Приложение на автоматични регулатори на напрежението SVR в селските разпределителни мрежи

1. Въведение

През последните години, с устойчиво и бързо развитие на националната икономика, потреблението на електроенергия е нараснало значително. В селските електрически мрежи, непрекъснатото увеличение на нагрузката, комбинирано с неразумно разпределение на местни източници на енергия и ограничена способност за регулиране на напрежението в основната мрежа, довели до значителен брой 10 кВ дълги отводни линии - особено в отдалечени планински райони или зони с слаба мрежова структура - чийто радиус на доставка надхвърля националните стандарти. Това прави трудно осигуряването на качеството на напрежението в края на тези 10 кВ линии, коеторитетът на мощността не отговаря на изискванията, а загубите в линията остават високи.

Поради ограничения като ограничен бюджет за строителство на мрежи и разчети за възвръщаемост на инвестициите, е непрактично да се решават всички проблеми с ниско качество на напрежението в 10 кВ разпределителни отводни линии единствено чрез разполагане на много високонапрегови разпределителни подстанции или прекомерно удължаване на мрежата. Автоматичният регулатор на напрежението за 10 кВ, представен по-долу, предлага технически приемливо решение за справяне с лошото качество на напрежението в дълги разпределителни линии с удължен радиус на доставка.

2. Работен принцип на регулатора

Автоматичният регулатор на напрежението SVR (Step Voltage Regulator) се състои от главна верига и контролер за регулиране на напрежението. Главната верига включва трифазен автоматрансформатор и трифазен наложителен превключвател (OLTC), както е показано на Фигура 1.

Системата от обмотки на регулатора включва паралелна обмотка, сериева обмотка и обмотка за контрол на напрежението:

• Сериевата обмотка е многополюсна обмотка, свързана между входа и изхода чрез различни контакти на превключвателя; тя директно регулира изходното напрежение.

• Паралелната обмотка служи като общата обмотка на автоматрансформатора, генерираща необходимото магнитно поле за прехода на енергия.

• Обмотката за контрол на напрежението, намотана върху паралелната обмотка, действа като вторична обмотка на паралелната обмотка, за да предостави операционна енергия за контролера и двигателя, както и сигнал за напрежение за измерване на изхода.

Работният принцип е следния: чрез свързване на полюсите на сериевата обмотка с различни позиции на наложителния превключвател, се изменя отношението на витките между входната и изходната обмотка чрез контролирано превключване на позициите на полюсите, което води до корекция на изходното напрежение. В зависимост от приложенията, наложителните превключватели обикновено са конфигурирани с 7 или 9 позиции на полюсите, позволявайки на потребителите да избират подходящата конфигурация в съответствие с реалните нужди за регулиране на напрежението.

Отношението на витките между первичната и вторичната обмотка на регулатора е съвместимо с това на стандартния трансформатор, т.е.:

3. Пример за приложение
3.1 Сегашно състояние на линията

Определена 10 кВ разпределителна линия има дължина на главния отводник от 15,138 км, построена с два типа проводници: LGJ-70 мм² и LGJ-50 мм². Общата капацитет на разпределителните трансформатори по линията е 7,260 кВА. По време на пики на нагрузката, напрежението на страната 220 В на разпределителните трансформатори в средната до крайната част на линията пада до 175 В.

Проводникът LGJ-70 има съпротивление от 0,458 Ω/км и реактивно съпротивление от 0,363 Ω/км. Следователно, общата съпротивление и реактивно съпротивление от подстанцията до опора №97 на главния отводник са:
R = 0,458 × 6,437 = 2,95 Ω
X = 0,363 × 6,437 = 2,34 Ω

На базата на капацитета на разпределителните трансформатори и фактора на нагрузка по линията, може да се изчисли падането на напрежението от подстанцията до опора №97 на главния отводник като

Използваните символи са дефинирани по следния начин:

• Δu — падане на напрежението по линията (единица: кВ)

• R — съпротивление на линията (единица: Ω)

• X — реактивно съпротивление на линията (единица: Ω)

• r — съпротивление на единица дължина (единица: Ω/км)

• x — реактивно съпротивление на единица дължина (единица: Ω/км)

• P — активна мощност на линията (единица: кВт)

• Q — реактивна мощност на линията (единица: квар)

Следователно, напрежението на опора №97 на главния отводник е само:
10,4 кВ − 0,77 кВ = 9,63 кВ.

По същия начин, напрежението на опора №178 може да бъде изчислено като 8,42 кВ, а напрежението в края на линията е 8,39 кВ.

3.2 Предложени решения

За осигуряване на качеството на напрежението, основните методи за регулиране на напрежението в средно- и нисковолтовите разпределителни мрежи включват:

• Изграждане на нова подстанция от 35 кВ, за да се намали радиусът на доставка при 10 кВ.

• Замяна на проводниците с проводници с по-голям сечение, за да се намали натоварването на линията.

• Инсталиране на компенсация на реактивната мощност в линията – този метод обаче е по-малко ефективен за дълги линии с тежки натоварвания.

• Инсталиране на автоматичен регулатор на напрежението SVR, който предлага висока степен на автоматизация, отлични показатели за регулиране на напрежението и гъвкаво разположение.

По-долу се сравняват три алтернативни решения за подобряване на качеството на напрежението в края на линията на фидера "Fakuai" от 10 кВ.

3.2.1 Изграждане на нова подстанция от 35 кВ

Очакван резултат: Новата подстанция ще намали значително радиуса на доставка, ще повиши напрежението в края на линията и ще подобри общото качество на електроенергията. Въпреки че това решение е много ефективно, то изисква значителни инвестиции.

3.2.2 Модернизация на основния фидер от 10 кВ

Промяната на параметрите на линията включва главно увеличаване на сечението на проводниците. За райони с малко население и линии с малки проводници, загубите от съпротивление доминират в общата падница на напрежението; следователно, намаляването на съпротивлението на проводниците води до забележимо подобрение на напрежението. С тази модернизация, напрежението в края на линията може да бъде повишен от 8,39 кВ до 9,5 кВ.

3.2.3 Инсталиране на автоматичен регулатор на напрежението SVR

Един автоматичен регулатор на напрежението от 10 кВ се инсталира, за да се решат проблеми с ниско напрежение след опора №161.
Очакван резултат: Напрежението в края на линията може да бъде повишено от 8,39 кВ до 10,3 кВ.

Сравнителният анализ показва, че вариант 3 е най-икономичен и практично изпълним.

Системата за автоматично регулиране на напрежението SVR стабилизира изходното напрежение, като коригира отношението на витките на трифазен автотрансформатор, предлагайки няколко ключови преимущества:

• Пълно автоматично регулиране на напрежението при натоварване.

• Използва звезден свързан трифазен автотрансформатор – компактен размер и висока капацитет (≤2000 кВА), подходящ за инсталация между опори.

• Стандартен диапазон на регулиране: −10% до +20%, достатъчен за удовлетворяване на изискванията към напрежението.

На базата на теоретични пресмятания, се препоръчва инсталирането на един автоматичен регулатор на напрежението SVR-5000/10-7 (0 до +20%) на основния фидер. След инсталирането, напрежението на опора №141 може да бъде повишен до:

U₁₆₁ = U × (10/8) = 10,5 кВ

където:

• U₁₆₁ = напрежението в точката на инсталация на регулатора след влизане в употреба

• 10/8 = максимално отношение на витките на регулатор с диапазон на регулиране 0 до +20%

Полевата операция потвърди, че системата SVR надеждно следи вариациите на входното напрежение и поддържа стабилно изходно напрежение, демонстрирайки доказана ефективност в намаляването на ниски напрежения.

3.2.4 Анализ на ползите

В сравнение с изграждането на нова подстанция или замяната на проводниците, разполагането на автоматичен регулатор на напрежението SVR значително намалява капиталовите разходи. Това не само повишава напрежението в линията, така че да отговаря на националните стандарти – доставяйки силен социален ефект, но и, при постоянни натоварвания, намалява линейния ток, като повишава напрежението, което води до намаление на линейните загуби и икономии на енергия. Това подобрява икономическата ефективност на електроенергийната компания.

4. Заключение

За селските електроенергийни мрежи в райони с ограничено бъдещо натоварване – особено тези, които липсват близки източници на енергия, имат дълги радиуси на доставка, високи линейни загуби, тежки натоварвания и без планувани подстанции от 35 кВ в близко бъдеще – използването на автоматични регулатори на напрежението SVR представлява привлекателна алтернатива. Това позволява отлагане или избягване на изграждането на подстанции от 35 кВ, като ефективно решава проблеми с ниско качество на напрежението и намалява енергийните загуби. При инвестициите, които са по-малко от една десета част от нова подстанция от 35 кВ, решението SVR предоставя значителни социални и икономически ползи и се препоръчва за широко приложение в селските електроенергийни мрежи.