Trifazna enofazna omrežja

V kmetijstvu se električna energija distribuira v trifaznih omrežjih z napetostjo praviloma 10 kV s transformatorskimi odjemnimi mesti. Ta distribucijski sistem je bil sprejet brez bistvenih sprememb komunalne prakse za oskrbo z električno energijo majhnih mest in predmestij z nizkimi stavbami. Vendar pa je v podeželskih razmerah gostota električne obremenitve veliko nižja kot v mestih, zato sodoben sistem distribucije električne energije v mnogih primerih vodi do znatne prekomerne porabe kovine žic.

Njegova resna pomanjkljivost so težka omrežja z napetostjo 380 V. Zaradi relativno velike zmogljivosti transformatorskih postaj (povprečno 63 - 100 kVA) vsak transformator služi precejšnjemu območju, kar zahteva uporabo žic z velikim križem -odsek v omrežjih z napetostjo 380 V. Poleg tega se kovinska žica običajno porabi 2-3-krat več kot v omrežjih 10 kV.

Porabo žice v nizkonapetostnih omrežjih je mogoče zmanjšati s povečanjem števila transformatorskih postaj in zmanjšanjem njihove povprečne moči in radija delovanja. Vendar pa je trifazna transformatorska postaja razmeroma draga konstrukcija, katere stroški se nekoliko zmanjšajo z zmanjšanjem moči vgrajenega transformatorja. Znižanje povprečne moči transformatorske postaje pod 40 oziroma 63 kVA v trifaznih omrežjih torej povzroči preveliko zvišanje skupnih stroškov transformatorskih postaj. Zato ta način zmanjšanja porabe žic v nizkonapetostnih omrežjih ni vedno ekonomičen.

Po drugi strani pa je pri trifazni distribuciji električne energije pogosto treba malim porabnikom napajati tri vodnike 10 kV omrežja. V tem primeru se prečni prerezi žic vzamejo nad potrebno, odvisno od pogojev izguba napetosti, saj so izbrani kot minimalno dopustni glede na mehansko trdnost. Posledično se odvečna kovina porabi v visokonapetostnem omrežju.

Za odpravo pomanjkljivosti obstoječega elektrodistribucijskega sistema, mešani trifazni enofazni distribucijski sistem.

Bistvo mešanega sistema distribucije električne energije je naslednje.

1. Uporabljajo se mešani trifazni enofazni vodi z napetostjo 10 kV, kjer so glavni vodi trifazni in nanje so priključeni vsi veliki, vključno z močjo, porabniki. Mali porabniki, predvsem razsvetljava in gospodinjska bremena, se napajajo preko enofaznih 10 kV odvodov.

2. Enofazne transformatorske postaje majhne moči se uporabljajo za napajanje enofaznih porabnikov.

Približni diagram omrežja s transformatorskimi postajami, izdelanimi po mešanem trifaznem enofaznem sistemu, je prikazan na sliki 1.

riž. 1. Primer diagrama mešanega trifaznega enofaznega omrežja

Kot je razvidno iz tega grafikona, veliki uporabniki z večinoma obremenitev moči imajo trifazno napajanje, male porabnike, večinoma stanovanjske objekte, pa napajajo enofazne transformatorske postaje. Enofazni transformatorji vključuje napetost med fazami.

Primerjalni izračuni kažejo, da lahko uporaba mešanega sistema zmanjša porabo kovine v visokonapetostnih in nizkonapetostnih žicah za 25 - 35% v primerjavi z običajnim trifaznim sistemom. Začetne stroške omrežja pri obstoječih cenah in vrstah opreme je mogoče zmanjšati z uporabo mešanega sistema na samo 5-10%.

V visokonapetostnem omrežju, izdelanem v mešanem sistemu, so enofazni transformatorji vezani na trikot za omrežno napetost 6 ali 10 kV, kot je prikazano na sliki 1.

Dokazano je, da v neenakomerno obremenjenem trifaznem omrežju vsota linearnih napetostnih izgub pri teh obremenitvah ostane nespremenjena ne glede na porazdelitev obremenitev med fazami, tj. dUab + dUbc + dUca = konst.

V praksi je na omrežje vedno priključeno precejšnje število enofaznih bremen. Te obremenitve je mogoče porazdeliti tako, da so medfazne izgube napetosti do končnih točk približno enake druga drugi: dUab ≈ dUbc ≈ dUca

V tem primeru je zmogljivost neenakomerno obremenjenega voda enaka kot pri trifaznem enakomerno obremenjenem vodu z enakimi parametri. V vseh drugih primerih je zmogljivost nižja.

Očitno je, da je pri načrtovanju omrežja za mešani sistem potrebno z ustrezno porazdelitvijo bremen doseči pogoj enakosti medfaznih izgub napetosti. V tem primeru so izgube napetosti v trifaznem vodu določene s formulami za simetrično obremenitev in imajo najnižjo možno vrednost. Izračun v tem primeru je močno poenostavljen.

Enofazne veje iz omrežja 10 kV imajo 2-6 krat manjšo pasovno širino kot trifazne veje z enakim presekom. Vendar pa je pri transformatorskih postajah majhne moči zelo pogosto presek odcepnih žic določen z najmanjšim dovoljenim iz mehanskih razlogov. V tem primeru so enofazni, veje imajo dve žici enakega prereza namesto treh, ekonomičnost kovinske žice pa je 33%.

Enofazno nizkonapetostno omrežje po mešanem sistemu je izdelano trižično s povprečnim vodnikom. Napetost med srednjim in končnim vodnikom je 220 V (slika 2), med končnima vodnikoma pa 440 V. Srednji vodnik je ozemljen na enak način kot nevtralni vodnik v sistemu 380 V z ozemljenim nevtralnim in nanj so povezani tudi kovinski deli opreme. Osvetlitev se vklopi med srednjim in zunanjim vodnikom, napajanje pa med zunanjima vodnikoma. Majhni transformatorji 2 kVA imajo dva nizkonapetostna izhoda - 220 ali 127 V.

Enofazne transformatorske postaje so izvedene po shematski shemi, prikazani na sliki 2.

riž. 2. Shema enofazne transformatorske postaje

Transformatorji so obešeni na preprost 10 kV vmesni nosilec omrežja.Na visokonapetostno omrežje so priključeni preko ločilnika, nameščenega na sosednjem nosilcu. Transformatorji so zaščiteni pred kratkim stikom z visokonapetostnimi varovalkami.

Na nizkonapetostni strani so odklopnik in varovalke nameščene v majhni škatli.

Vodi z napetostjo do 1 kV z mešanim sistemom se izvajajo kot v običajnih omrežjih. Če poti sovpadajo, jih je priporočljivo obesiti na iste nosilce z visokonapetostnimi vodi.

V večini primerov mešanih sistemov se običajno uporabljajo trifazni indukcijski motorji, ki se napajajo iz trifaznih vodov. Enofazni elektromotorji majhne moči se uporabljajo tam, kjer je na voljo samo enofazna energija, na primer motor ventilatorja na prenosnem ognjišču v poljskem mlinu, motor črpalke na železniškem križišču itd. Običajno je moč takih motorjev 1-2 kW in redko 3-4 kW.

V enofaznih omrežjih je najbolje uporabiti posebne asinhrone elektromotorje z zagonskimi kondenzatorji. Če ni posebnih motorjev, lahko uporabite standardne trifazne elektromotorje z napetostjo 380/220 V z zagonskimi napravami v obliki kondenzatorjev ali celo aktivnih uporov.

Začetni navor motorja z aktivnim zagonskim uporom pri napetosti 440 V je približno 0,4 nazivnega navora motorja v trifaznem načinu, kar ustreza 0,65-1,0 nazivnega navora v enofaznem načinu.

Če mora biti za delovni stroj začetni navor večji od 0,5 Mn, se izbere motor z večjo močjo ali pa se priključi v skladu z zmogljivostnim vezjem.Ko je zagonska zmogljivost vklopljena, je navor motorja približno enak nazivnemu navoru v trifaznem načinu.

Pri napajanju iz transformatorja 10 kVA se lahko zaženejo motorji z nazivno močjo v trifaznem načinu do 4,5 kW.

Enofazni motorji, tako posebne konstrukcije kot predelani iz trifaznih motorjev, so 1,5-2 krat dražji od trifaznih motorjev enake moči. Vendar pa je povišanje stroškov motorjev zanemarljivo v primerjavi s prihranki, ki jih dosežemo pri gradnji in obratovanju omrežja po mešanem sistemu distribucije električne energije.

Razmerje med enofazno in trifazno močjo v visokonapetostnem omrežju je odvisno od narave bremena in pogojev njegove postavitve.

Za večino podeželskih območij prevladujejo enofazni visokonapetostni vodi z napetostjo 10 kV predvsem v dveh primerih:

1) na obrobju velikih vasi s prevladujočo obremenitvijo stanovanjskih stavb,

2) kot odcepi za ločitev manjših naselij, kjer razvoj elektroenergetike v bližnji prihodnosti ni predviden.

Uporabo enofaznega napajanja je treba šteti za ekonomsko izvedljivo, če so doseženi znatni prihranki kovinske žice brez povečanja stroškov omrežja. Ta pogoj je praviloma izvedljiv v primerih, ko uporaba enofaznega vezja ne vodi do znatnega povečanja dolžine visokonapetostnega omrežja.

I. A. Budzko