Reti monofase trifase

In agricoltura, l'energia elettrica viene distribuita in reti trifase con una tensione, di norma, di 10 kV con punti di consumo del trasformatore. Questo sistema di distribuzione è stato adottato senza modifiche significative rispetto alla pratica delle utenze per la fornitura di elettricità a piccoli centri e periferie con edifici bassi. Tuttavia, in condizioni rurali, la densità del carico elettrico è molto inferiore rispetto alle città, e quindi il moderno sistema di distribuzione dell'elettricità porta in molti casi a una notevole spesa eccessiva del metallo dei fili.

Il suo grave svantaggio sono le reti pesanti con una tensione di 380 V. A causa della capacità relativamente grande delle stazioni di trasformazione (in media 63 - 100 kVA), ogni trasformatore serve un'area significativa, che richiede l'uso di cavi con una grande croce -sezione in reti con una tensione di 380 V. Di conseguenza, il filo metallico viene solitamente consumato in 2 - 3 volte di più rispetto alle reti da 10 kV.

Il consumo di cavi nelle reti a bassa tensione può essere ridotto aumentando il numero di stazioni di trasformazione e riducendone la potenza media e il raggio di servizio. Tuttavia, la stazione di trasformazione trifase è una costruzione relativamente costosa, il cui costo diminuisce leggermente con una diminuzione della potenza del trasformatore installato. Pertanto, ridurre la potenza media di una stazione di trasformazione al di sotto di 40 o 63 kVA nelle reti trifase comporta un aumento eccessivo del costo totale delle stazioni di trasformazione. Pertanto, questo modo di ridurre il consumo di cavi nelle reti a bassa tensione non è sempre economico.

D'altra parte, nella distribuzione di energia trifase, è spesso necessario fornire tre conduttori di rete da 10 kV a piccole utenze. In questo caso, le sezioni trasversali dei fili sono prese al di sopra del necessario, a seconda delle condizioni perdita di tensione, in quanto scelti come il minimo consentito in termini di resistenza meccanica. Di conseguenza, il metallo in eccesso viene consumato nella rete ad alta tensione.

Per superare le carenze del sistema di distribuzione dell'energia esistente, un sistema di distribuzione misto trifase monofase.

L'essenza del sistema di distribuzione dell'energia mista è la seguente.

1. Vengono utilizzate linee monofase trifase miste con una tensione di 10 kV, in cui le linee principali sono trifase e tutte le grandi utenze, compresa l'alimentazione, sono collegate ad esse. I piccoli consumatori, principalmente l'illuminazione e i carichi domestici, sono alimentati da diramazioni monofase da 10 kV.

2. Le stazioni di trasformazione monofase a bassa potenza vengono utilizzate per alimentare i consumatori monofase.

Uno schema approssimativo di una rete con cabine di trasformazione realizzate secondo un sistema misto trifase monofase è mostrato in Figura 1.

Riso. 1. Esempio di schema di rete mista trifase monofase

Come si può vedere da questo grafico, i grandi utenti con la maggior parte carico di potenza hanno un'alimentazione trifase e i piccoli consumatori, per lo più edifici residenziali, sono alimentati da stazioni di trasformazione monofase. Trasformatori monofase include la tensione tra le fasi.

Calcoli comparativi mostrano che l'uso di un sistema misto può ridurre il consumo di metallo nei cavi di alta e bassa tensione del 25 - 35% rispetto a un sistema trifase convenzionale. Il costo iniziale della rete ai prezzi e ai tipi di apparecchiature esistenti può essere ridotto utilizzando un sistema misto solo del 5-10%.

In una rete ad alta tensione realizzata in un sistema misto, i trasformatori monofase sono collegati a triangolo per una tensione di rete di 6 o 10 kV, come mostrato in Figura 1.

È stato dimostrato che in una rete trifase caricata in modo non uniforme, la somma delle perdite di tensione lineare su questi carichi rimane invariata indipendentemente dalla distribuzione dei carichi tra le fasi, ad es. dUab + dUbc + dUca = cost.

In pratica, c'è sempre un numero significativo di carichi monofase collegati alla rete. Questi carichi possono essere distribuiti in modo che le perdite di tensione fase-fase ai punti finali siano approssimativamente uguali tra loro: dUab ≈ dUbc ≈ dUca

In questo caso le prestazioni di una linea non uniformemente caricata sono le stesse di una trifase uniformemente caricata con gli stessi parametri. In tutti gli altri casi, le prestazioni sono inferiori.

Ovviamente, quando si progetta una rete per un sistema misto, è necessario, distribuendo opportunamente i carichi, raggiungere la condizione di uguaglianza tra le perdite di tensione concatenate. In questo caso, le perdite di tensione in una linea trifase sono determinate dalle formule per un carico simmetrico e hanno il valore più basso possibile. Il calcolo in questo caso è notevolmente semplificato.

Le derivazioni monofase di una rete da 10 kV hanno una larghezza di banda da 2 a 6 volte inferiore rispetto alle derivazioni trifase con la stessa sezione. Tuttavia, con le stazioni di trasformazione a bassa potenza, molto spesso la sezione trasversale dei fili di derivazione è determinata dal minimo consentito per motivi meccanici. In questo caso sono monofase, i rami hanno due fili della stessa sezione anziché tre e l'economia del filo metallico è del 33%.

Una rete monofase a bassa tensione secondo un sistema misto è realizzata a tre fili con un conduttore medio. La tensione tra i fili centrale e finale è 220 V (Fig. 2) e tra i fili finali è 440 V. Il filo centrale è messo a terra allo stesso modo del filo neutro in un sistema a 380 V con neutro collegato a terra e vi sono collegate anche le parti metalliche dell'apparecchiatura. L'illuminazione viene accesa tra i fili centrale ed esterno e l'alimentazione tra i fili esterni. I piccoli trasformatori da 2 kVA hanno due uscite a bassa tensione: 220 o 127 V.

Le stazioni di trasformazione monofase sono implementate secondo il diagramma schematico mostrato nella Figura 2.

Riso. 2. Schema di una stazione di trasformazione monofase

I trasformatori sono sospesi su un semplice supporto di rete intermedio da 10 kV.Sono collegati a una rete ad alta tensione tramite un sezionatore installato su un supporto adiacente. I trasformatori sono protetti dai cortocircuiti con fusibili ad alta tensione.

Sul lato bassa tensione, un interruttore automatico e fusibili sono montati in una piccola scatola.

Le linee con una tensione fino a 1 kV con un sistema misto vengono eseguite come nelle reti convenzionali. Se i percorsi coincidono, si consiglia di appenderli agli stessi supporti con linee ad alta tensione.

Nella maggior parte dei casi di impianti misti vengono solitamente utilizzati motori a induzione trifase alimentati da linee trifase. I motori elettrici monofase a bassa potenza vengono utilizzati in luoghi in cui è disponibile solo alimentazione monofase, ad esempio un motore del ventilatore su un focolare portatile in un mulino da campo, un motore della pompa su un nodo ferroviario, ecc. Tipicamente, la potenza di tali motori è 1 - 2 kW e raramente 3 - 4 kW.

È preferibile utilizzare motori elettrici asincroni speciali con condensatori di avviamento in reti monofase. In assenza di motori speciali, è possibile utilizzare motori elettrici trifase standard con una tensione di 380/220 V con dispositivi di avviamento sotto forma di condensatori o anche resistenze attive.

La coppia di avviamento di un motore con una resistenza di avviamento attiva a una tensione di 440 V è circa 0,4 della coppia nominale del motore in modalità trifase, che corrisponde a 0,65-1,0 della coppia nominale in modalità monofase.

Se per una macchina funzionante la coppia di avviamento deve essere superiore a 0,5 Mn, viene selezionato un motore con una potenza maggiore o collegato secondo un circuito di capacità.Quando la capacità di avviamento è attivata, la coppia del motore è approssimativamente uguale alla coppia nominale in modalità trifase.

Se alimentati da un trasformatore da 10 kVA, possono essere avviati motori con una potenza nominale in modalità trifase fino a 4,5 kW.

I motori monofase, sia di costruzione speciale che convertiti da motori trifase, sono 1,5-2 volte più costosi dei motori trifase della stessa potenza. Tuttavia, l'aumento del costo dei motori è insignificante rispetto ai risparmi che si ottengono nella realizzazione e gestione della rete utilizzando un sistema di distribuzione di potenza misto.

Il rapporto tra potenza monofase e trifase in una rete ad alta tensione dipende dalla natura del carico e dalle condizioni del suo posizionamento.

Per la maggior parte delle aree rurali, le linee ad alta tensione monofase con una tensione di 10 kV prevalgono principalmente in due casi:

1) alla periferia di grandi villaggi con un carico predominante di edifici residenziali,

2) come sportelli per la separazione di piccoli insediamenti dove non è previsto lo sviluppo dell'energia elettrica nel prossimo futuro.

L'uso dell'alimentazione monofase dovrebbe essere considerato economicamente fattibile quando si ottengono risparmi significativi nel filo metallico senza aumentare i costi di rete. Questa condizione, di norma, è realizzabile nei casi in cui l'utilizzo di un circuito monofase non comporta un aumento significativo della lunghezza della rete ad alta tensione.

I. A. Budzko