Třífázové jednofázové sítě

V zemědělství je elektrická energie distribuována v třífázových sítích o napětí zpravidla 10 kV s transformátorovými odběrnými místy. Tato distribuční soustava byla přijata bez výrazných změn oproti energetické praxi pro zásobování elektřinou malých měst a předměstí s nízkopodlažními domy. Ve venkovských podmínkách je však hustota elektrické zátěže mnohem nižší než ve městech, a proto moderní systém distribuce elektrické energie vede v mnoha případech ke značnému nadměrnému spotřebě kovu drátů.

Jeho vážnou nevýhodou jsou těžké sítě s napětím 380 V. Vzhledem k poměrně velké kapacitě trafostanic (průměrně 63 — 100 kVA) obslouží každý transformátor značnou plochu, což vyžaduje použití vodičů s velkým křížem -úsek v sítích s napětím 380 V. V důsledku toho se navíc drátěný kov spotřebuje obvykle 2-3krát více než v sítích 10kV.

Spotřebu drátů v sítích nízkého napětí lze snížit zvýšením počtu trafostanic a snížením jejich průměrného výkonu a obslužného okruhu. Třífázová trafostanice je však poměrně nákladná stavba, jejíž cena se s poklesem výkonu instalovaného transformátoru mírně snižuje. Snížení průměrného výkonu trafostanice pod 40 nebo 63 kVA v třífázových sítích proto vede k nadměrnému nárůstu celkových nákladů trafostanice. Proto tento způsob snižování spotřeby vodičů v sítích nízkého napětí není vždy ekonomický.

Naproti tomu u třífázových rozvodů energie je často nutné napájet malé odběratele třemi síťovými vodiči 10 kV. V tomto případě jsou průřezy vodičů v závislosti na podmínkách převzaty nad nezbytnou hodnotu ztráta napětí, protože jsou voleny jako minimální přípustné z hlediska mechanické pevnosti. V důsledku toho se přebytečný kov spotřebovává v síti vysokého napětí.

K překonání nedostatků stávajícího energetického distribučního systému smíšený třífázový jednofázový distribuční systém.

Podstata systému distribuce smíšené energie je následující.

1. Používají se smíšená třífázová jednofázová vedení o napětí 10 kV, kde hlavní vedení jsou třífázová a jsou na ně připojeny všechny velké včetně silových spotřebičů. Drobné spotřebiče, především osvětlení a domácí spotřebiče, jsou napájeny jednofázovými odbočkami 10 kV.

2. K napájení jednofázových spotřebičů se používají jednofázové trafostanice malého výkonu.

Přibližné schéma sítě s trafostanicemi provedené podle smíšeného třífázového jednofázového systému je na obrázku 1. Obr.

Rýže. 1. Příklad schématu smíšené třífázové jednofázové sítě

Jak je vidět z tohoto grafu, velcí uživatelé s většinou výkonové zatížení mají třífázové napájení a malospotřebitelé, převážně obytné budovy, jsou napájeni z jednofázových trafostanic. Jednofázové transformátory zahrnuje napětí mezi fázemi.

Srovnávací výpočty ukazují, že použití smíšeného systému může snížit spotřebu kovu ve vysokonapěťových a nízkonapěťových vodičích o 25 - 35 % ve srovnání s běžným třífázovým systémem. Počáteční náklady na síť při stávajících cenách a typech zařízení lze použitím smíšeného systému snížit pouze na 5–10 %.

Ve vysokonapěťové síti vyrobené ve smíšeném systému jsou jednofázové transformátory zapojeny do trojúhelníku pro síťové napětí 6 nebo 10 kV, jak je znázorněno na obrázku 1.

Bylo prokázáno, že v nerovnoměrně zatížené třífázové síti zůstává součet lineárních ztrát napětí na těchto zátěžích nezměněn bez ohledu na rozložení zátěží mezi fázemi, tzn. dUab + dUbc + dUca = konst.

V praxi je k síti vždy připojen značný počet jednofázových zátěží. Tyto zátěže lze rozložit tak, že ztráty mezifázového napětí na koncových bodech jsou přibližně stejné: dUab ≈ dUbc ≈ dUca

V tomto případě je výkon nerovnoměrně zatíženého vedení stejný jako výkon třífázového rovnoměrně zatíženého vedení se stejnými parametry. Ve všech ostatních případech je výkon nižší.

Je zřejmé, že při návrhu sítě pro smíšený systém je nutné odpovídajícím rozložením zátěže dosáhnout podmínky rovnosti mezi sdruženými napěťovými ztrátami. Ztráty napětí v třífázovém vedení jsou v tomto případě určeny vzorci pro symetrickou zátěž a mají nejnižší možnou hodnotu. Výpočet je v tomto případě značně zjednodušený.

Jednofázové větve ze sítě 10 kV mají 2-6x menší šířku pásma než třífázové větve se stejným průřezem. U nízkopříkonových trafostanic je však velmi často z mechanických důvodů průřez vodičů odboček určen minimálními přípustnými hodnotami. V tomto případě jsou jednofázové, větve mají dva dráty stejného průřezu místo tří a hospodárnost kovového drátu je 33%.

Jednofázová nízkonapěťová síť podle smíšeného systému je provedena třívodičově s průměrným vodičem. Napětí mezi středním a koncovým vodičem je 220 V (obr. 2), mezi koncovými vodiči je 440 V. Střední vodič je uzemněn stejným způsobem jako nulový vodič v systému 380 V s uzemněným neutrálem a jsou k němu připojeny i kovové části zařízení . Osvětlení se zapíná mezi středním a vnějším vodičem a napájení mezi vnějšími vodiči. Malé 2 kVA transformátory mají dva nízkonapěťové výstupy — 220 nebo 127 V.

Jednofázové trafostanice jsou realizovány podle schematického schématu na obrázku 2.

Rýže. 2. Schéma jednofázové trafostanice

Transformátory jsou zavěšeny na jednoduché podpěře mezilehlé sítě 10 kV.K vysokonapěťové síti jsou připojeny přes odpojovač instalovaný na sousední podpěře. Transformátory jsou chráněny proti zkratu vysokonapěťovými pojistkami.

Na straně nízkého napětí je v malé krabičce namontován jistič a pojistky.

Vedení s napětím do 1 kV se smíšeným systémem se provádí jako v klasických sítích. Pokud se trasy shodují, doporučuje se je zavěsit na stejné podpěry s vedením vysokého napětí.

Ve většině případů smíšených systémů se obvykle používají třífázové indukční motory napájené z třífázových vedení. Nízkovýkonové jednofázové elektromotory se používají tam, kde je k dispozici pouze jednofázové napájení, například motor ventilátoru na přenosném ohništi v polním mlýně, motor čerpadla na železničním uzlu atd. Typicky je výkon takových motorů 1-2 kW a zřídka 3-4 kW.

V jednofázových sítích je nejlepší použít speciální asynchronní elektromotory se spouštěcími kondenzátory. Při absenci speciálních motorů můžete použít standardní třífázové elektromotory s napětím 380/220 V se spouštěcími zařízeními ve formě kondenzátorů nebo dokonce aktivních odporů.

Rozběhový moment motoru s aktivním rozběhovým odporem při napětí 440 V je asi 0,4 jmenovitého momentu motoru v třífázovém režimu, což odpovídá 0,65-1,0 jmenovitého momentu v jednofázovém režimu.

Pokud má být u pracovního stroje rozběhový moment větší než 0,5 Mn, volí se motor s větším výkonem nebo se zapojuje podle kapacitního obvodu.Když je startovací kapacita zapnuta, moment motoru se přibližně rovná jmenovitému momentu v třífázovém režimu.

Při napájení z transformátoru 10 kVA lze spouštět motory o jmenovitém výkonu v třífázovém režimu do 4,5 kW.

Jednofázové motory, jak speciální konstrukce, tak přestavěné z třífázových motorů, jsou 1,5-2krát dražší než třífázové motory stejného výkonu. Nárůst nákladů na motory je však nevýznamný ve srovnání s úsporami, které se dosahují při budování a provozu sítě pomocí systému distribuce smíšené energie.

Poměr mezi jednofázovým a třífázovým výkonem ve vysokonapěťové síti závisí na charakteru zátěže a podmínkách jejího umístění.

Pro většinu venkovských oblastí převládají jednofázové vedení vysokého napětí s napětím 10 kV především ve dvou případech:

1) na okrajích velkých obcí s převažující zátěží obytnou zástavbou,

2) jako pobočky pro oddělení malých sídel, kde se v blízké budoucnosti nepředpokládá rozvoj elektřiny.

Použití jednofázového napájení by mělo být považováno za ekonomicky proveditelné, pokud je dosaženo významných úspor kovového drátu bez zvýšení nákladů na síť. Tato podmínka je zpravidla proveditelná v případech, kdy použití jednofázového obvodu nevede k výraznému zvýšení délky vysokonapěťové sítě.

I. A. Budzko