Τριφασικά μονοφασικά δίκτυα

Στη γεωργία, η ηλεκτρική ενέργεια διανέμεται σε τριφασικά δίκτυα με τάση, κατά κανόνα, 10 kV με σημεία κατανάλωσης μετασχηματιστή. Αυτό το σύστημα διανομής εγκρίθηκε χωρίς σημαντικές αλλαγές από την πρακτική της κοινής ωφέλειας για την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας σε μικρές πόλεις και προάστια με χαμηλά κτίρια. Ωστόσο, σε αγροτικές συνθήκες η πυκνότητα του ηλεκτρικού φορτίου είναι πολύ χαμηλότερη από ό,τι στις πόλεις, και ως εκ τούτου το σύγχρονο σύστημα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας οδηγεί σε πολλές περιπτώσεις σε σημαντική υπερκατανάλωση του μετάλλου των καλωδίων.

Το σοβαρό μειονέκτημά του είναι τα βαριά δίκτυα με τάση 380 V. Λόγω της σχετικά μεγάλης χωρητικότητας των σταθμών μετασχηματισμού (κατά μέσο όρο 63 — 100 kVA), κάθε μετασχηματιστής εξυπηρετεί μια σημαντική περιοχή, η οποία απαιτεί τη χρήση καλωδίων με μεγάλο σταυρό -τμήμα σε δίκτυα με τάση 380 V. Ως αποτέλεσμα, επιπλέον, το μεταλλικό σύρμα καταναλώνεται συνήθως σε 2 — 3 φορές περισσότερο από ό,τι σε δίκτυα 10 kV.

Η κατανάλωση καλωδίων σε δίκτυα χαμηλής τάσης μπορεί να μειωθεί αυξάνοντας τον αριθμό των σταθμών μετασχηματιστών και μειώνοντας τη μέση ισχύ και την ακτίνα εξυπηρέτησης. Ωστόσο, ο τριφασικός σταθμός μετασχηματιστή είναι μια σχετικά ακριβή κατασκευή, το κόστος του οποίου μειώνεται ελαφρώς με τη μείωση της ισχύος του εγκατεστημένου μετασχηματιστή. Επομένως, η μείωση της μέσης ισχύος ενός σταθμού μετασχηματισμού κάτω από 40 ή 63 kVA σε τριφασικά δίκτυα οδηγεί σε υπερβολική αύξηση του συνολικού κόστους των σταθμών μετασχηματισμού. Επομένως, αυτός ο τρόπος μείωσης της κατανάλωσης καλωδίων σε δίκτυα χαμηλής τάσης δεν είναι πάντα οικονομικός.

Από την άλλη πλευρά, στην τριφασική διανομή ισχύος, είναι συχνά απαραίτητη η παροχή τριών αγωγών δικτύου 10 kV σε μικρούς καταναλωτές. Σε αυτή την περίπτωση, οι διατομές των συρμάτων λαμβάνονται πάνω από τα απαραίτητα, ανάλογα με τις συνθήκες απώλεια τάσης, καθώς επιλέγονται ως ελάχιστα επιτρεπτά ως προς τη μηχανική αντοχή. Ως αποτέλεσμα, η περίσσεια μετάλλου καταναλώνεται στο δίκτυο υψηλής τάσης.

Για να ξεπεραστούν οι ελλείψεις του υπάρχοντος συστήματος διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, ένα μικτό τριφασικό μονοφασικό σύστημα διανομής.

Η ουσία του μικτού συστήματος διανομής ισχύος είναι η εξής.

1. Χρησιμοποιούνται μικτές τριφασικές μονοφασικές γραμμές τάσης 10 kV, όπου οι κύριες γραμμές είναι τριφασικές και σε αυτές συνδέονται όλοι οι μεγάλοι, συμπεριλαμβανομένου ρεύματος, καταναλωτές. Οι μικροί καταναλωτές, κυρίως φωτιστικά και οικιακά φορτία, τροφοδοτούνται από μονοφασικές γραμμές διακλάδωσης 10 kV.

2. Οι σταθμοί μονοφασικών μετασχηματιστών χαμηλής ισχύος χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία μονοφασικών καταναλωτών.

Ένα κατά προσέγγιση διάγραμμα ενός δικτύου με σταθμούς μετασχηματιστή κατασκευασμένους σύμφωνα με ένα μικτό τριφασικό μονοφασικό σύστημα φαίνεται στο Σχήμα 1.

Ρύζι. 1. Παράδειγμα διαγράμματος μικτού τριφασικού μονοφασικού δικτύου

Όπως φαίνεται από αυτό το γράφημα, οι μεγάλοι χρήστες με κυρίως φορτίο ισχύος διαθέτουν τριφασική παροχή ρεύματος και οι μικροί καταναλωτές, κυρίως κτίρια κατοικιών, τροφοδοτούνται από μονοφασικούς σταθμούς μετασχηματιστών. Μονοφασικοί μετασχηματιστές περιλαμβάνει τάση μεταξύ των φάσεων.

Συγκριτικοί υπολογισμοί δείχνουν ότι η χρήση μικτού συστήματος μπορεί να μειώσει την κατανάλωση μετάλλου σε καλώδια υψηλής και χαμηλής τάσης κατά 25 - 35% σε σύγκριση με ένα συμβατικό τριφασικό σύστημα. Το αρχικό κόστος του δικτύου σε υπάρχουσες τιμές και τύπους εξοπλισμού μπορεί να μειωθεί με τη χρήση μικτού συστήματος μόνο στο 5-10%.

Σε ένα δίκτυο υψηλής τάσης που κατασκευάζεται σε μικτό σύστημα, οι μονοφασικοί μετασχηματιστές είναι συνδεδεμένοι στο δέλτα για τάση δικτύου 6 ή 10 kV, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.

Έχει αποδειχθεί ότι σε ένα τριφασικό δίκτυο ανομοιόμορφα φορτισμένου, το άθροισμα των γραμμικών απωλειών τάσης σε αυτά τα φορτία παραμένει αμετάβλητο ανεξάρτητα από την κατανομή των φορτίων μεταξύ των φάσεων, δηλ. dUab + dUbc + dUca = συνεχ.

Στην πράξη, υπάρχει πάντα ένας σημαντικός αριθμός μονοφασικών φορτίων συνδεδεμένων στο δίκτυο. Αυτά τα φορτία μπορούν να κατανεμηθούν έτσι ώστε οι απώλειες τάσης φάσης προς φάση στα τελικά σημεία να είναι περίπου ίσες μεταξύ τους: dUab ≈ dUbc ≈ dUca

Σε αυτή την περίπτωση, η απόδοση μιας μη ομοιόμορφης φόρτισης γραμμής είναι ίδια με εκείνη μιας γραμμής τριφασικής ομοιόμορφης φόρτωσης με τις ίδιες παραμέτρους. Σε όλες τις άλλες περιπτώσεις, η απόδοση είναι χαμηλότερη.

Προφανώς, κατά το σχεδιασμό ενός δικτύου για ένα μικτό σύστημα, είναι απαραίτητο, κατανέμοντας ανάλογα τα φορτία, να επιτευχθεί η συνθήκη ισότητας μεταξύ των απωλειών τάσης φάσης προς φάση. Σε αυτή την περίπτωση, οι απώλειες τάσης σε μια τριφασική γραμμή προσδιορίζονται από τους τύπους για ένα συμμετρικό φορτίο και έχουν τη χαμηλότερη δυνατή τιμή. Ο υπολογισμός σε αυτή την περίπτωση είναι πολύ απλοποιημένος.

Οι μονοφασικοί κλάδοι από ένα δίκτυο 10 kV έχουν 2-6 φορές μικρότερο εύρος ζώνης από τους τριφασικούς κλάδους με την ίδια διατομή. Ωστόσο, με σταθμούς μετασχηματιστών χαμηλής ισχύος, πολύ συχνά η διατομή των συρμάτων διακλάδωσης καθορίζεται από το ελάχιστο επιτρεπόμενο για μηχανικούς λόγους. Σε αυτή την περίπτωση είναι μονοφασικοί, οι κλάδοι έχουν δύο σύρματα ίδιας διατομής αντί για τρία και η οικονομία του μεταλλικού σύρματος είναι 33%.

Ένα μονοφασικό δίκτυο χαμηλής τάσης σύμφωνα με ένα μικτό σύστημα είναι κατασκευασμένο τριών συρμάτων με μέσο αγωγό. Η τάση μεταξύ του μεσαίου και του ακραίου καλωδίου είναι 220 V (Εικ. 2) και μεταξύ των ακραίων καλωδίων είναι 440 V. Το μεσαίο καλώδιο γειώνεται με τον ίδιο τρόπο όπως το ουδέτερο καλώδιο σε ένα σύστημα 380 V με γειωμένο ουδέτερο, και Σε αυτό συνδέονται επίσης μεταλλικά μέρη του εξοπλισμού. Ο φωτισμός ανάβει μεταξύ του μεσαίου και του εξωτερικού καλωδίου και η τροφοδοσία μεταξύ των εξωτερικών καλωδίων. Οι μικροί μετασχηματιστές 2 kVA έχουν δύο εξόδους χαμηλής τάσης — 220 ή 127 V.

Οι μονοφασικοί σταθμοί μετασχηματιστών υλοποιούνται σύμφωνα με το σχηματικό διάγραμμα που φαίνεται στο Σχήμα 2.

Ρύζι. 2. Σχέδιο μονοφασικού σταθμού μετασχηματιστή

Οι μετασχηματιστές είναι αναρτημένοι σε μια απλή ενδιάμεση υποστήριξη δικτύου 10 kV.Συνδέονται σε δίκτυο υψηλής τάσης μέσω αποζεύκτη εγκατεστημένο σε παρακείμενο στήριγμα. Οι μετασχηματιστές προστατεύονται από βραχυκυκλώματα με ασφάλειες υψηλής τάσης.

Στην πλευρά της χαμηλής τάσης, ένας διακόπτης κυκλώματος και οι ασφάλειες είναι τοποθετημένες σε ένα μικρό κουτί.

Γραμμές με τάση έως 1 kV με μικτό σύστημα εκτελούνται όπως στα συμβατικά δίκτυα. Εάν οι διαδρομές συμπίπτουν, συνιστάται να τις κρεμάσετε στα ίδια στηρίγματα με γραμμές υψηλής τάσης.

Στην πλειονότητα των περιπτώσεων μικτού συστήματος, συνήθως χρησιμοποιούνται τριφασικοί επαγωγικοί κινητήρες που τροφοδοτούνται από τριφασικές γραμμές. Οι μονοφασικοί ηλεκτρικοί κινητήρες χαμηλής ισχύος χρησιμοποιούνται σε μέρη όπου είναι διαθέσιμη μόνο μονοφασική ισχύς, για παράδειγμα, κινητήρας ανεμιστήρα σε φορητή εστία σε μύλο αγρού, κινητήρας αντλίας σε σιδηροδρομική διασταύρωση κ.λπ. Συνήθως, η ισχύς τέτοιων κινητήρων είναι 1 — 2 kW και σπάνια 3 — 4 kW.

Είναι καλύτερο να χρησιμοποιείτε ειδικούς ασύγχρονους ηλεκτρικούς κινητήρες με πυκνωτές εκκίνησης σε μονοφασικά δίκτυα. Ελλείψει ειδικών κινητήρων, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τυπικούς τριφασικούς ηλεκτρικούς κινητήρες με τάση 380/220 V με συσκευές εκκίνησης με τη μορφή πυκνωτών ή ακόμη και ενεργών αντιστάσεων.

Η ροπή εκκίνησης ενός κινητήρα με ενεργή αντίσταση εκκίνησης σε τάση 440 V είναι περίπου 0,4 της ονομαστικής ροπής του κινητήρα σε λειτουργία τριών φάσεων, η οποία αντιστοιχεί στο 0,65-1,0 της ονομαστικής ροπής σε μονοφασική λειτουργία.

Εάν για μια μηχανή εργασίας η ροπή εκκίνησης πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 0,5 Mn, επιλέγεται ένας κινητήρας μεγαλύτερης ισχύος ή συνδέεται σύμφωνα με ένα κύκλωμα χωρητικότητας.Όταν η ικανότητα εκκίνησης είναι ενεργοποιημένη, η ροπή του κινητήρα είναι περίπου ίση με την ονομαστική ροπή σε τριφασική λειτουργία.

Όταν τροφοδοτούνται από μετασχηματιστή 10 kVA, μπορούν να τεθούν σε λειτουργία κινητήρες με ονομαστική ισχύ σε τριφασική λειτουργία έως 4,5 kW.

Οι μονοφασικοί κινητήρες, και οι δύο ειδικής κατασκευής και μετασκευασμένοι από τριφασικούς κινητήρες, είναι 1,5-2 φορές πιο ακριβοί από τους τριφασικούς κινητήρες ίδιας ισχύος. Ωστόσο, η αύξηση του κόστους των κινητήρων είναι ασήμαντη σε σύγκριση με την εξοικονόμηση που επιτυγχάνεται στην κατασκευή και λειτουργία του δικτύου με τη χρήση μικτού συστήματος διανομής ισχύος.

Η αναλογία μεταξύ μονοφασικής και τριφασικής ισχύος σε ένα δίκτυο υψηλής τάσης εξαρτάται από τη φύση του φορτίου και τις συνθήκες τοποθέτησής του.

Για τις περισσότερες αγροτικές περιοχές, οι μονοφασικές γραμμές υψηλής τάσης με τάση 10 kV επικρατούν κυρίως σε δύο περιπτώσεις:

1) στα περίχωρα μεγάλων χωριών με κυρίαρχο φορτίο κτιρίων κατοικιών,

2) ως κλάδοι διαχωρισμού μικρών οικισμών όπου δεν προβλέπεται ανάπτυξη ηλεκτρικής ενέργειας στο άμεσο μέλλον.

Η χρήση μονοφασικής ισχύος θα πρέπει να θεωρείται οικονομικά εφικτή όταν επιτυγχάνεται σημαντική εξοικονόμηση σε μεταλλικό σύρμα χωρίς αύξηση του κόστους δικτύου. Αυτή η συνθήκη, κατά κανόνα, είναι εφικτή σε περιπτώσεις όπου η χρήση μονοφασικού κυκλώματος δεν οδηγεί σε σημαντική αύξηση του μήκους του δικτύου υψηλής τάσης.

I. A. Budzko