> Техника, страница 86 > Трехпроводные системы

Трехпроводные системы

Трехпроводные системы, употребительные в технике сильных токов системы для канализации электрич. энергии (смотрите Сети электрические и Распределение электрической энергии); применяются при постоянном и переменном токах, в последнем случае почти исключительно в виде трехфазных систем (смотрите Трехфазные то-ки и Системы переменного тока); трехпроводные однофазные системы менее рациональны и потому (за исключением США, где они иногда встречаются) практич. распространения не получили. Обычно под Т. с. понимают Т. с. постоянного тока; таковыми занимается и настоящий очерк, за исключением тех мест, где это особо оговорено.

Принципиальная схема Т. с. и основные свойства. Т. с. можно представлять себе полученной путем соединения двух двухпроводных систем, обращенных одна к другой разноименными полюсами (фигура 1), причем обратный провод одной из этих систем и прямой провод второй системы как бы объ-

Трестирование в обрабатывающей и горнозаводской промышленности США.

i Типы изменений фирм	1919	1920 [	1921	1922 1Э23 1921 I 1	1925	1926 i 1	1927	1923 1 i	Всего 1
1 Чисто стияний, о к-рых			1	1 1	1	!
j имеются сведения.	89	173	89	67 I 67, 95	121	1 139	207	221	1 268 i
1 Число слившихся фирм	292	47 i	373	220 1 218 1 263	333	1 597	676	687	1 135
i Число фирм, приобре		1		! I		1
тенных другими.	235	i 459	203	158 I 160 j 200	312	! 398	399	572	3 124 j
• Чисίο ликвидированных				ί ί					1
1 фирм ..	438	760	487	309 311 363	554	856	876	1 038	5 997 ; ,

единены в один общий—средний (нулевой, нейтральный) провод (фигура 2). В полученной т. о. Т. с. напряжение между крайними (внешними) проводами вдвое превышает напряжение между одним из крайних и средним, то есть оно в два раза больше по сравнению, с двухпроводной системой. Появление Т: с. было вызвано стремлением, в целях увеличения радиуса района экономичного снабжения, уменьшить расход

_в ож гутт г } л ЛсУ-f-f- У и—HHh BD

о f fн f ft

Фигура 1. Фигура 2.

металла на провода путем повышения напряжения между крайними проводами, сохранив однако неизменным напряжение у приемников. Т. с. была изобретена в 1886 г. почти одновременно в Англии Гопкинсоном и в США. Эдисоном. Предшественницей ее можно считать предложенную в семидесятых годах 19 в Сваном систему, в которой средний провод должен был обеспечить независимое друг от друга функционирование приемников при смешанном соединении их, то есть параллельном соединении групп из двух последовательных элементов

(фигура 3): без третьего провода приемники (лампы) в каждой паре должны были бы быть одинаковой мощ Фигура з. · ности, а включение и выключение их было бы возможно только одновременное для обоих приемников каждой пары. Система Свана не обладала преимуществами Т. с., так как средний провод в ней не был доведен до самого начала линий (до источника питания). На фигуре 4 показана обыкновенная Т. с. с последовательным включением двух динамомашин, дающих вместе напряжение 2 U между крайними проводами; здесь обе половины Т. с. нагружены совершенно одинаково, при этом по среднему проводу ток не протекает; в каждой половине включено по 2 лампы, через каждую

Ζί R—

из которых течет ток г; тогда по верхнему крайнему проводу генератор посылает ток 2 г, проходящий последовательно через обе группы ламп и возвращающийся к генератору через нижний крайний провод; ток в среднем проводе г₀=0. В этом случае сечение среднего провода теоретически можно было бы взять равным нулю, то есть сколь угодно малым; на практике сечение его берут, учитывая возможность нарушения распределения нагрузок поровну между двумя половинами Т. с., не менее ^х/з (редко ^х/₄) сечения каждого из крайних проводов. При неодинаковой нагрузке (фигура 5) по каждому участку нулевого провода протекает ток г₀== — если г_х и г₂—токи в соответствующих участках крайних проводов (например если в верхнюю половину включены 3 лампы, а в нижнюю 2 лампы, то ток в верхнем проводе 3 г, в среднем г и в нижнем 2 г). Если (фигура 3) средний провод не доходит до начала линии (до источника тока), то при неодинаковой нагрузке двух половин напряжение между ними может распределиться весьма неравномерно. Напр. если в верхнюю половину включены параллельно два приемника, каждый с сопротивлением R, а в нижнюю один такой же приемник, то общее сопротивление между крайними проводами ~ -f R =

³ то

= R и генераторы дают ток

_ 2 U __ 4 U.

в верхней половине сети напряжение равно

4 U R _ 2 _Т1.

3 R * 2“ 3 ^U ’

в нижней половине напряжение равно

(например при напряжении Т. с. в 2×220 V в верхней половине лампы будут под напряжением^ 146,6 Y, а в нижней—под напряжением=293,4 V, то есть в верхней половине лампы, т.к. они рассчитаны на 220 V, будут гореть с недокалом, а в нижней—с перекалом); при этом следует ожидать перегорания ламп в нижней половине; с перегоранием же каждой лампы сопротивление этой половины возрастает, вызывая дальнейшее возрастание напряжения и увеличивая вероятность перегорания следующих ламп. Подобные явления получаются и в Т. с. с доведенным до начала средним проводом в случае нарушения его непрерывности, например при размыкании его или перегорании в нем предохранителя.

Распределение токов и напря-жений в Т. с. при неодинаковой нагрузке. Распределениетоков определяется по принципу наложения (принцип суперпозиций), к-рый основан на том, что в какой-нибудь части сложной сети сила тока есть линейная ф-ия эдс, действующих в этой цепи (следствие законов Кирхгофа). Принцип наложения формулируют так: сила тока в какой-нибудь части цепи равна алгебраич. сумме всех сил токов, которые протекали бы в данной части цепи, если бы каждая из эдс действовала порознь по очереди (причем остальные эдс в это время были бы равны нулю). Согласно этому принципу действительное распределение токов и напряжений в какой-нибудь системе проводов, являющееся результатом совместного влияния нескольких причин (например нескольких эдс или нескольких нагрузок), можно получить сл. образом: определяют по очереди картины распределения токов, создаваемые каждой из этих причин в том виде, как токораспределе-ние получилось бы, если бы каждая из этих причин действовала только одна; затем полученные картины распределения токов и напряжений «суперпонируют», то есть налагают друг на друга и суммируют, получая т. о. полную картину действительного то ко распределения, являющегося результатом совместного действия всех тех факторов, влияние которых в отдельности было только чго выяснено. Применяя принцип наложения к Т. с., разлагают Т. с. на две самостоятельные двухпроводные, определяют токи в каждой половине; токи ц среднем проводе находят посредством алгебраич. сложения токов в проводах, путем совмещения которых ток можно считать возникшим (то есть в обратном проводе верхней половины и прямом нижней); при этом ток в отдельных отрезках среднего провода может изменяться по величине и направлению: он равен для каждого участка разности токов в крайних проводах, совпадая по направлению с меньшим из токов в них. Распределение напряжений. При одинаковой нагрузке обеих половин ток в среднем проводе, а следовательно и падение напряжения в нем равны нулю; Т. о. падение напряжения от начала линии до последних (в конце линии) приемников равно сумме (равных между собой) падений напряжения в обоих крайних проводах, при неодинаковой нагрузке падение напряжения в крайних проводах распределяется неравномерно, причем это распределение несколько выравнивается под влиянием среднего провода; падение же напряжения в среднем проводе меняет на отдельных его участках свой знак вместе с направлением тока: смотря по тому, направлен ли ток в среднем проводе одинаково с током данного крайнего провода или обратно этому току, он будет увеличивать или уменьшать напряжение у приемников. Итак, падение напряжения в среднем проводе повышает падение в более нагруженной половине Т. с., уменьшая его в менее нагруженной (без нулевого провода или при разрыве в нем распределение напряжений получилось бы еще менее выгодным). Если U—напряжение в каждой из половин в начале линии (фигура 6), a U_г и U₂—напряжения в конце ее в первой и второй половинах, то падение в первой половине

U — Z7₁=i₁r + (г₁ — ц) т₀ =

_ U (г Ч~ ^о) _ U · тр.

“г + Го + Κι r + rp + Rz’ ^{У }}

падение во второй половине

TJ TJ2 — ( Й ^2) ^*0 ⁼

₌ и (Г + Гр) _ и · Г о_. /94

г+т’о + ^г 7* + 7*0 -l· -f^i *

т. о. напряжения, действующие на приемники в первой и второй половинах, будут разниться друг от друга на величину и 2 - и_х=Ой - i а) (г + 2 г₀) =

U (r-f-2rp) (К₂ — Ri)_^ /β

(r + r₀4-Ki) 0*4- Ро + -^2)

°НГ“ и О (	-ГЗ n 11
0 ( и п *	♦ > И
о—1—	г Фигура б.

Применение Т. с. Преимущество Т. с. по сравнению с системой простого параллельного включения (двухпроводной) заключается в значительной экономии в материале проводов, позволяющей при том же напряжении у приемников расширить район снабжения: благодаря удвоению напряжения между проводами по сравнению с двухпроводной системой при той же передаваемой мощности сила тока в крайних проводах в два раза меньше (чем при двухпроводной системе); поэтому при одинаковом поперечном сечении потеря напряжения в проводах также уменьшается вдвое. Если допустить в Т. с. такое же %-ное (в % от напряжения в начале линии) падение напряжения, как в двухпроводной системе, то при той же передаваемой мощности и при том же кпд линии (тех же потерях мощности в ней) сечение проводов получится вчетверо“ меньше. Поэтому при Т. с. расход металла на провода составит по сравнению с двухпроводной системой (если расход металла при ней принять за 100%) 37,5% при одинаковом сечении всех трех проводов <h⁼ У2) “ 31,3% при сечении среднего, вдвое меньшем сечения каждого из·

крайних ^₀ ⁼ ·γ ⁼ γ)· К недостаткам Т. с. (па сравнению с двухпроводной) нужно отнести: несколько большую сложность ухода, наир, при отыскании мест повреждений,и (ввиду обычного заземления среднего провода) утечку энергии в землю. Наиболее распространена о б ы к н о-веннаяТ. с. с одинаковыми напряжениями в обеих половинах: 2x110 V, 2x220 V (и 2х χ250 V). Удобство—наличие двух различных напряжений: лампы включают на 110 V (между средним и одним из крайних), двигатели на 220 V (между крайними), причем для пуска или регулирования оборотов последние можно гге ν

V {

о но V

.JL

330 V

большая нагрузка

Меньшая нагрузка

Фигура 7.

Фигура 8.

включить и на НО V. Радиус района снабжения при 2 x110 V ок. 1 000—1 250 м, а при 2 х 220 V до 2 000—2 500 метров Реже применяют Т. с. с неодинаковыми напряжениями в обеих половинах, наир. 110 и 220 V (фигура 7); преимущество—наличие трех различных напряжений (110,220 и 330 V)—позволяет, переключая двигатели, регулировать число оборотов их в широких пределах.

Пятипроводная система может считаться разновидностью Т. с., из которой она м. б. получена путем удвоения последней (появилась в 90-х годах 19 в.); получалась путем последовательного включения четырех динамо“ или чаще двух динамо с двумя коллекторами каждая. От крайних зажимов вели 2 крайних провода, от шести остальных зажимов 3 средних провода. Благодаря увеличению напряжения между крайними проводами в четыре раза по сравнению с двухпроводной системой сечение крайних проводов уменьшается в 16 раз·, (была применена в Вене, Манчестере и других крупных городах). Пятипроводная система, еще-изредка встречающаяся в фабрично-заводских установках с регулированием скорости вращения двигателей в широких пределах—путем переключения, например со 110 V на 220, 330 и 440 V, из-за своей сложности теперь оставлена. Несмотря на значительную экономию металла общая выгодность м. б. весьма сомнительной в виду дороговизны монтажа, увеличения расходов на изоляторы и прочие (по аналогичным причинам и обыкновенная Т. с. может оказаться неэкономичной при небольших размерах района снабжения, так как дороговизна монтажа не будет компенсироваться удешевлением проводов). Если требуется значительное расширение существующей установки, выполненной первоначально" в виде двухпроводной, причем напряжение оказывается недостаточным без» замены проводов новыми больших сечений, та рациональной является переделка установки в трехпроводную. Подобная переделка не сопряжена с крупными затратами: последовательна с ранее установленной динамо включается другая такая же, благодаря чему увеличивается вдвое напряжение между проводами, которые становятся теперь крайними; изоляция современных установок оказывается обычно достаточной для повышенного напряжения, так что нужно лишь проложить в соответствующих местах средний провод и распределить по возможности поровну нагрузку между полученными т. о. двумя половинами сети.

II и тание Т. с. может быть осуществлено: 1) последовательным включением источников двух (обычно одинаковых) напряжений и 2) делением (получаемого от одного генератора) напряжения между крайними проводами посредством среднего провода на две равные части. Деление напряжения выполняется одним из •следующих способов, а) Применение уравнительного агрегата (уравнителя н а п р я ж е н и я) из двух одинаковых вспомогательных шунтовых динамо (построенных на напряжение одной половины сети), включенных последовательно и соединенных друг с другом механически на одном валу (фигура 8); средний провод присоединяется к проводу, соединяющему якоря обеих машин (на фигура 8 обмотки возбуждения вспомогательных машин и главной не показаны). При одинаковой нагрузке обеих половин по среднему проводу ток не проходит; по якорям уравнительных машин протекает последовательно один и тот же ток: они обе работают вхолостую как двигатели, при правильном возбуждении, развивая одинаковые эдс, и следовательно подразделяют напряжение точно на две одинаковые части; т. к. обе машины сидят на одном валу, то скорости их вращения одинаковы, развиваемые ими эдс меньше напряжений у зажимов на величину небольшой потери напряжения, создаваемой током холостого хода. Если нагрузка в одной из половин Т. с., например в верхней, превысит нагрузку в нижней половине, то напряжение в верхней половине понизится, а в нижней повысится против нормальной величины; в результате скорость вращения нижней вспомогательной динамо, работающей как двигатель, возрастет; сидящая на одном валу с ней верхняя машина окажется т. о. вращающейся быстрее, чем это соответствовало бы напряжению верхней половины: она станет работать как генератор, давая в сеть ток и повышая напряжение своей половины. Следовательно в нижнюю половину прибавится нагрузка двигателя jDo, а из верхней половины вычтется нагрузка генератора D_l9 т. к. эта нагрузка отрицательная: машина нагружает нижнюю половину, работая как двигатель и затрачивая работу на повышение скорости вращения машины _D_l5к-рая, с своей стороны, подает ток в более нагруженную половину. Итак, агрегат заимствует .энергию в менее нагруженной половине и передает ее в более нагруженную, уравнивая т. о. нагрузки и напряжения. На фигуре 9 показаны машины вместе с их обмотками возбуждения. Хотя по сравнению со способом 1-м мы имеем теперь три машины вместо двух, но общий кпд здесь выше (уравнительные машины рассчитывают на - 5% от мощности главного генератора каждую). Выравнивание усилится, если повысить скорость двигателя l)₂ и увеличить эдс генератора; для этого магнитный поток у двигателя Ώ._λ уменьшают, а у генератора D₁ увеличивают; с этой целью применяют перекрест

Фиг ное возбуждение, то есть возбуждение верхней машины D_t берут от нижней половины, а возбуждение П₂—от верхней (фигура 10); при возрастании нагрузки одной половины (верхней) возбуждение машины, работающей как двигатель, уменьшается, вызывая повышение скорости вращения, возбуждение же верхней ма-

Фигура 10.

Фигура И.

шины, работающей как генератор, усиливается, повышая напряжение на ее зажимах. Полное выравнивание разностей напряжений также и в питательном пункте(то есть включая выравнивание разностей напряжений, вызванных сопротивлениями питательных проводов) при

Фигура 12.

Фигура 1с

Фигура 14.

этом не достигается; для получения такого выравнивания применяется компаундирование уравнительных машин по схемам фигура 11 или 12. С этой же целью в средний провод вводят иногда (фигура 13) бустер или сериесную вольтодобавочную машину (смотрите), б) Применение одной м а ш и н ы с двумя отдельными обмотками на одном и том же якоре и двумя ко лле-к т о р а м и (выравнивание разностей напряжения неудовлетворительное).

в) Делители напряжения — трехпроводные машины, у которых деление напряжения осуществляется внутри самой машины, являющейся в то же время и главным генератором (машина Доливо-Добровольского, фигура 14): крайние провода присоединены к щеткам на кол-

лекторе; две в элек-I трическом отношении U диаметрально проти-I воположные (то есть уда- ¹

1 ленные друг от друга на 180 электрических градусов) точки обмотки через контактные кольца присоединены к реактивной катушке, к средней точке которой приключают нулевой провод Т. с. Отдельное регулирование напряжения каждой половины сети при этом невозможно. Аналогичное устройство имеет и машина—д елитель напряжения 3 е н г е л я, у которой три точки обмотки, удаленные друг от друга на 120 электрич. градусов каждая, присоединены через контактные кольца и три, соединенные звездой, реактивные катушки—к среднему проводу Т. с. Для той же цели была предложена машинаО.санны, теперь не имеющая распространения, г) Применение включаемой между крайними проводами аккумуляторной батареи, к сере-

Фигура 15.

.дине которой присоединяют нулевой провод (фигура 15). Недостаток: от неодинаковой нагрузки обе половины батареи разряжаются неодинаково, что усложняет их зарядку. При переменном однофазном токе деление напряжения осуществляется сл. обр.: средний провод прямо присоединяют к середине обмотки генератора или трансформатора.

Средний провод и его свойства. Средний провод обычно заземляется, то есть в нескольких местах надежно соединяется с землей, а при подземной проводке укладывается в земле голым или в оболочке, защищающей от разрушения (крайние провода выполняют при этом в виде кабеля). Чтобы заземление среднего провода не могло быть нарушено, а также по причинам, изложенным выше, в средний провод нельзя включать предохранителя; нельзя также включать в него и выключатели, действующие не одновременно с выключателями крайних проводов (то есть допустимы только трехполюсные рубильники). Экспериментально отличить средний провод от крайних можно следующим способом. В установках с заземленной нейтралью включают испытательную лампу накаливания поочередно между каждым из трех проводов и землей (фигура 16): при прикоснове

нии незаземленным зажимом лампы к среднему проводу лампа не загорается, а при прикосновении к одному из крайних проводов лампа начнет гореть. Фигура 17 поясняет принцип аналогичного метода испытания, применимого как при эаземленной,таки при незаземленной нейтрали: две соединенные между собой последовательно испытательные лампы включают поочередно между попарно взятыми проводами Т. с.; при включении между крайними проводами обе лампы горят с полным накалом, при включении же между одним из крайних проводов и средним обе лампы будут гореть с малым накалом (т. к. на долю каждой приходится половина нормального напряжения).

Распределение нагрузок между двумя половинами Т. с. необходимо возможно более равномерное не только количественно, но и качественно, то есть с учетом однородности часов потребления, равенства максимальных нагрузок, совпадения пиков нагрузок у отдельных потребителей: потребителей одинаковых категорий (уже при проектировании, а затем л при эксплуатации) поровну распределяют между двумя половинами. Чем равномернее распределение нагрузок и меньше вероятность колебаний нагрузки обеих половин в эксплуатации, тем меньше по сравнению с крайними проводами м. б. взято сечение среднего провода. Лампы включают между одним из крайних и средним, двигатели свыше 5 IP— между крайними проводами.

Расчет проводов Т. с. производится обычно по приближенному способу, то есть без учета возможности нарушений равномерного распределения нагрузок между двумя половинами: рассчитывают крайние провода, исходя из равномерного распределения нагрузки, а сечение нулевого провода из осторож ности берут в Vg, ^х/₂ или ¹/₁ от полученного при расчете сечения одного из крайних проводов (что соответствует разности нагрузок в 33, 50 и 100%). Расчет крайних проводов ведется так, как будто бы среднего провода не было, сводя расчет Т. с. к расчету двухпроводной системы сл. образом: заданную нагрузку распределяют на двухпроводную сеть, напряжение которой равно половине напряжения между крайними проводами Т. с., и рассчитывают сечения проводов этой сети, исходя из максимального допустимого падения напряжения (для осветительной нагрузки примерно в 1% от напряжения между средним и одним из крайних проводов). Вычисленные т. о. сечения уменьшают вчетверо, что по округлении до нормальных значений сортамента дает искомые сечения крайних проводов Т. з. Этот же способ можно видоизменить так: распределив нагрузку на двухпроводную сеть, рассчитывают крайние провода как двухпроводную систему, у которой напряжение равно напряжению между крайними проводами Т. с. Расчет по точному методу применяется сравнительно редко,—когда нет уверенности в правильном распределении нагрузок. При этом исходят из полной внезапной разгрузки одной половины; тогда в крайнем проводе данной половины падение напряжения ε исчезнет, а в среднем проводе возникнет отрицательное падение напряжения те, причем т есть отношение сечения каждого из крайних проводов к сечению нулевого: т=—. Полное колебание напряжения при разгрузке АП=е(т-1-1). Пусть Р—нагрузка в W, I—длина линии в м, U—напряжение у зажимов приемников, σ—удельная проводимость материала проводов, ε—допустимое наибольшее падение напряжения в V в одном из крайних проводов; тогда, задавшись значением т, сечение каждого из крайних проводов вычисляют по ф-ле:

т 4-1 Р1 · р^г·

Лит.: ‘Арнольд Э. и Л а-К у р II., Машины постоянного тока, т. 2, пер. с нем., М.—Л., 1931; Воронов А., Динамо-эл ектрич. машины постоянного тока, Л., 1924; Германн И., Электротехника, Получение и распределение электрич. анергии, пер. с нем., Берлин—Рига, 1923; Гефиер Ф., Системы распределения тока и расчет электр. сетей, пер. с нем., СПБ, 1909; К о п,н я е в II., Электрич. машины постоянного -тока, Харьков, 1926; Сушкин II. п Глазунов А., Центральные электрич. станции и их электрич. оборудование, М.—Л., 1927; СЭТ, Справочная книга для электротехников, т. 3, Л., 1928; Фауль Ф., Справочник по электротехнике, пер. с англ., т. 2, отд. 8, М.—Л., 1928; Хащи некий В., Канализация электр. энергии сети, ч. 1, Электрич. расчет, 3 изд., Л., 1931; Н ег-zog-Feldmann, Die Berechnung elektr. Leitungs-netze in Theorie u. Praxis, 4 Aufl., B., 1927; P i a z z о 1 i E., Tecnica degli impianti elettrici per luce e forza, v. 2, 7 ed., Milano, 1929; Rziha 17. u. Seidener I., Starkstromteclmik, B. 2, 7 Aufl., B., 1931; Strecker K., Hilfsbuch f. die Elektroteclmik, Starkstromausgabe, 10 Aufl., B., 1925; В u c h A., Ueber Spaunungsteilung bei Gleichstrommasehinen, Brschw., 1912; Lauteren E., Zur Frage d. Spannungsteilung in Dreileiter-Gleich-stromnetzen, «Е. u. M.>>, 1913, p. 609; Teichmii ller

J., Die Berechnung d. Leitungen auf d. Grundlage d. vier Grundgrossen, «ETZ», 1921, p. 817. В. Хащинский.