تطبيق مُنظِّمات الجهد التلقائية لخط التغذية SVR في شبكات التوزيع الريفية

1. المقدمة

في السنوات الأخيرة، مع النمو المستقر والسريع للاقتصاد الوطني، ازداد الطلب على الكهرباء بشكل كبير. في شبكات الطاقة الريفية، يترافق زيادة الحمل المستمرة مع توزيع غير منطقي لمصادر الطاقة المحلية وقدرات ضعيفة لتنظيم الجهد في الشبكة الرئيسية، مما أدى إلى وجود عدد كبير من الخطوط الطويلة ذات الجهد 10 كيلوفولت - خاصة في المناطق الجبلية البعيدة أو المناطق التي تتميز ببنية شبكة ضعيفة - حيث يتجاوز نصف قطر التغذية المعايير الوطنية. نتيجة لذلك، من الصعب ضمان جودة الجهد في نهاية هذه الخطوط ذات الجهد 10 كيلوفولت، وعدم استيفاء عامل القوة للمتطلبات، وتبقى خسائر الخطوط عالية.

بسبب القيود مثل محدودية تمويل بناء الشبكات واعتبارات العائد على الاستثمار، لا يمكن حل جميع مشاكل جودة الجهد المنخفض على خطوط توزيع الجهد 10 كيلوفولت فقط عبر نشر العديد من محطات التوزيع ذات الجهد العالي أو تمديد الشبكة بشكل مفرط. يعتبر تنظيم الجهد التلقائي للخط ذو الجهد 10 كيلوفولت المقدم أدناه حلاً تقنيًا قابلاً للتطبيق لتوجيه جودة الجهد السيئة على خطوط التوزيع طويلة المسافة ذات نصف قطر التغذية الممددة.

2. مبدأ عمل تنظيم الجهد

يتكون تنظيم الجهد التلقائي SVR (Step Voltage Regulator) من دائرة رئيسية ومتحكم في تنظيم الجهد. تتكون الدائرة الرئيسية من محول ذاتي ثلاثي الأطوار ومبدل شريحة تحت الحمل ثلاثي الأطوار (OLTC)، كما هو موضح في الشكل 1.

يشمل نظام ملفات التنظيم ملفًا متوازيًا وملفًا متسلسلاً وملفًا لجهد التحكم:

• الملف المتسلسل هو ملف متعدد الشرائح متصل بين الإدخال والإخراج عبر نقاط مختلفة من مبدل الشرائح؛ فهو ينظم مباشرة جهد الإخراج.

• يعمل الملف المتوازي كملف مشترك للمحول الذاتي، حيث يولد المجال المغناطيسي اللازم لنقل الطاقة.

• يتم لف ملف جهد التحكم فوق الملف المتوازي، ليقوم بدور الثانوي للملف المتوازي لتزويد الطاقة التشغيلية للمتحكم والمحرك، فضلاً عن تقديم إشارات الجهد لقياس الإخراج.

يعمل المبدأ كالتالي: من خلال ربط الشرائح من الملف المتسلسل بمواقع مختلفة من مبدل الشرائح تحت الحمل، يتم تغيير نسبة الشرائح بين ملفات الإدخال والإخراج عبر التحويل المراقب لمواقع الشرائح، وبالتالي تعديل جهد الإخراج. بناءً على متطلبات التطبيق، يتم عادة تكوين مبدلات الشرائح تحت الحمل بأماكن 7 أو 9 شرائح، مما يتيح للمستخدمين اختيار التكوين المناسب بناءً على احتياجات تنظيم الجهد الفعلية.

نسبة الشرائح بين ملفات الابتدائي والثانوي للمنظم متسقة مع نسبة محول تقليدي، أي:

3. مثال على التطبيق
3.1 ظروف الخط الحالي

يبلغ طول الخط الرئيسي لخط توزيع الجهد 10 كيلوفولت معين 15.138 كم، ويتم بناؤه باستخدام نوعين من الموصلات: LGJ-70 ملم² وLGJ-50 ملم². تبلغ السعة الكلية لمحولات التوزيع على طول الخط 7,260 كيلو فولت أمبير. خلال فترات الحمل القصوى، ينخفض الجهد على الجانب 220 فولت من محولات التوزيع في الوسط والطرف الخلفي من الخط إلى ما يصل إلى 175 فولت.

يبلغ مقاومة الموصل LGJ-70 0.458 أوم/كم ورداءة 0.363 أوم/كم. لذا، فإن المقاومة والرداءة الكلية من المحطة Pole #97 على الخط الرئيسي هي:
R = 0.458 × 6.437 = 2.95 أوم
X = 0.363 × 6.437 = 2.34 أوم

بناءً على سعة محولات التوزيع ومعامل الحمل على طول الخط، يمكن حساب الانخفاض الجهد من المحطة Pole #97 على الخط الرئيسي كـ

تُعرَّف الرموز المستخدمة كالتالي:

• Δu — انخفاض الجهد على طول الخط (وحدة: كيلوفولت)

• R — مقاومة الخط (وحدة: أوم)

• X — رداءة الخط (وحدة: أوم)

• r — مقاومة لكل وحدة طول (وحدة: أوم/كم)

• x — رداءة لكل وحدة طول (وحدة: أوم/كم)

• P — الطاقة الفعالة على الخط (وحدة: كيلوواط)

• Q — الطاقة غير الفعالة على الخط (وحدة: كيلوفار)

لذا، يكون الجهد عند Pole #97 على الخط الرئيسي:
10.4 كيلوفولت − 0.77 كيلوفولت = 9.63 كيلوفولت.

وبالمثل، يمكن حساب الجهد عند Pole #178 بأنه 8.42 كيلوفولت، والجهد في نهاية الخط هو 8.39 كيلوفولت.

3.2 الحلول المقترحة

لضمان جودة الجهد، تشمل الأساليب الرئيسية لتنظيم الجهد في شبكات التوزيع المتوسطة والمنخفضة الجهد:

• بناء محطة تحويل جديدة بجهد 35 كيلوفولت لتقليل نصف قطر التغذية بجهد 10 كيلوفولت.

• استبدال الموصلات بأخرى ذات مساحة مقطع أكبر لتقليل تحميل الخط.

• تركيب تعويض القدرة غير الفعالة على الخط - ومع ذلك، فإن هذه الطريقة أقل فعالية للخطوط الطويلة ذات الأحمال الثقيلة.

• تركيب منظم جهد آلي للمغذي SVR، والذي يوفر درجة عالية من الأتمتة وأداءً ممتازًا في تنظيم الجهد ونشرًا مرنًا.

فيما يلي، يتم مقارنة ثلاثة حلول بديلة لتحسين جودة الجهد في نهاية المغذي "Fakuai" بجهد 10 كيلوفولت.

3.2.1 بناء محطة تحويل جديدة بجهد 35 كيلوفولت

نتيجة متوقعة: ستقوم المحطة الجديدة بتقليل نصف قطر التغذية بشكل كبير ورفع الجهد في نهاية الخط وتحسين جودة الطاقة بشكل عام. وعلى الرغم من فعاليتها العالية، إلا أن هذا الحل يتطلب استثمارًا كبيرًا.

3.2.2 تحديث المغذي الرئيسي بجهد 10 كيلوفولت

يتضمن تعديل معلمات الخط بشكل أساسي زيادة مساحة مقطع الموصل. في المناطق ذات الكثافة السكانية المنخفضة والخطوط ذات الموصلات الصغيرة، تهيمن الخسائر المقاومة على الانخفاض الكلي للجهد؛ وبالتالي، يمكن أن يؤدي خفض مقاومة الموصل إلى تحسين ملحوظ في الجهد. مع هذا التحديث، يمكن رفع الجهد في نهاية الخط من 8.39 كيلوفولت إلى 9.5 كيلوفولت.

3.2.3 تركيب منظم جهد آلي للمغذي SVR

تم تركيب منظم جهد آلي واحد بجهد 10 كيلوفولت لمعالجة مشكلة الجهد المنخفض بعد القطب رقم 161.
نتيجة متوقعة: يمكن رفع الجهد في نهاية الخط من 8.39 كيلوفولت إلى 10.3 كيلوفولت.

تشير التحليلات المقارنة إلى أن الخيار الثالث هو الأكثر اقتصادية وعملياً.

نظام تنظيم الجهد الآلي للمغذي SVR يقوم بتحقيق استقرار في الجهد الناتج عن طريق ضبط نسبة اللفات في محول ثلاثي الأطوار ذاتي التحويل، مما يوفر العديد من المزايا الرئيسية:

• تنظيم الجهد آلياً تحت الحمل.

• استخدام محول ثلاثي الأطوار ذاتي التحويل متصل بنجمة - حجمه صغير وسعته كبيرة (≤2000 كيلو فولت أمبير)، مناسب للتثبيت بين القطب والقطب.

• نطاق التنظيم النموذجي: −10٪ إلى +20٪، كافٍ لمقابلة متطلبات الجهد.

بناءً على الحسابات النظرية، يوصى بتثبيت منظم جهد آلي SVR-5000/10-7 (0 إلى +20٪) على المغذي الرئيسي. بعد التثبيت، يمكن رفع الجهد في القطب رقم 141 إلى:

U₁₆₁ = U × (10/8) = 10.5 كيلوفولت

حيث:

• U₁₆₁ = الجهد في نقطة تثبيت المنظم بعد التشغيل

• 10/8 = نسبة اللفات القصوى لمنظم مع نطاق تعديل من 0 إلى +20٪

أكد التشغيل الميداني أن نظام SVR يتبع بشكل موثوق التغييرات في الجهد الداخل ويحافظ على استقرار الجهد الخارج، مما يظهر فعاليته المثبتة في تخفيف الجهد المنخفض.

3.2.4 تحليل الفوائد

مقارنة ببناء محطة تحويل جديدة أو استبدال الموصلات، فإن نشر منظم جهد SVR يقلل بشكل كبير من الإنفاق الرأسمالي. فهو لا يرفع فقط الجهد في الخط لتلبية المعايير الوطنية - مما يحقق فوائد اجتماعية قوية - ولكن أيضًا، تحت ظروف الحمل الثابت، يقلل من تيار الخط عن طريق رفع الجهد، مما يقلل من خسائر الخط ويحقق توفيرًا في الطاقة. وهذا يعزز الكفاءة الاقتصادية للشركة الكهربائية.

4. الخلاصة

بالنسبة للشبكات التوزيعية الريفية في المناطق ذات النمو المستقبلي المحدود للأحمال - خاصة تلك التي تفتقر لمصادر طاقة قريبة وتتميز بنصف قطر تغذية طويل وخسائر خط عالية وتحميل ثقيل ولا يوجد خطط لبناء محطات تحويل بجهد 35 كيلوفولت في المستقبل القريب - فإن استخدام منظمي الجهد الآلي للمغذي SVR يقدم بديلاً مقنعًا. يتيح هذا التأخير أو إلغاء بناء محطات تحويل بجهد 35 كيلوفولت بينما يحل بشكل فعال مشكلة جودة الجهد المنخفض وتقليل خسائر الطاقة. نظرًا لأن تكلفة الاستثمار أقل من عشر تكلفة محطة تحويل جديدة بجهد 35 كيلوفولت، فإن حل SVR يوفر فوائد اجتماعية واقتصادية كبيرة ويُنصح به بشدة للانتشار الواسع في الشبكات الكهربائية الريفية.