Háromfázisú egyfázisú hálózatok

A mezőgazdaságban az elektromos energiát háromfázisú hálózatokban osztják el, általában 10 kV feszültségű transzformátor fogyasztói pontokkal. Ezt az elosztási rendszert a kisvárosok és az alacsony épületekkel rendelkező elővárosok villamosenergia-ellátására vonatkozó közüzemi gyakorlat jelentős változtatása nélkül fogadták el. Vidéki körülmények között azonban az elektromos terhelés sűrűsége jóval kisebb, mint a városokban, ezért a modern villamosenergia-elosztási rendszer sok esetben a vezetékek fémének jelentős túlköltéséhez vezet.

Komoly hátránya a nehéz, 380 V feszültségű hálózatok. A transzformátorállomások viszonylag nagy kapacitása (átlagosan 63 — 100 kVA) miatt minden transzformátor jelentős területet szolgál ki, amihez nagy keresztirányú vezetékek használata szükséges. -szakasz 380 V feszültségű hálózatokban. Ennek eredményeként a fémhuzal általában 2-3-szor többet fogyaszt, mint a 10 kV-os hálózatokban.

A kisfeszültségű hálózatok vezetékfogyasztása csökkenthető a transzformátorállomások számának növelésével, átlagos teljesítményük és szolgáltatási sugaruk csökkentésével. A háromfázisú transzformátor állomás azonban viszonylag drága konstrukció, amelynek költsége kissé csökken a beépített transzformátor teljesítményének csökkenésével. Ezért egy transzformátorállomás átlagos teljesítményének 40 vagy 63 kVA alá csökkentése háromfázisú hálózatokban a transzformátorállomások összköltségének túlzott növekedéséhez vezet. Ezért a kisfeszültségű hálózatokban a vezetékek fogyasztásának csökkentésének ez a módja nem mindig gazdaságos.

Másrészt a háromfázisú áramelosztásban gyakran szükséges három 10 kV-os hálózati vezeték ellátása a kisfogyasztók számára. Ebben az esetben a vezetékek keresztmetszete a körülményektől függően a szükséges fölé kerül feszültségveszteség, mivel a mechanikai szilárdság szempontjából minimálisan megengedettnek vannak kiválasztva. Ennek eredményeként a fémtöbblet elfogy a nagyfeszültségű hálózatban.

A meglévő áramelosztó rendszer hiányosságainak kiküszöbölésére vegyes háromfázisú egyfázisú elosztó rendszer.

A vegyes áramelosztó rendszer lényege a következő.

1. Vegyes háromfázisú, 10 kV feszültségű egyfázisú vezetékeket használnak, ahol a fővezetékek háromfázisúak, és minden nagy fogyasztó, beleértve a teljesítményt is, rá van kötve. A kisfogyasztók, elsősorban a világítás és a háztartási terhelések ellátása egyfázisú 10 kV-os leágazó vezetékeken történik.

2. Kis teljesítményű egyfázisú transzformátorállomások egyfázisú fogyasztók ellátására szolgálnak.

A vegyes háromfázisú egyfázisú rendszer szerint készült transzformátorállomásos hálózat hozzávetőleges diagramja az 1. ábrán látható.

Rizs. 1. Példa egy vegyes háromfázisú egyfázisú hálózat diagramjára

Amint az ebből a diagramból látható, a nagy felhasználók többnyire teljesítmény terhelés háromfázisú tápellátással rendelkeznek, a kisfogyasztók, többnyire lakóépületek pedig egyfázisú transzformátor állomásokról táplálkoznak. Egyfázisú transzformátorok fázisok közötti feszültséget tartalmaz.

Az összehasonlító számítások azt mutatják, hogy a vegyes rendszer használata 25-35%-kal csökkentheti a fémfogyasztást a nagy- és kisfeszültségű vezetékekben a hagyományos háromfázisú rendszerekhez képest. A hálózat kezdeti költsége a meglévő árakon és berendezések típusai mellett vegyes rendszer alkalmazásával mindössze 5-10%-ra csökkenthető.

A vegyes rendszerben készült nagyfeszültségű hálózatban az egyfázisú transzformátorok delta-kapcsolásúak 6 vagy 10 kV hálózati feszültséghez, ahogy az 1. ábrán látható.

Bebizonyosodott, hogy egy egyenlőtlenül terhelt háromfázisú hálózatban ezeknél a terheléseknél a lineáris feszültségveszteségek összege változatlan marad a terhelések fázisok közötti eloszlásától függetlenül, pl. dUab + dUbc + dUca = állandó.

A gyakorlatban mindig jelentős számú egyfázisú terhelés kapcsolódik a hálózathoz. Ezeket a terheléseket úgy lehet elosztani, hogy a végpontokon a fázisok közötti feszültségveszteségek megközelítőleg egyenlőek legyenek egymással: dUab ≈ dUbc ≈ dUca

Ebben az esetben a nem egyenletesen terhelt vezeték teljesítménye megegyezik az azonos paraméterekkel rendelkező háromfázisú egyenletes terhelésű vezetékével. Minden más esetben alacsonyabb a teljesítmény.

Nyilvánvalóan vegyes rendszerű hálózat tervezésekor a terhelések megfelelő elosztásával a fázis-fázisú feszültségveszteségek közötti egyenlőség feltételét kell elérni. Ebben az esetben a háromfázisú vezeték feszültségveszteségeit a szimmetrikus terhelés képlete határozza meg, és ezek a lehető legalacsonyabb értékkel rendelkeznek. A számítás ebben az esetben jelentősen leegyszerűsödik.

A 10 kV-os hálózat egyfázisú ágai 2-6-szor kisebb sávszélességgel rendelkeznek, mint az azonos keresztmetszetű háromfázisú ágak. Az alacsony teljesítményű transzformátorállomásoknál azonban nagyon gyakran az elágazó vezetékek keresztmetszetét a mechanikai okokból megengedett minimum határozza meg. Ebben az esetben egyfázisúak, az ágakban három helyett két azonos keresztmetszetű vezeték van, a fémhuzal gazdaságossága 33%.

A vegyes rendszer szerinti egyfázisú kisfeszültségű hálózat háromvezetékes, átlagos vezetővel készül. A középső és a végvezeték közötti feszültség 220 V (2. ábra), a végvezetékek között pedig 440 V. A középső vezetéket ugyanúgy földeljük, mint a nulla vezetéket egy 380 V-os rendszerben, földelt nullával, ill. a berendezés fém részei is rá vannak kötve . A világítás a középső és a külső vezeték között, a tápfeszültség pedig a külső vezetékek között van bekapcsolva. A kisméretű, 2 kVA-os transzformátorok két alacsony feszültségű kimenettel rendelkeznek - 220 vagy 127 V.

Az egyfázisú transzformátor állomások a 2. ábrán látható sematikus diagram szerint vannak megvalósítva.

Rizs. 2. Egyfázisú transzformátor állomás vázlata

A transzformátorok egy egyszerű 10 kV-os közbenső hálózati támaszra vannak felfüggesztve.A szomszédos tartóra szerelt szakaszolón keresztül nagyfeszültségű hálózatra csatlakoznak. A transzformátorokat nagyfeszültségű biztosítékok védik a rövidzárlat ellen.

Az alacsony feszültségű oldalon egy kis dobozban megszakító és biztosítékok vannak felszerelve.

A vegyes rendszerű, legfeljebb 1 kV feszültségű vezetékeket a hagyományos hálózatokhoz hasonlóan hajtják végre. Ha az útvonalak egybeesnek, ajánlatos a nagyfeszültségű vezetékekkel azonos tartókra akasztani.

A vegyes rendszerű esetek többségében általában háromfázisú, háromfázisú vezetékről táplált aszinkronmotorokat alkalmaznak. Kis teljesítményű, egyfázisú villanymotorokat olyan helyeken alkalmaznak, ahol csak egyfázisú áram áll rendelkezésre, például ventilátormotor egy hordozható tűzhelyen egy szántóföldi malomban, egy szivattyúmotor vasúti csomóponton stb. Az ilyen motorok teljesítménye jellemzően 1-2 kW, ritkán 3-4 kW.

A legjobb, ha speciális aszinkron villanymotorokat használnak indító kondenzátorokkal egyfázisú hálózatokban. Speciális motorok hiányában 380/220 V feszültségű szabványos háromfázisú villanymotorok használhatók, indítóeszközökkel kondenzátorok vagy akár aktív ellenállások formájában.

Az aktív indítóellenállású motor indítónyomatéka 440 V feszültségen körülbelül 0,4-e a motor névleges nyomatékának háromfázisú üzemmódban, ami egyfázisú üzemmódban a névleges nyomaték 0,65-1,0-ának felel meg.

Ha egy működő gépnél az indítónyomaték 0,5 Mn-nál nagyobb, akkor nagyobb teljesítményű motort kell választani, vagy kapacitásáramkör szerint csatlakoztatni.Az indítási kapacitás bekapcsolásakor a motor nyomatéka megközelítőleg megegyezik a háromfázisú üzemmód névleges nyomatékával.

10 kVA-es transzformátorról táplálva háromfázisú üzemmódban 4,5 kW névleges teljesítményű motorok indíthatók.

Az egyfázisú motorok, mind a speciális felépítésűek, mind a háromfázisú motorokból átalakítva, 1,5-2-szer drágábbak, mint az azonos teljesítményű háromfázisú motorok. A motorok költségnövekedése azonban elenyésző ahhoz a megtakarításhoz képest, amely a vegyes áramelosztó rendszerrel történő hálózat kiépítése és üzemeltetése során keletkezik.

Az egyfázisú és a háromfázisú teljesítmény aránya a nagyfeszültségű hálózatban a terhelés jellegétől és elhelyezésének körülményeitől függ.

A legtöbb vidéki területen az egyfázisú, 10 kV feszültségű nagyfeszültségű vezetékek főleg két esetben érvényesülnek:

1) túlnyomórészt lakóépülettel rendelkező nagyfalvak külterületén,

2) fióktelepként olyan kistelepülések elválasztására, ahol a villamosenergia-fejlesztés a közeljövőben nem várható.

Az egyfázisú áramellátást akkor kell gazdaságilag megvalósíthatónak tekinteni, ha jelentős megtakarítás érhető el a fémhuzalban a hálózati költségek növelése nélkül. Ez a feltétel általában megvalósítható olyan esetekben, amikor az egyfázisú áramkör használata nem vezet a nagyfeszültségű hálózat hosszának jelentős növekedéséhez.

I. A. Budzko