Redes monofásicas trifásicas

En la agricultura, la energía eléctrica se distribuye en redes trifásicas con una tensión de, por regla general, 10 kV con puntos de consumo de transformadores. Este sistema de distribución se adoptó sin cambios significativos en la práctica de las empresas de servicios públicos para suministrar electricidad a pueblos pequeños y suburbios con edificios de poca altura. Sin embargo, en las condiciones rurales la densidad de la carga eléctrica es mucho menor que en las ciudades y, por lo tanto, el sistema moderno de distribución de electricidad conduce en muchos casos a un gasto excesivo significativo del metal de los cables.

Su grave desventaja son las redes pesadas con un voltaje de 380 V. Debido a la capacidad relativamente grande de las estaciones transformadoras (en promedio 63 - 100 kVA), cada transformador sirve un área significativa, lo que requiere el uso de cables con una gran cruz. -sección en redes con un voltaje de 380 V. Como resultado, además de eso, el alambre de metal generalmente se consume en 2 a 3 veces más que en redes de 10 kV.

El consumo de cables en las redes de baja tensión se puede reducir aumentando el número de estaciones transformadoras y reduciendo su potencia promedio y su radio de servicio. Sin embargo, la estación transformadora trifásica es una construcción relativamente costosa, cuyo costo disminuye ligeramente con una disminución en la potencia del transformador instalado. Por tanto, reducir la potencia media de un centro de transformación por debajo de 40 o 63 kVA en redes trifásicas conlleva un aumento excesivo del coste total de los centros de transformación. Por lo tanto, esta forma de reducir el consumo de cables en redes de baja tensión no siempre es económica.

Por otro lado, en la distribución de energía trifásica, a menudo es necesario suministrar tres conductores de red de 10 kV a los pequeños consumidores. En este caso, las secciones transversales de los cables se toman por encima de lo necesario, según las condiciones. pérdida de voltaje, ya que se eligen como los mínimos admisibles en términos de resistencia mecánica. Como resultado, el exceso de metal se consume en la red de alta tensión.

Para superar las deficiencias del sistema de distribución de energía existente, un sistema de distribución monofásico trifásico mixto.

La esencia del sistema mixto de distribución de energía es la siguiente.

1. Se utilizan líneas monofásicas trifásicas mixtas con una tensión de 10 kV, donde las líneas principales son trifásicas y a ellas se conectan todos los grandes consumidores, incluida la potencia. Los pequeños consumidores, principalmente iluminación y cargas domésticas, son alimentados por ramales monofásicos de 10 kV.

2. Las estaciones transformadoras monofásicas de baja potencia se utilizan para alimentar consumidores monofásicos.

En la Figura 1 se muestra un esquema aproximado de una red con estaciones transformadoras realizada según un sistema monofásico trifásico mixto.

Arroz. 1. Ejemplo de esquema de red monofásica trifásica mixta

Como se puede ver en este gráfico, los grandes usuarios con mayoritariamente carga de energía cuentan con suministro eléctrico trifásico, y los pequeños consumidores, en su mayoría edificios residenciales, son alimentados por estaciones transformadoras monofásicas. Transformadores monofásicos incluye tensión entre fases.

Los cálculos comparativos muestran que el uso de un sistema mixto puede reducir el consumo de metal en los cables de alta y baja tensión entre un 25 y un 35 % en comparación con un sistema trifásico convencional. El costo inicial de la red a los precios y tipos de equipos existentes se puede reducir usando un sistema mixto a solo 5-10%.

En una red de alta tensión realizada en un sistema mixto, los transformadores monofásicos se conectan en triángulo para una tensión de red de 6 o 10 kV, como se muestra en la Figura 1.

Se ha demostrado que en una red trifásica cargada de manera desigual, la suma de las pérdidas de tensión lineales en estas cargas permanece sin cambios independientemente de la distribución de las cargas entre las fases, es decir dUab + dUbc + dUca = const.

En la práctica, siempre hay un número importante de cargas monofásicas conectadas a la red. Estas cargas se pueden distribuir de modo que las pérdidas de tensión entre fases en los puntos finales sean aproximadamente iguales entre sí: dUab ≈ dUbc ≈ dUca

En este caso, el rendimiento de una línea cargada no uniformemente es el mismo que el de una línea cargada uniformemente trifásica con los mismos parámetros. En todos los demás casos, el rendimiento es menor.

Obviamente, al diseñar una red para un sistema mixto, es necesario, mediante la distribución correspondiente de las cargas, lograr la condición de igualdad entre las pérdidas de tensión entre fases. En este caso, las pérdidas de tensión en una línea trifásica vienen determinadas por las fórmulas para una carga simétrica y tienen el valor más bajo posible. El cálculo en este caso está muy simplificado.

Los ramales monofásicos de una red de 10 kV tienen de 2 a 6 veces menos ancho de banda que los ramales trifásicos con la misma sección transversal. Sin embargo, con estaciones transformadoras de baja potencia, muy a menudo la sección transversal de los cables derivados está determinada por el mínimo permisible por razones mecánicas. En este caso, son monofásicos, las ramas tienen dos cables de la misma sección en lugar de tres, y la economía del cable metálico es del 33%.

Una red monofásica de bajo voltaje según un sistema mixto se hace de tres hilos con un conductor promedio. El voltaje entre los cables del medio y del extremo es de 220 V (Fig. 2), y entre los cables del extremo es de 440 V. El cable del medio está conectado a tierra de la misma manera que el cable neutro en un sistema de 380 V con un neutro conectado a tierra, y las partes metálicas del equipo también están conectadas a él. La iluminación se enciende entre los cables central y exterior, y la alimentación entre los cables exteriores. Los transformadores pequeños de 2 kVA tienen dos salidas de bajo voltaje: 220 o 127 V.

Las estaciones transformadoras monofásicas se implementan de acuerdo con el diagrama esquemático que se muestra en la Figura 2.

Arroz. 2. Esquema de una estación transformadora monofásica.

Los transformadores están suspendidos sobre un soporte simple de red intermedia de 10 kV.Se conectan a una red de alta tensión mediante un seccionador instalado en un soporte contiguo. Los transformadores están protegidos contra cortocircuitos con fusibles de alto voltaje.

En el lado de bajo voltaje, un disyuntor y fusibles están montados en una pequeña caja.

Las líneas con una tensión de hasta 1 kV con un sistema mixto se realizan como en las redes convencionales. Si los recorridos coinciden, se recomienda colgarlos en los mismos soportes con líneas de alta tensión.

En la mayoría de los casos de sistemas mixtos, se suelen utilizar motores de inducción trifásicos alimentados desde líneas trifásicas. Los motores eléctricos monofásicos de baja potencia se utilizan en lugares donde solo se dispone de energía monofásica, por ejemplo, un motor de ventilador en un hogar portátil en un molino de campo, un motor de bomba en un cruce ferroviario, etc. Por lo general, la potencia de tales motores es de 1 a 2 kW y rara vez de 3 a 4 kW.

Lo mejor es utilizar motores eléctricos asíncronos especiales con condensadores de arranque en redes monofásicas. En ausencia de motores especiales, puede utilizar motores eléctricos trifásicos estándar con un voltaje de 380/220 V con dispositivos de arranque en forma de condensadores o incluso resistencias activas.

El par de arranque de un motor con resistencia de arranque activa a una tensión de 440 V es aproximadamente 0,4 del par nominal del motor en modo trifásico, lo que corresponde a 0,65-1,0 del par nominal en modo monofásico.

Si para una máquina en funcionamiento el par de arranque debe ser superior a 0,5 Mn, se selecciona un motor de mayor potencia o se conecta según un circuito de capacidad.Cuando se activa la capacidad de arranque, el par motor es aproximadamente igual al par nominal en modo trifásico.

Cuando se alimenta desde un transformador de 10 kVA, se pueden arrancar motores con una potencia nominal en modo trifásico de hasta 4,5 kW.

Los motores monofásicos, tanto de construcción especial como convertidos a partir de motores trifásicos, son 1,5-2 veces más caros que los motores trifásicos de la misma potencia. Sin embargo, el incremento en el costo de los motores es insignificante comparado con los ahorros que se obtienen al construir y operar la red utilizando un sistema mixto de distribución de energía.

La relación entre potencia monofásica y trifásica en una red de alta tensión depende de la naturaleza de la carga y las condiciones de su ubicación.

Para la mayoría de las zonas rurales, las líneas monofásicas de alta tensión con una tensión de 10 kV prevalecen principalmente en dos casos:

1) en las afueras de grandes pueblos con una carga predominante de edificios residenciales,

2) como sucursales para la separación de pequeños asentamientos donde no se prevé el desarrollo de la electricidad en un futuro próximo.

El uso de energía monofásica debe considerarse económicamente factible cuando se logran ahorros significativos en alambre de metal sin aumentar los costos de la red. Esta condición, por regla general, es factible en los casos en que el uso de un circuito monofásico no conduce a un aumento significativo en la longitud de la red de alto voltaje.

IA Budzko