Kolmivaiheiset yksivaiheverkot
Maataloudessa sähköenergiaa jaetaan kolmivaiheisiin verkkoihin, joiden jännite on pääsääntöisesti 10 kV muuntajan kulutuspisteillä. Tämä jakelujärjestelmä otettiin käyttöön ilman merkittäviä muutoksia yleishyödyllisiin käytäntöihin sähkön toimittamisessa pienille kaupungeille ja esikaupunkialueille, joissa on matalat rakennukset. Maaseutuolosuhteissa sähkökuorman tiheys on kuitenkin paljon pienempi kuin kaupungeissa, ja siksi nykyaikainen sähkönjakelujärjestelmä johtaa monissa tapauksissa johtojen metallin merkittävään ylikulutukseen.
Sen vakava haitta on raskaat verkot, joiden jännite on 380 V. Muuntajaasemien suhteellisen suuresta kapasiteetista johtuen (keskimäärin 63 - 100 kVA) jokainen muuntaja palvelee merkittävää aluetta, mikä vaatii suuren ristin johtojen käyttöä. -osuus 380 V:n jännitteissä verkoissa. Tämän seurauksena metallilanka kulutetaan yleensä 2 - 3 kertaa enemmän kuin 10 kV verkoissa.
Pienjänniteverkoissa johtojen kulutusta voidaan vähentää lisäämällä muuntajaasemien määrää ja pienentämällä niiden keskimääräistä tehoa ja palvelusädettä. Kolmivaiheinen muuntajaasema on kuitenkin suhteellisen kallis rakennelma, jonka hinta laskee hieman asennetun muuntajan tehon pienentyessä. Siksi muuntajaaseman keskitehon pudottaminen alle 40 tai 63 kVA kolmivaiheverkoissa johtaa muuntajaasemien kokonaiskustannusten liialliseen nousuun. Siksi tämä tapa vähentää johtojen kulutusta pienjänniteverkoissa ei ole aina taloudellinen.
Toisaalta kolmivaiheisessa sähkönjakelussa pienille kuluttajille on usein tarpeen syöttää kolme 10 kV verkkojohdinta. Tässä tapauksessa johtojen poikkileikkaukset otetaan olosuhteista riippuen tarpeellisen yläpuolelle jännitehäviö, koska ne on valittu pienimmiksi sallituiksi mekaanisen lujuuden kannalta. Tämän seurauksena korkeajänniteverkossa kuluu ylimääräistä metallia.
Nykyisen sähkönjakelujärjestelmän puutteiden poistamiseksi kolmivaiheinen sekoitettu yksivaiheinen jakelujärjestelmä.
Sekoitettu sähkönjakelujärjestelmän olemus on seuraava.
1. Käytetään kolmivaiheisia yksivaiheisia sekajohtoja, joiden jännite on 10 kV, joissa pääjohdot ovat kolmivaiheisia ja niihin on kytketty kaikki suuret, mukaan lukien tehokuluttajat. Pienet kuluttajat, pääasiassa valaistus ja kotitalouskuormat, toimitetaan yksivaiheisilla 10 kV haarajohdoilla.
2. Pienitehoisia yksivaiheisia muuntajaasemia käytetään yksivaiheisten kuluttajien syöttämiseen.
Kuvassa 1 on likimääräinen kaavio verkosta, jossa on muuntaja-asemia, jotka on valmistettu seka-kolmivaiheisen yksivaihejärjestelmän mukaan.
Riisi. 1. Esimerkki kolmivaiheisen sekaverkon kaaviosta
Kuten tästä kaaviosta voidaan nähdä, suuret käyttäjät käyttävät enimmäkseen teho kuormitus on kolmivaiheinen virtalähde, ja pienet kuluttajat, enimmäkseen asuinrakennukset, saavat virtaa yksivaiheisista muuntaja-asemilta. Yksivaiheiset muuntajat sisältää vaiheiden välisen jännitteen.
Vertailevat laskelmat osoittavat, että sekajärjestelmän käyttö voi vähentää metallin kulutusta korkea- ja pienjännitejohdoissa 25 - 35 % verrattuna perinteiseen kolmivaihejärjestelmään. Verkon alkukustannukset olemassa olevilla hinnoilla ja laitetyypeillä voidaan vähentää sekajärjestelmää käyttämällä vain 5-10 prosenttiin.
Sekaverkossa tehdyssä suurjänniteverkossa yksivaihemuuntajat on kolmiokytketty 6 tai 10 kV verkkojännitteelle kuvan 1 mukaisesti.
On todistettu, että epätasaisesti kuormitetussa kolmivaiheisessa verkossa lineaaristen jännitehäviöiden summa näillä kuormilla pysyy muuttumattomana riippumatta kuormien jakautumisesta vaiheiden välillä, ts. dUab + dUbc + dUca = vakio.
Käytännössä verkkoon on aina kytketty merkittävä määrä yksivaihekuormia. Nämä kuormat voidaan jakaa siten, että vaiheiden väliset jännitehäviöt päätepisteisiin ovat suunnilleen samat keskenään: dUab ≈ dUbc ≈ dUca
Tässä tapauksessa epätasaisesti kuormitetun johdon suorituskyky on sama kuin kolmivaiheisen tasaisesti kuormitetun johdon, jolla on samat parametrit. Kaikissa muissa tapauksissa suorituskyky on heikompi.
On selvää, että kun suunnitellaan verkkoa sekajärjestelmää varten, on välttämätöntä jakamalla kuormat vastaavasti saavuttaa tasa-arvo vaiheiden välisten jännitehäviöiden välillä. Tässä tapauksessa kolmivaiheisen johdon jännitehäviöt määräytyvät symmetrisen kuorman kaavoilla ja niillä on pienin mahdollinen arvo. Laskenta on tässä tapauksessa yksinkertaistettu huomattavasti.
10 kV verkon yksivaihehaaroilla on 2-6 kertaa pienempi kaistanleveys kuin saman poikkileikkauksen omaavilla kolmivaihehaaroilla. Pienitehoisilla muuntajaasemilla haarajohtojen poikkileikkaus määräytyy kuitenkin mekaanisista syistä pienimmän sallitun mukaan. Tässä tapauksessa ne ovat yksivaiheisia, haaroissa on kaksi saman poikkileikkauksen johtoa kolmen sijasta ja metallilangan taloudellisuus on 33%.
Sekajärjestelmän mukainen yksivaiheinen pienjänniteverkko tehdään kolmijohtimiseksi keskimääräisellä johtimella. Keski- ja päätyjohtimien välinen jännite on 220 V (kuva 2) ja päätyjohtojen välinen jännite 440 V. Keskijohdin on maadoitettu samalla tavalla kuin nollajohdin 380 V:n järjestelmässä, jossa on maadoitettu nolla. siihen liitetään myös laitteiston metalliosat. Valaistus kytkeytyy keski- ja ulkojohtimien väliin ja virta ulompien johtimien väliin. Pienissä 2 kVA muuntajissa on kaksi pienjännitelähtöä - 220 tai 127 V.
Yksivaiheiset muuntaja-asemat on toteutettu kuvassa 2 esitetyn kaavion mukaisesti.
Riisi. 2. Kaavio yksivaiheisesta muuntaja-asemasta
Muuntajat on ripustettu yksinkertaiseen 10 kV väliverkkotukeen.Ne on kytketty suurjänniteverkkoon viereiseen tukeen asennetun erottimen kautta. Muuntajat on suojattu oikosulkuja vastaan suurjännitesulakkeilla.
Pienjännitepuolella katkaisija ja sulakkeet on asennettu pieneen laatikkoon.
Johdot, joiden jännite on enintään 1 kV sekajärjestelmällä, suoritetaan kuten tavanomaisissa verkoissa. Jos reitit osuvat yhteen, on suositeltavaa ripustaa ne samoihin tukiin korkeajännitelinjojen kanssa.
Useimmissa sekajärjestelmissä käytetään yleensä kolmivaiheisia oikosulkumoottoreita, jotka syötetään kolmivaiheisista linjoista. Pienitehoisia yksivaihesähkömoottoreita käytetään paikoissa, joissa on vain yksivaiheista tehoa, esimerkiksi tuuletinmoottori kenttämyllyssä kannettavassa tulisijassa, pumppumoottori rautatien risteyksessä jne. Tyypillisesti tällaisten moottoreiden teho on 1-2 kW ja harvoin 3-4 kW.
Yksivaiheisissa verkoissa on parasta käyttää erityisiä asynkronisia sähkömoottoreita, joissa on käynnistyskondensaattorit. Erikoismoottoreiden puuttuessa voit käyttää tavallisia kolmivaiheisia sähkömoottoreita, joiden jännite on 380/220 V ja joissa on käynnistyslaitteet kondensaattoreiden tai jopa aktiivisten vastusten muodossa.
Aktiivisella käynnistysresistanssilla varustetun moottorin käynnistysmomentti 440 V:n jännitteellä on noin 0,4 moottorin nimellisvääntömomentista kolmivaihetilassa, mikä vastaa 0,65-1,0 nimellismomenttia yksivaihetilassa.
Jos työkoneella käynnistysmomentti on yli 0,5 Mn, valitaan suurempitehoinen moottori tai se kytketään kapasiteettipiirin mukaan.Kun käynnistyskapasiteetti on kytketty päälle, moottorin vääntömomentti on suunnilleen sama kuin nimellisvääntömomentti kolmivaihetilassa.
10 kVA:n muuntajalla syötettynä voidaan käynnistää moottorit, joiden nimellisteho kolmivaihetilassa on 4,5 kW asti.
Yksivaiheiset moottorit, sekä erikoisrakenteiset että kolmivaihemoottoreista muunnetut, ovat 1,5-2 kertaa kalliimpia kuin saman tehoiset kolmivaihemoottorit. Moottoreiden kustannusten nousu on kuitenkin merkityksetön verrattuna säästöihin, joita saadaan verkon rakentamisessa ja käytössä sekavoimanjakelujärjestelmällä.
Yksivaiheisen ja kolmivaiheisen tehon suhde suurjänniteverkossa riippuu kuorman luonteesta ja sen sijoitusolosuhteista.
Useimmilla maaseutualueilla yksivaiheiset suurjännitejohdot, joiden jännite on 10 kV, vallitsevat pääasiassa kahdessa tapauksessa:
1) suurten kylien laitamilla, joissa on vallitseva asuinrakennuskuorma,
2) sivukonttoina pienten asuinalueiden erottamiseen, joissa sähkön kehitystä ei ole lähitulevaisuudessa ennakoitavissa.
Yksivaiheisen tehon käyttöä tulisi pitää taloudellisesti kannattavana, kun metallilangassa saavutetaan merkittäviä säästöjä verkkokustannuksia nostamatta. Tämä ehto on pääsääntöisesti mahdollista tapauksissa, joissa yksivaiheisen piirin käyttö ei johda merkittävään suurjänniteverkon pituuden pidentämiseen.
I. A. Budzko