Dreiphasige Einphasennetze

In der Landwirtschaft wird elektrische Energie in Drehstromnetzen mit einer Spannung von in der Regel 10 kV mit transformatorischen Verbraucherpunkten verteilt. Dieses Verteilungssystem wurde ohne wesentliche Änderungen von der Praxis der Versorgungsunternehmen zur Stromversorgung von Kleinstädten und Vororten mit niedrigen Gebäuden übernommen. In ländlichen Gebieten ist die Dichte der elektrischen Last jedoch viel geringer als in Städten, und daher führt das moderne System der Stromverteilung in vielen Fällen zu einem erheblichen Mehrverbrauch des Metalls der Leitungen.

Sein gravierender Nachteil sind die schweren Netze mit einer Spannung von 380 V. Aufgrund der relativ großen Leistung der Umspannwerke (im Durchschnitt 63–100 kVA) versorgt jeder Transformator einen erheblichen Bereich, was den Einsatz von Drähten mit großem Querschnitt erfordert -Abschnitt in Netzen mit einer Spannung von 380 V. Darüber hinaus wird Drahtmetall in der Regel zwei- bis dreimal mehr verbraucht als in 10-kV-Netzen.

Der Leitungsverbrauch in Niederspannungsnetzen kann reduziert werden, indem die Anzahl der Transformatorstationen erhöht und deren durchschnittliche Leistung und Versorgungsradius verringert werden. Allerdings handelt es sich bei der Dreiphasen-Transformatorstation um eine relativ teure Konstruktion, deren Kosten mit abnehmender Leistung des installierten Transformators leicht sinken. Daher führt die Reduzierung der durchschnittlichen Leistung einer Umspannstation unter 40 oder 63 kVA in Drehstromnetzen zu einem übermäßigen Anstieg der Gesamtkosten von Umspannstationen. Daher ist diese Art der Reduzierung des Leitungsverbrauchs in Niederspannungsnetzen nicht immer wirtschaftlich.

Andererseits ist es bei der dreiphasigen Energieverteilung häufig erforderlich, drei 10-kV-Netzleiter an Kleinverbraucher zu liefern. In diesem Fall werden die Querschnitte der Drähte je nach den Bedingungen über dem erforderlichen Wert liegen Spannungsverlust, da sie hinsichtlich der mechanischen Festigkeit als minimal zulässig gewählt werden. Dadurch wird überschüssiges Metall im Hochspannungsnetz verbraucht.

Um die Mängel des bestehenden Stromverteilungssystems zu überwinden, wurde ein gemischtes dreiphasiges einphasiges Verteilungssystem entwickelt.

Der Kern des gemischten Stromverteilungssystems ist wie folgt.

1. Es werden gemischte dreiphasige Einphasenleitungen mit einer Spannung von 10 kV verwendet, wobei die Hauptleitungen dreiphasig sind und alle großen Verbraucher, einschließlich Strom, daran angeschlossen sind. Kleine Verbraucher, hauptsächlich Beleuchtung und Haushaltsverbraucher, werden über einphasige 10-kV-Abzweigleitungen versorgt.

2. Einphasige Transformatorstationen mit geringer Leistung dienen zur Versorgung einphasiger Verbraucher.

Ein ungefähres Diagramm eines Netzwerks mit Transformatorstationen, das nach einem gemischten dreiphasigen Einphasensystem hergestellt wurde, ist in Abbildung 1 dargestellt.

Reis. 1. Beispiel eines Diagramms eines gemischten dreiphasigen Einphasennetzes

Wie aus dieser Tabelle ersichtlich ist, handelt es sich überwiegend um große Benutzer Stromlast verfügen über eine dreiphasige Stromversorgung und Kleinverbraucher, meist Wohngebäude, werden über einphasige Trafostationen mit Strom versorgt. Einphasentransformatoren umfasst die Spannung zwischen den Phasen.

Vergleichsrechnungen zeigen, dass durch den Einsatz eines Mischsystems der Metallverbrauch in Hoch- und Niederspannungsleitungen im Vergleich zu einem herkömmlichen Drehstromsystem um 25 – 35 % gesenkt werden kann. Die Anschaffungskosten des Netzwerks bei bestehenden Preisen und Gerätetypen können durch den Einsatz eines gemischten Systems auf nur 5-10 % gesenkt werden.

In einem Hochspannungsnetz, das in einem gemischten System aufgebaut ist, werden einphasige Transformatoren für eine Netzspannung von 6 oder 10 kV in Dreieck geschaltet, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Es ist erwiesen, dass in einem ungleichmäßig belasteten Drehstromnetz die Summe der linearen Spannungsverluste an diesen Lasten unabhängig von der Verteilung der Lasten auf die Phasen unverändert bleibt, d.h. dUab + dUbc + dUca = const.

In der Praxis ist immer eine erhebliche Anzahl einphasiger Lasten an das Netzwerk angeschlossen. Diese Lasten können so verteilt werden, dass die verketteten Spannungsverluste zu den Endpunkten annähernd gleich sind: dUab ≈ dUbc ≈ dUca

In diesem Fall entspricht die Leistung einer ungleichmäßig belasteten Leitung der einer dreiphasigen, gleichmäßig belasteten Leitung mit denselben Parametern. In allen anderen Fällen ist die Leistung geringer.

Offensichtlich ist es beim Entwurf eines Netzwerks für ein gemischtes System notwendig, durch entsprechende Lastverteilung die Bedingung der Gleichheit der Spannungsverluste zwischen den Phasen zu erreichen. In diesem Fall werden die Spannungsverluste in einer Drehstromleitung durch die Formeln für eine symmetrische Belastung bestimmt und haben den geringstmöglichen Wert. Die Berechnung wird in diesem Fall stark vereinfacht.

Einphasige Abzweige aus einem 10-kV-Netz haben eine 2-6-mal geringere Bandbreite als dreiphasige Abzweige mit gleichem Querschnitt. Bei Transformatorstationen mit geringer Leistung wird der Querschnitt der Abzweigleitungen jedoch sehr oft durch den aus mechanischen Gründen zulässigen Mindestquerschnitt bestimmt. In diesem Fall sind sie einphasig, die Zweige haben zwei statt drei Drähte mit dem gleichen Querschnitt und die Wirtschaftlichkeit von Metalldrähten beträgt 33 %.

Ein einphasiges Niederspannungsnetz nach einem gemischten System besteht aus drei Leitern mit einem mittleren Leiter. Die Spannung zwischen dem Mittel- und Enddraht beträgt 220 V (Abb. 2) und zwischen den Enddrähten 440 V. Der Mitteldraht ist auf die gleiche Weise geerdet wie der Neutralleiter in einem 380-V-System mit geerdetem Neutralleiter Daran sind auch Metallteile des Gerätes angeschlossen. Die Beleuchtung wird zwischen den mittleren und äußeren Drähten eingeschaltet, der Strom zwischen den äußeren Drähten. Kleine 2-kVA-Transformatoren verfügen über zwei Niederspannungsausgänge – 220 oder 127 V.

Einphasige Transformatorstationen werden gemäß dem schematischen Diagramm in Abbildung 2 implementiert.

Reis. 2. Schema einer einphasigen Transformatorstation

Die Transformatoren sind an einem einfachen 10-kV-Zwischennetzträger aufgehängt.Der Anschluss an das Hochspannungsnetz erfolgt über einen Trennschalter, der auf einem angrenzenden Träger installiert ist. Transformatoren werden durch Hochspannungssicherungen gegen Kurzschlüsse geschützt.

Auf der Niederspannungsseite sind ein Leistungsschalter und Sicherungen in einem kleinen Kasten montiert.

Leitungen mit einer Spannung von bis zu 1 kV im Mischsystem werden wie in herkömmlichen Netzen ausgeführt. Wenn die Routen übereinstimmen, empfiehlt es sich, sie mit Hochspannungsleitungen an denselben Trägern aufzuhängen.

In den meisten gemischten Systemfällen werden üblicherweise Drehstrom-Induktionsmotoren verwendet, die aus Drehstromnetzen gespeist werden. Einphasige Elektromotoren mit geringer Leistung werden an Orten eingesetzt, an denen nur einphasiger Strom verfügbar ist, beispielsweise als Lüftermotor an einer tragbaren Feuerstelle in einer Feldmühle, als Pumpenmotor an einem Eisenbahnknotenpunkt usw. Typischerweise beträgt die Leistung solcher Motoren 1 – 2 kW und selten 3 – 4 kW.

In einphasigen Netzen werden am besten spezielle Asynchron-Elektromotoren mit Anlaufkondensatoren eingesetzt. Wenn keine speziellen Motoren vorhanden sind, können Sie Standard-Drehstrom-Elektromotoren mit einer Spannung von 380/220 V mit Startvorrichtungen in Form von Kondensatoren oder sogar aktiven Widerständen verwenden.

Das Anlaufdrehmoment eines Motors mit aktivem Anlaufwiderstand beträgt bei einer Spannung von 440 V etwa 0,4 des Nenndrehmoments des Motors im Drehstrombetrieb, was 0,65-1,0 des Nenndrehmoments im Einphasenbetrieb entspricht.

Sollte bei einer Arbeitsmaschine das Anlaufmoment mehr als 0,5 Mn betragen, wird ein Motor mit größerer Leistung gewählt oder dieser nach einer Kapazitätsschaltung angeschlossen.Bei eingeschalteter Startleistung entspricht das Motordrehmoment etwa dem Nenndrehmoment im Drehstrombetrieb.

Bei Speisung aus einem 10-kVA-Transformator können Motoren mit einer Nennleistung im Drehstrombetrieb bis 4,5 kW gestartet werden.

Einphasenmotoren, sowohl in Sonderkonstruktion als auch umgebaut aus Drehstrommotoren, sind 1,5-2 mal teurer als Drehstrommotoren gleicher Leistung. Allerdings ist der Anstieg der Motorenkosten im Vergleich zu den Einsparungen, die durch den Aufbau und Betrieb des Netzes mit einem gemischten Stromverteilungssystem erzielt werden, unbedeutend.

Das Verhältnis zwischen einphasiger und dreiphasiger Leistung in einem Hochspannungsnetz hängt von der Art der Last und den Bedingungen ihrer Platzierung ab.

In den meisten ländlichen Gebieten überwiegen einphasige Hochspannungsleitungen mit einer Spannung von 10 kV hauptsächlich in zwei Fällen:

1) am Rande großer Dörfer mit überwiegender Wohnbebauung,

2) als Zweigstellen zur Trennung kleiner Siedlungen, in denen der Ausbau der Elektrizitätsversorgung in naher Zukunft nicht vorgesehen ist.

Der Einsatz von Einphasenstrom sollte als wirtschaftlich sinnvoll angesehen werden, wenn erhebliche Einsparungen bei den Metalldrähten erzielt werden, ohne dass die Netzwerkkosten steigen. Diese Bedingung ist in der Regel dann realisierbar, wenn die Verwendung eines einphasigen Stromkreises nicht zu einer wesentlichen Verlängerung der Länge des Hochspannungsnetzes führt.

I. A. Budzko