach jednofazowych najlepiej stosować specjalne asynchroniczne silniki elektryczne z kondensatorami rozruchowymi. W przypadku braku specjalnych silników można zastosować standardowe trójfazowe silniki elektryczne o napięciu 380/220 V z urządzeniami rozruchowymi w postaci kondensatorów lub nawet aktywnych rezystancji.

Moment rozruchowy silnika z aktywną rezystancją rozruchową przy napięciu 440 V wynosi około 0,4 znamionowego momentu obrotowego silnika w trybie trójfazowym, co odpowiada 0,65-1,0 znamionowego momentu obrotowego w trybie jednofazowym.

Jeżeli dla pracującej maszyny moment rozruchowy powinien być większy niż 0,5 Mn, wybiera się silnik o większej mocy lub podłącza się go zgodnie z obwodem mocy.Gdy moc rozruchowa jest włączona, moment obrotowy silnika jest w przybliżeniu równy momentowi znamionowemu w trybie trójfazowym.

Przy zasilaniu z transformatora 10 kVA można uruchamiać silniki o mocy znamionowej w trybie trójfazowym do 4,5 kW.

Silniki jednofazowe, zarówno o specjalnej konstrukcji, jak i przerobione z silników trójfazowych, są 1,5-2 razy droższe niż silniki trójfazowe o tej samej mocy. Wzrost kosztów silników jest jednak nieznaczny w porównaniu z oszczędnościami, jakie uzyskuje się budując i eksploatując sieć z wykorzystaniem mieszanego systemu dystrybucji energii.

Stosunek mocy jednofazowej do trójfazowej w sieci wysokiego napięcia zależy od charakteru obciążenia i warunków jego umieszczenia.

Na większości obszarów wiejskich jednofazowe linie wysokiego napięcia o napięciu 10 kV przeważają głównie w dwóch przypadkach:

1) na obrzeżach dużych wsi z przewagą zabudowy mieszkalnej,

2) jako filie do wydzielenia małych miejscowości, gdzie w najbliższym czasie nie przewiduje się rozwoju elektroenergetyki.

Wykorzystanie zasilania jednofazowego należy uznać za ekonomicznie wykonalne, gdy uzyskuje się znaczne oszczędności drutu metalowego bez zwiększania kosztów sieci. Warunek ten z reguły jest spełniony w przypadkach, gdy zastosowanie obwodu jednofazowego nie prowadzi do znacznego zwiększenia długości sieci wysokiego napięcia.

IA Budzko