Trojfázové jednofázové siete
V poľnohospodárstve je elektrická energia distribuovaná v trojfázových sieťach s napätím spravidla 10 kV s transformátorovými odbernými miestami. Táto distribučná sústava bola prijatá bez výrazných zmien oproti utilitnej praxi na zásobovanie elektrickou energiou malých miest a mestských častí s nízkopodlažnou zástavbou. Vo vidieckych podmienkach je však hustota elektrickej záťaže oveľa nižšia ako v mestách, a preto moderný systém distribúcie elektrickej energie vedie v mnohých prípadoch k značnému nadmernému spotrebe kovu drôtov.
Jeho vážnou nevýhodou sú ťažké siete s napätím 380 V. Vzhľadom na pomerne veľkú kapacitu trafostaníc (v priemere 63 — 100 kVA) obslúži každý transformátor značnú plochu, čo si vyžaduje použitie vodičov s veľkým krížom. -úsek v sieťach s napätím 380 V. V dôsledku toho sa kov drôtu zvyčajne spotrebuje 2-3 krát viac ako v sieťach 10 kV.
Spotrebu drôtov v sieťach nízkeho napätia je možné znížiť zvýšením počtu trafostaníc a znížením ich priemerného výkonu a obslužného okruhu. Trojfázová trafostanica je však pomerne nákladná konštrukcia, ktorej náklady mierne klesajú s poklesom výkonu inštalovaného transformátora. Preto zníženie priemerného výkonu trafostanice pod 40 alebo 63 kVA v trojfázových sieťach vedie k nadmernému zvýšeniu celkových nákladov trafostaníc. Preto tento spôsob znižovania spotreby vodičov v nízkonapäťových sieťach nie je vždy ekonomický.
Na druhej strane pri trojfázových rozvodoch energie je často potrebné napájať malospotrebiteľom tri 10 kV sieťové vodiče. V tomto prípade sa prierezy drôtov berú nad potrebné v závislosti od podmienok strata napätia, pretože sú zvolené ako minimálne prípustné z hľadiska mechanickej pevnosti. V dôsledku toho sa prebytočný kov spotrebuje vo vysokonapäťovej sieti.
Na prekonanie nedostatkov existujúceho systému distribúcie energie, zmiešaný trojfázový jednofázový distribučný systém.
Podstata zmiešaného systému distribúcie energie je nasledovná.
1. Používajú sa zmiešané trojfázové jednofázové vedenia s napätím 10 kV, kde sú hlavné vedenia trojfázové a sú na ne napojené všetky veľké, vrátane silových, spotrebiče. Drobní spotrebitelia, najmä osvetlenie a domáce spotrebiče, sú napájané jednofázovými odbočkami 10 kV.
2. Na napájanie jednofázových spotrebičov sa používajú jednofázové trafostanice malého výkonu.
Približná schéma siete s transformačnými stanicami vyrobenými podľa zmiešaného trojfázového jednofázového systému je znázornená na obrázku 1.
Ryža. 1. Príklad schémy zmiešanej trojfázovej jednofázovej siete
Ako vidno z tohto grafu, veľkí používatelia s väčšinou výkonové zaťaženie majú trojfázové napájanie a malospotrebitelia, väčšinou obytné budovy, sú napájaní z jednofázových trafostaníc. Jednofázové transformátory zahŕňa napätie medzi fázami.
Porovnávacie výpočty ukazujú, že použitie zmiešaného systému môže znížiť spotrebu kovu vo vysokonapäťových a nízkonapäťových vodičoch o 25 - 35% v porovnaní s bežným trojfázovým systémom. Počiatočné náklady na sieť pri existujúcich cenách a typoch zariadení je možné znížiť použitím zmiešaného systému len na 5 – 10 %.
Vo vysokonapäťovej sieti vyrobenej v zmiešanom systéme sú jednofázové transformátory zapojené do trojuholníka pre sieťové napätie 6 alebo 10 kV, ako je znázornené na obrázku 1.
Je dokázané, že v nerovnomerne zaťaženej trojfázovej sieti zostáva súčet lineárnych strát napätia pri týchto záťažiach nezmenený bez ohľadu na rozloženie záťaží medzi fázy, t.j. dUab + dUbc + dUca = konšt.
V praxi je k sieti vždy pripojený značný počet jednofázových záťaží. Tieto zaťaženia môžu byť rozdelené tak, že straty medzifázového napätia na koncových bodoch sú približne rovnaké: dUab ≈ dUbc ≈ dUca
V tomto prípade je výkon nerovnomerne zaťaženého vedenia rovnaký ako výkon trojfázového rovnomerne zaťaženého vedenia s rovnakými parametrami. Vo všetkých ostatných prípadoch je výkon nižší.
Je zrejmé, že pri navrhovaní siete pre zmiešaný systém je potrebné zodpovedajúcim rozložením záťaže dosiahnuť podmienku rovnosti medzi stratami medzifázového napätia. V tomto prípade sú straty napätia v trojfázovom vedení určené vzorcami pre symetrické zaťaženie a majú najnižšiu možnú hodnotu. Výpočet je v tomto prípade značne zjednodušený.
Jednofázové vetvy z 10 kV siete majú 2-6 krát menšiu šírku pásma ako trojfázové vetvy s rovnakým prierezom. Pri transformátorových staniciach s nízkym výkonom sa však veľmi často prierez vodičov odbočiek z mechanických dôvodov určuje minimálnym prípustným. V tomto prípade sú jednofázové, vetvy majú dva drôty rovnakého prierezu namiesto troch a hospodárnosť kovového drôtu je 33%.
Jednofázová nízkonapäťová sieť podľa zmiešaného systému je vyrobená trojvodičovo s priemerným vodičom. Napätie medzi stredným a koncovým vodičom je 220 V (obr. 2), medzi koncovými vodičmi je 440 V. Stredný vodič je uzemnený rovnakým spôsobom ako neutrálny vodič v systéme 380 V s uzemneným neutrálom a sú k nemu pripojené aj kovové časti zariadenia . Osvetlenie sa zapína medzi stredným a vonkajším vodičom a napájanie medzi vonkajším vodičom. Malé 2 kVA transformátory majú dva nízkonapäťové výstupy — 220 alebo 127 V.
Jednofázové trafostanice sú realizované podľa schémy znázornenej na obrázku 2.
Ryža. 2. Schéma jednofázovej trafostanice
Transformátory sú zavesené na jednoduchej 10 kV medzisieťovej podpore.Sú pripojené k vysokonapäťovej sieti cez odpojovač inštalovaný na susednej podpere. Transformátory sú chránené proti skratu vysokonapäťovými poistkami.
Na strane nízkeho napätia je v malej skrinke namontovaný istič a poistky.
Linky s napätím do 1 kV so zmiešaným systémom sa vykonávajú ako v bežných sieťach. Ak sa trasy zhodujú, odporúča sa ich zavesiť na rovnaké podpery s vedením vysokého napätia.
Vo väčšine prípadov zmiešaných systémov sa zvyčajne používajú trojfázové indukčné motory napájané z trojfázových vedení. Jednofázové elektromotory s nízkym výkonom sa používajú na miestach, kde je k dispozícii iba jednofázový výkon, napríklad motor ventilátora na prenosnom ohnisku v poľnom mlyne, motor čerpadla na železničnom uzle atď. Typicky je výkon takýchto motorov 1 - 2 kW a zriedka 3 - 4 kW.
V jednofázových sieťach je najlepšie použiť špeciálne asynchrónne elektromotory so štartovacími kondenzátormi. Pri absencii špeciálnych motorov môžete použiť štandardné trojfázové elektromotory s napätím 380/220 V so štartovacími zariadeniami vo forme kondenzátorov alebo dokonca aktívnych odporov.
Rozbehový moment motora s aktívnym rozbehovým odporom pri napätí 440 V je asi 0,4 menovitého momentu motora v trojfázovom režime, čo zodpovedá 0,65-1,0 menovitého momentu v jednofázovom režime.
Ak má byť pre pracovný stroj rozbehový moment väčší ako 0,5 Mn, zvolí sa motor s väčším výkonom alebo sa zapojí podľa kapacitného obvodu.Keď je štartovacia kapacita zapnutá, krútiaci moment motora sa približne rovná menovitému krútiacemu momentu v trojfázovom režime.
Pri napájaní z 10 kVA transformátora je možné spúšťať motory s menovitým výkonom v trojfázovom režime do 4,5 kW.
Jednofázové motory, obidva špeciálnej konštrukcie a upravené z trojfázových motorov, sú 1,5-2 krát drahšie ako trojfázové motory s rovnakým výkonom. Nárast nákladov na motory je však nevýznamný v porovnaní s úsporami, ktoré sa dosahujú pri budovaní a prevádzke siete pomocou systému zmiešanej distribúcie energie.
Pomer medzi jednofázovým a trojfázovým výkonom vo vysokonapäťovej sieti závisí od charakteru záťaže a podmienok jej umiestnenia.
Vo väčšine vidieckych oblastí prevládajú jednofázové vysokonapäťové vedenia s napätím 10 kV hlavne v dvoch prípadoch:
1) na okraji veľkých obcí s prevažujúcim zaťažením obytnými budovami,
2) ako pobočky na oddelenie malých sídiel, kde sa v blízkej budúcnosti nepredpokladá rozvoj elektriny.
Použitie jednofázového napájania by sa malo považovať za ekonomicky uskutočniteľné, keď sa dosiahnu významné úspory kovového drôtu bez zvýšenia sieťových nákladov. Táto podmienka je spravidla realizovateľná v prípadoch, keď použitie jednofázového obvodu nevedie k výraznému zvýšeniu dĺžky siete vysokého napätia.
I. A. Budzko