Driefasige enkelfasige netwerken

In de landbouw wordt elektrische energie gedistribueerd in driefasige netwerken met een spanning van in de regel 10 kV met transformatorverbruikspunten. Dit distributiesysteem werd overgenomen zonder noemenswaardige veranderingen ten opzichte van de nutspraktijk voor de levering van elektriciteit aan kleine steden en voorsteden met laagbouw. In landelijke omstandigheden is de dichtheid van de elektrische belasting echter veel lager dan in steden, en daarom leidt het moderne systeem van elektriciteitsdistributie in veel gevallen tot een aanzienlijke overbesteding van het metaal van de draden.

Het ernstige nadeel zijn de zware netwerken met een spanning van 380 V. Vanwege het relatief grote vermogen van de transformatorstations (gemiddeld 63 - 100 kVA) bedient elke transformator een aanzienlijk gebied, waardoor het gebruik van draden met een groot kruis nodig is. -doorsnede in netwerken met een spanning van 380 V. Daardoor wordt bovendien meestal 2 tot 3 keer meer draadmetaal verbruikt dan in 10 kV-netwerken.

Het draadverbruik in laagspanningsnetwerken kan worden verminderd door het aantal transformatorstations te vergroten en hun gemiddelde vermogen en serviceradius te verkleinen. Het driefasige transformatorstation is echter een relatief dure constructie, waarvan de kosten iets afnemen met een afname van het vermogen van de geïnstalleerde transformator. Daarom leidt het verlagen van het gemiddelde vermogen van een transformatorstation tot onder 40 of 63 kVA in driefasige netwerken tot een buitensporige stijging van de totale kosten van transformatorstations. Daarom is deze manier om het verbruik van draden in laagspanningsnetwerken te verminderen niet altijd economisch.

Aan de andere kant is het bij driefasige stroomdistributie vaak nodig om drie 10 kV-netgeleiders aan kleinverbruikers te leveren. In dit geval worden de doorsneden van de draden boven het noodzakelijke genomen, afhankelijk van de omstandigheden spanningsverlies, aangezien ze zijn gekozen als minimaal toelaatbaar in termen van mechanische sterkte. Hierdoor wordt overtollig metaal verbruikt in het hoogspanningsnet.

Om de tekortkomingen van het bestaande stroomdistributiesysteem te verhelpen, een gemengd driefasig enkelfasig distributiesysteem.

De essentie van het gemengde stroomdistributiesysteem is als volgt.

1. Er worden gemengde driefasige enkelfasige lijnen met een spanning van 10 kV gebruikt, waarbij de hoofdlijnen driefasig zijn en alle grote, inclusief stroomverbruikers, daarop zijn aangesloten. Kleinverbruikers, voornamelijk verlichting en huishoudelijke belastingen, worden gevoed door enkelfasige 10 kV-aftakkingen.

2. Eenfasige transformatorstations met een laag vermogen worden gebruikt om eenfasige verbruikers te voeden.

Een benaderend diagram van een netwerk met transformatorstations gemaakt volgens een gemengd driefasig enkelfasig systeem wordt getoond in figuur 1.

Rijst. 1. Voorbeeld van een diagram van een gemengd driefasig enkelfasig netwerk

Zoals te zien is in deze grafiek, grote gebruikers met meestal kracht belasting hebben een driefasige voeding en kleine verbruikers, meestal woongebouwen, worden gevoed door eenfasige transformatorstations. Eenfasige transformatoren omvat spanning tussen fasen.

Vergelijkende berekeningen tonen aan dat het gebruik van een gemengd systeem het verbruik van metaal in hoog- en laagspanningsdraden met 25 - 35% kan verminderen in vergelijking met een conventioneel driefasensysteem. De initiële kosten van het netwerk tegen bestaande prijzen en soorten apparatuur kunnen worden verlaagd door een gemengd systeem te gebruiken tot slechts 5-10%.

In een hoogspanningsnetwerk gemaakt in een gemengd systeem, zijn enkelfasige transformatoren delta-verbonden voor een netwerkspanning van 6 of 10 kV, zoals weergegeven in figuur 1.

Het is bewezen dat in een ongelijkmatig belast driefasig netwerk de som van de lineaire spanningsverliezen bij deze belastingen ongewijzigd blijft, ongeacht de verdeling van de belastingen tussen de fasen, d.w.z. dUab + dUbc + dUca = const.

In de praktijk zijn er altijd een aanzienlijk aantal enkelfasige verbruikers op het net aangesloten. Deze belastingen kunnen zo worden verdeeld dat de fase-naar-fase spanningsverliezen naar de eindpunten ongeveer gelijk aan elkaar zijn: dUab ≈ dUbc ≈ dUca

In dit geval is de prestatie van een niet-uniform belaste lijn dezelfde als die van een driefasige, gelijkmatig belaste lijn met dezelfde parameters. In alle andere gevallen zijn de prestaties lager.

Vanzelfsprekend is het bij het ontwerpen van een netwerk voor een gemengd systeem noodzakelijk om, door de belastingen dienovereenkomstig te verdelen, de voorwaarde van gelijkheid tussen de fase-naar-fase spanningsverliezen te bereiken. In dit geval worden de spanningsverliezen in een driefasige lijn bepaald door de formules voor een symmetrische belasting en hebben ze de laagst mogelijke waarde. De berekening is in dit geval sterk vereenvoudigd.

Enkelfasige aftakkingen van een 10 kV-net hebben 2-6 keer minder bandbreedte dan driefasige aftakkingen met dezelfde doorsnede. Bij transformatorstations met laag vermogen wordt de doorsnede van aftakdraden echter vaak bepaald door het minimum dat om mechanische redenen is toegestaan. In dit geval zijn ze enkelfasig, hebben de takken twee draden met dezelfde doorsnede in plaats van drie en is de economie van metaaldraad 33%.

Een enkelfasig laagspanningsnet volgens een gemengd systeem is driedraads gemaakt met een gemiddelde geleider. De spanning tussen de midden- en einddraden is 220 V (fig. 2) en tussen de einddraden is 440 V. De middelste draad is op dezelfde manier geaard als de nulleider in een 380 V-systeem met een geaarde nulleider, en metalen delen van de apparatuur zijn er ook op aangesloten. Tussen de middelste en buitenste draden wordt de verlichting ingeschakeld en tussen de buitenste draden de stroom. Kleine 2 kVA-transformatoren hebben twee laagspanningsuitgangen: 220 of 127 V.

Eenfasige transformatorstations worden geïmplementeerd volgens het schematische diagram in figuur 2.

Rijst. 2. Schema van een enkelfasig transformatorstation

De transformatoren zijn opgehangen aan een eenvoudige 10 kV tussenliggende netwerkdrager.Ze zijn aangesloten op een hoogspanningsnet via een scheidingsschakelaar die op een aangrenzende steun is geïnstalleerd. Transformatoren zijn beveiligd tegen kortsluiting met hoogspanningszekeringen.

Aan de laagspanningszijde zijn een stroomonderbreker en zekeringen in een kastje gemonteerd.

Lijnen met een spanning tot 1 kV met een gemengd systeem worden uitgevoerd zoals in conventionele netwerken. Als de routes samenvallen, is het raadzaam om ze op dezelfde steunen met hoogspanningslijnen te hangen.

In de meeste gevallen van gemengde systemen worden meestal driefasige inductiemotoren gebruikt die worden gevoed vanuit driefasige lijnen. Eenfasige elektromotoren met een laag vermogen worden gebruikt op plaatsen waar alleen eenfasige stroom beschikbaar is, bijvoorbeeld een ventilatormotor op een draagbare haard in een veldmolen, een pompmotor op een spoorwegknooppunt, enz. Meestal is het vermogen van dergelijke motoren 1 - 2 kW en zelden 3 - 4 kW.

Het is het beste om speciale asynchrone elektromotoren met startcondensatoren te gebruiken in enkelfasige netwerken. Bij afwezigheid van speciale motoren kunt u standaard driefasige elektromotoren gebruiken met een spanning van 380/220 V met startinrichtingen in de vorm van condensatoren of zelfs actieve weerstanden.

Het startkoppel van een motor met een actieve startweerstand bij een spanning van 440 V is ongeveer 0,4 van het nominale koppel van de motor in driefasige modus, wat overeenkomt met 0,65-1,0 van het nominale koppel in eenfasige modus.

Als voor een werkende machine het startkoppel meer dan 0,5 Mn moet zijn, wordt een motor met een groter vermogen geselecteerd of wordt deze aangesloten volgens een capaciteitscircuit.Wanneer de startcapaciteit is ingeschakeld, is het motorkoppel ongeveer gelijk aan het nominale koppel in driefasenmodus.

Bij voeding vanuit een 10 kVA transformator kunnen motoren met een nominaal vermogen in draaistroombedrijf tot 4,5 kW worden gestart.

Eenfasige motoren, zowel van speciale constructie als omgebouwd van driefasige motoren, zijn 1,5-2 keer duurder dan driefasige motoren met hetzelfde vermogen. De stijging van de kosten van motoren is echter onbeduidend in vergelijking met de besparingen die worden verkregen bij het bouwen en exploiteren van het netwerk met behulp van een gemengd stroomdistributiesysteem.

De verhouding tussen enkelfasig en driefasig vermogen in een hoogspanningsnet hangt af van de aard van de belasting en de plaatsingsvoorwaarden.

Voor de meeste landelijke gebieden prevaleren enkelfasige hoogspanningslijnen met een spanning van 10 kV voornamelijk in twee gevallen:

1) aan de rand van grote dorpen met overwegend woongebouwen,

2) als takken voor de scheiding van kleine nederzettingen waar de ontwikkeling van elektriciteit in de nabije toekomst niet wordt voorzien.

Het gebruik van eenfasige voeding moet als economisch haalbaar worden beschouwd wanneer aanzienlijke besparingen op metaaldraad worden bereikt zonder de netwerkkosten te verhogen. Deze voorwaarde is in de regel haalbaar in gevallen waarin het gebruik van een enkelfasig circuit niet leidt tot een significante toename van de lengte van het hoogspanningsnetwerk.

IA Budzko