Kolmefaasilised ühefaasilised võrgud
Põllumajanduses jaotatakse elektrienergiat kolmefaasilistes võrkudes, mille pinge on reeglina 10 kV koos trafo tarbijapunktidega. See jaotussüsteem võeti kasutusele ilma oluliste muudatusteta kommunaalteenuste praktikas väikelinnade ja madalate hoonetega eeslinnade elektrivarustuses. Maatingimustes on elektrikoormuse tihedus aga palju väiksem kui linnades ja seetõttu toob tänapäevane elektrijaotussüsteem paljudel juhtudel kaasa juhtmete metalli olulise ülekulu.
Selle tõsiseks puuduseks on rasked võrgud pingega 380 V. Trafojaamade suhteliselt suure võimsuse (keskmiselt 63–100 kVA) tõttu teenindab iga trafo märkimisväärset ala, mis nõuab suure ristiga juhtmete kasutamist. -lõik 380 V pingega võrkudes. Selle tulemusena kulub traatmetalli tavaliselt 2 — 3 korda rohkem kui 10 kV võrkudes.
Juhtmete tarbimist madalpingevõrkudes saab vähendada trafojaamade arvu suurendamise ning nende keskmise võimsuse ja teenindusraadiuse vähendamisega. Kolmefaasiline trafojaam on aga suhteliselt kallis konstruktsioon, mille maksumus paigaldatud trafo võimsuse vähenemisega veidi väheneb. Seetõttu toob trafojaama keskmise võimsuse vähendamine alla 40 või 63 kVA kolmefaasilistes võrkudes kaasa trafojaamade kogumaksumuse liigse tõusu. Seetõttu ei ole selline madalpingevõrkude juhtmete tarbimise vähendamise viis alati ökonoomne.
Seevastu kolmefaasilises elektrijaotuses on sageli vaja väiketarbijaid varustada kolme 10 kV võrgujuhtmega. Sel juhul võetakse juhtmete ristlõiked olenevalt tingimustest üle vajaliku pingekadu, kuna need on valitud mehaanilise tugevuse osas minimaalselt lubatud. Selle tulemusena kulub kõrgepingevõrgus üleliigne metall.
Olemasoleva elektrijaotussüsteemi puuduste ületamiseks sega kolmefaasiline ühefaasiline jaotussüsteem.
Segatud elektrijaotussüsteemi olemus on järgmine.
1. Kasutatakse kolmefaasilisi ühefaasilisi segaliine pingega 10 kV, kus põhiliinid on kolmefaasilised ja nendega on ühendatud kõik suured, sh võimsustarbijad. Väiketarbijaid, peamiselt valgustus- ja majapidamiskoormusi, varustatakse ühefaasiliste 10 kV haruliinidega.
2. Ühefaasiliste tarbijate varustamiseks kasutatakse väikese võimsusega ühefaasilisi trafojaamu.
Sega kolmefaasilise ühefaasilise süsteemi järgi valmistatud trafojaamadega võrgu ligikaudne diagramm on näidatud joonisel 1.
Riis. 1. Segatud kolmefaasilise ühefaasilise võrgu skeemi näide
Nagu sellelt graafikult näha, on suurtel kasutajatel enamasti võimsuskoormus neil on kolmefaasiline toiteallikas ja väiketarbijad, enamasti elamud, saavad toite ühefaasilistest trafojaamadest. Ühefaasilised trafod sisaldab faasidevahelist pinget.
Võrdlevad arvutused näitavad, et segasüsteemi kasutamine võib vähendada metalli tarbimist kõrge- ja madalpingejuhtmetes 25 - 35% võrreldes tavalise kolmefaasilise süsteemiga. Võrgu esialgset maksumust olemasolevate hindade ja seadmetüüpide juures saab segasüsteemi kasutades vähendada vaid 5-10%ni.
Segasüsteemis tehtud kõrgepingevõrgus on ühefaasilised trafod kolmnurgaga ühendatud võrgupingele 6 või 10 kV, nagu on näidatud joonisel 1.
On tõestatud, et ebaühtlaselt koormatud kolmefaasilises võrgus jääb lineaarsete pingekadude summa nendel koormustel muutumatuks sõltumata koormuste jaotusest faaside vahel, s.t. dUab + dUbc + dUca = konst.
Praktikas on võrguga ühendatud alati märkimisväärne arv ühefaasilisi koormusi. Neid koormusi saab jaotada nii, et faasidevahelised pingekaod lõpp-punktidesse on ligikaudu võrdsed: dUab ≈ dUbc ≈ dUca
Sel juhul on ebaühtlaselt koormatud liini jõudlus sama, mis samade parameetritega kolmefaasilise ühtlaselt koormatud liinil. Kõigil muudel juhtudel on jõudlus madalam.
Ilmselgelt on segasüsteemi võrgu projekteerimisel vaja koormusi vastavalt jaotades saavutada faasidevahelise pingekadude võrdsuse tingimus. Sel juhul määratakse pingekaod kolmefaasilises liinis sümmeetrilise koormuse valemitega ja need on väikseima võimaliku väärtusega. Sel juhul on arvutus oluliselt lihtsustatud.
10 kV võrgu ühefaasiliste harude ribalaius on 2-6 korda väiksem kui sama ristlõikega kolmefaasilistel harudel. Kuid väikese võimsusega trafojaamade puhul määratakse harujuhtmete ristlõige väga sageli mehaanilistel põhjustel lubatud miinimumiga. Sel juhul on need ühefaasilised, harudel on kolme asemel kaks sama ristlõikega juhet ja metalltraadi säästlikkus on 33%.
Segasüsteemi kohane ühefaasiline madalpingevõrk tehakse kolmejuhtmeliseks keskmise juhiga. Pinge keskmise ja otsa juhtmete vahel on 220 V (joonis 2) ja otsjuhtmete vahel 440 V. Keskmine juhe on maandatud samamoodi nagu nulljuhe maandatud nulliga 380 V süsteemis ja sellega on ühendatud ka seadmete metallosad . Valgustus lülitatakse sisse keskmise ja välimise juhtme vahel ning vool välisjuhtmete vahel. Väikestel 2 kVA trafodel on kaks madalpinge väljundit — 220 või 127 V.
Ühefaasilised trafojaamad on teostatud vastavalt joonisel 2 näidatud skemaatilisele diagrammile.
Riis. 2. Ühefaasilise trafojaama skeem
Trafod on riputatud lihtsal 10 kV vahevõrgu toel.Need on ühendatud kõrgepingevõrguga külgnevale toele paigaldatud lahklüliti kaudu. Trafod on lühise eest kaitstud kõrgepinge kaitsmetega.
Madalpinge poolel on väikesesse karpi monteeritud kaitselüliti ja kaitsmed.
Segasüsteemiga kuni 1 kV pingega liine teostatakse nagu tavavõrkudes. Kui marsruudid langevad kokku, on soovitatav need kõrgepingeliinidega samadele tugedele riputada.
Enamikul segasüsteemide puhul kasutatakse tavaliselt kolmefaasilisi asünkroonmootoreid, mida toidetakse kolmefaasilistest liinidest. Väikese võimsusega ühefaasilisi elektrimootoreid kasutatakse kohtades, kus on saadaval ainult ühefaasiline võimsus, näiteks ventilaatorimootor põlluveski teisaldataval koldel, pumbamootor raudteesõlmel jne. Tavaliselt on selliste mootorite võimsus 1–2 kW ja harva 3–4 kW.
Ühefaasilistes võrkudes on kõige parem kasutada käivituskondensaatoritega spetsiaalseid asünkroonseid elektrimootoreid. Spetsiaalsete mootorite puudumisel võite kasutada tavalisi kolmefaasilisi elektrimootoreid pingega 380/220 V koos käivitusseadmetega kondensaatorite või isegi aktiivsete takistuste kujul.
Aktiivse käivitustakistusega mootori käivitusmoment 440 V pingel on umbes 0,4 mootori nimipöördemomendist kolmefaasilises režiimis, mis vastab 0,65-1,0 nimipöördemomendile ühefaasilises režiimis.
Kui töötava masina käivitusmoment peaks olema üle 0,5 Mn, valitakse suurema võimsusega mootor või ühendatakse see vastavalt võimsusahelale.Kui käivitusvõimsus on sisse lülitatud, on mootori pöördemoment ligikaudu võrdne nimipöördemomendiga kolmefaasilises režiimis.
10 kVA trafost toidetuna saab käivitada mootoreid nimivõimsusega kolmefaasilises režiimis kuni 4,5 kW.
Ühefaasilised mootorid, nii erikonstruktsiooniga kui ka kolmefaasilistest mootoritest ümber ehitatud, on 1,5-2 korda kallimad kui sama võimsusega kolmefaasilised mootorid. Mootorite kallinemine on aga tühine võrreldes säästuga, mis saadakse võrgu ehitamisel ja ekspluateerimisel segajaotussüsteemi abil.
Ühefaasilise ja kolmefaasilise võimsuse suhe kõrgepingevõrgus sõltub koormuse iseloomust ja selle paigutuse tingimustest.
Enamikus maapiirkondades domineerivad ühefaasilised kõrgepingeliinid pingega 10 kV peamiselt kahel juhul:
1) valdava elamukoormusega suurkülade äärealadel,
2) filiaalidena väikeasulate eraldamiseks, kus elektriarendust lähiajal ette näha ei ole.
Ühefaasilise toite kasutamist tuleks pidada majanduslikult otstarbekaks, kui saavutatakse metalltraadi märkimisväärne kokkuhoid ilma võrgukulusid suurendamata. See tingimus on reeglina teostatav juhtudel, kui ühefaasilise vooluahela kasutamine ei too kaasa kõrgepingevõrgu pikkuse märkimisväärset pikenemist.
I. A. Budzko