В сельском хозяйстве электрическую энергию распределяют по трехфазным сетям напряжением, как правило, 10 кВ с трансформаторными потребительскими пунктами. Эта система распределения без особых изменений взята из коммунальной практики электроснабжения небольших городов и пригородов с малоэтажной застройкой. Однако в сельских условиях плотность электрической нагрузки значительно ниже, чем в городах, и поэтому современная система распределения электроэнергии ведет во многих случаях к значительному перерасходу металла проводов.
Серьезным ее недостатком являются тяжелые сети напряжением 380 В. Вследствие сравнительно крупной мощности трансформаторных пунктов (в среднем 63 - 100 кВА) каждый трансформатор обслуживает значительный район, что требует применения проводов больших сечений в сетях напряжением 380 В. В результате этого обычно расходуется металла проводов в 2 - 3 раза больше, чем в сетях 10 кВ.
Расход проводов в низковольтных сетях можно уменьшить, увеличив число трансформаторных пунктов и снизив их среднюю мощность и радиус обслуживания. Однако трехфазный трансформаторный пункт представляет собой сравнительно дорогое сооружение, стоимость которого мало снижается при уменьшении мощности установленного трансформатора. Поэтому уменьшение средней мощности трансформаторного пункта ниже 40 или 63 кВА в трехфазных сетях приводит к чрезмерному увеличению общей стоимости трансформаторных пунктов. Следовательно, такой путь сокращения расхода проводов в сетях низкого напряжения не всегда экономичен.
С другой стороны, при трехфазном распределении электроэнергии часто приходится подводить к мелким потребителям три провода сети напряжением 10 кВ. Сечения проводов при этом берут выше потребных, исходя из условий потери напряжения, так как их выбирают минимально допустимыми по механической прочности. В результате в сети высокого напряжения расходуют излишний металл.
С целью устранения недостатков существующей системы распределения электроэнергии была разработана смешанная трехфазно-однофазная система распределения электроэнергии.
Сущность смешанной системы распределения электроэнергии заключается в следующем.
1. Применяют смешанные трехфазно-однофазные линии напряжением 10 кВ, в которых основные магистрали трехфазные и к ним подключены все крупные, в том числе силовые, потребители. Мелкие потребители, в первую очередь освещение и бытовая нагрузка, питаются от однофазных ответвлений линий напряжением 10 кВ.
2. Для питания однофазных потребителей используют одно фазные трансформаторные пункты небольшой мощности.
Примерная схема сети с трансформаторными пунктами, выполненной по смешанной трехфазно-однофазной системе, показана на рисунке 1.
Рис. 1. Пример схемы смешанной трехфазно-однофазной сети
Как видно из этой схемы, крупные потребители с преимущественно силовой нагрузкой имеют трехфазное питание, а мелкие потребители, в первую очередь жилые дома, питаются от однофазных трансформаторных пунктов. Однофазные трансформаторы включают на междуфазное напряжение.
Как показывают сравнительные расчеты, применение смешанной системы позволяет уменьшить расход металла в проводах высокого и низкого напряжений на 25 - 35 % по сравнению с обычной трехфазной системой. Первоначальная стоимость сети при существующих ценах и типах оборудования может быть снижена путем применения смешанной системы лишь в пределах до 5 - 10 %.
В сети высокого напряжения, выполненной по смешанной системе, однофазные трансформаторы включают в треугольник на линейное напряжение 6 или 10 кВ, как это показано на рисунке 1.
Было доказано, что в неравномерно нагруженной трехфазной сети сумма линейных потерь напряжения при данных нагрузках остается неизменной независимо от распределения нагрузок между фазами, то есть dUab + dUbc + dUca = const.
В практике всегда есть значительное количество подключенных к магистрали однофазных нагрузок. Эти нагрузки можно распределить так, чтобы междуфазные потери напряжения до конечных точек были примерно равны между собой: dUab ≈ dUbc ≈ dUca
В этом случае пропускная способность неравномерно нагруженной линии такая же, как и трехфазной равномерно нагруженной линии с теми же параметрами. Во всех других случаях пропускная способность ниже.
Очевидно, что при проектировании сети по смешанной системе нужно, распределяя соответствующим образом нагрузки, добиваться выполнения условия равенства междуфазных потерь напряжения. При этом потери напряжения в трехфазной магистрали определяют по формулам для симметричной нагрузки, и они имеют наименьшее возможное значение. Расчет в этом случае значительно упрощается.
Однофазные ответвления от сети напряжением 10 кВ обладают в 2 - 6 раз меньшей пропускной способностью, чем трехфазные того же сечения. Однако при малой мощности трансформаторных пунктов очень часто сечение проводов ответвлений определяют минимумом, допустимым из механических соображений. В этом случае однофазные, ответвления имеют вместо трех два провода того же сечения и экономия металла проводов составляет 33 %.
Однофазную сеть низкого напряжения по смешанной системе выполняют трехпроводной со средним проводом. Напряжение между средним и крайними проводами 220 В (рис. 2), а между крайними проводами 440 В. Средний провод заземляют так же, как нулевой провод в системе 380 В с заземленной нейтралью, и так же соединяют с ним металлические части оборудования. Осветительную нагрузку включают между средним и крайними проводами, а силовую — между крайними проводами. Малые трансформаторы мощностью 2 кВА имеют два вывода низкого напряжения — 220 или 127 В.
Однофазные трансформаторные пункты выполняют по принципиальной схеме, изображенной на рисунке 2.
Трансформаторы подвешивают на обычную промежуточную опору сети напряжением 10 кВ. Присоединяют их к сети высокого напряжения через разъединитель, устанавливаемый на соседней опоре. От коротких замыканий трансформаторы защищают предохранителями высокого напряжения.
На стороне низкого напряжения устанавливают рубильник и плавкие предохранители, помещаемые в небольшом ящике.
Линии напряжением до 1 кВ при смешанной системе выполняют, как в обычных сетях. При совпадении трасс целесообразно подвешивать их на одних опорах с линиями высокого напряжения.
В подавляющем большинстве случаев при смешанной системе используют обычно трехфазные асинхронные двигатели, питаемые от трехфазных линий. Однофазные электрические двигатели небольшой мощности применяют в местах, где есть только однофазное питание, например двигатель вентилятора переносного горна на полевом стане, двигатель насоса на железнодорожном разъезде и т. п. Обычно мощность таких двигателей составляет 1 - 2 кВт и редко 3 - 4 кВт.
Лучше всего использовать в однофазных сетях специальные асинхронные электродвигатели с пусковыми конденсаторами. При отсутствии специальных двигателей можно применить стандартные трехфазные электродвигатели напряжением 380/220 В с пусковыми устройствами в виде конденсаторов или даже активных сопротивлений.
Пусковой момент двигателя с активным пусковым сопротивлением при напряжении 440 В составляет около 0,4 номинального момента двигателя в трехфазном режиме, что соответствует 0,65 - 1,0 номинального момента в однофазном режиме.
Если для рабочей машины пусковой момент должен быть больше 0,5Мн, выбирают двигатель большей мощности или же включают его по схеме с емкостью. При включении пусковой емкости момент двигателя примерно равен номинальному моменту в трехфазном режиме.
При питании от трансформатора мощностью 10 кВА можно запускать двигатели с номинальной мощностью в трехфазном режиме до 4,5 кВт.
Однофазные двигатели как специального исполнения, так и переоборудованные из трехфазных в 1,5 - 2 раза дороже трехфазных той же мощности. Однако удорожание двигателей незначительно по сравнению с экономией, которую получают при строительстве и эксплуатации сети, применяя смешанную систему распределения электроэнергии.
Соотношение между однофазной и трехфазной мощностями в высоковольтной сети зависит от характера нагрузки и условий ее размещения.
Для большинства сельских районов однофазные высоковольтные линии напряжением 10 кВ получают распространение преимущественно в двух случаях:
1) на окраинах крупных селений с преобладающей нагрузкой жилых домов,
2) в качестве ответвлений к отдельным небольшим населенным пунктам, где не предусматривается в ближайшее время развитие силового электропотребления.
Применение однофазного питания следует считать экономически целесообразным, когда достигается существенная экономия металла проводов без увеличения стоимости сети. Это условие, как правило, выполнимо в тех случаях, когда применение однофазной схемы не влечет за собой значительного увеличения протяженности высоковольтной сети.
Будзко И. А.