Aplicació dels reguladors automàtics de tensió SVR en xarxes de distribució rural
1. Introducció
En els darrers anys, amb el desenvolupament estable i ràpid de l'economia nacional, la demanda d'electricitat ha crescut significativament. A les xarxes elèctriques rurals, l'increment continu de la càrrega, juntament amb una distribució irracional de les fonts locals d'energia i capacitats limitades de regulació de tensió a la xarxa principal, ha provocat un nombre considerable de ramals llargs de 10 kV -especialment en zones muntanyoses remotes o regions amb estructures de xarxa febles- on el radi de subministrament supera els estàndards nacionals. Com a conseqüència, és difícil assegurar la qualitat de la tensió al final d'aquestes línies de 10 kV, el factor de potència no compleix els requisits i les pèrdues de línia romanen elevades.
Degut a restriccions com ara el finançament limitat per a la construcció de xarxes elèctriques i consideracions sobre el retorn d'invessos, no és pràctic resoldre tots els problemes de baixa qualitat de tensió en els ramals de distribució de 10 kV només desplegant nombroses subestacions de distribució d'alta tensió o ampliant excesivament la xarxa. El regulador automàtic de tensió de 10 kV introduït a continuació ofereix una solució tècnicament viable per a abordar la baixa qualitat de tensió en línies de distribució de llarga distància amb radis de subministrament allargats.
2. Principi de funcionament del regulador de tensió
El regulador automàtic de tensió SVR (Step Voltage Regulator) consta d'un circuit principal i un controlador de regulació de tensió. El circuit principal inclou un autotransformador trifàsic i un canvi de derivació sota càrrega trifàsic (OLTC), tal com es mostra a la Figura 1.
El sistema de bobinat del regulador inclou un bobinat paral·lel, un bobinat en sèrie i un bobinat de tensió de control:
El bobinat en sèrie és un bobinat multiderivació connectat entre l'entrada i la sortida mitjançant diferents contactes del canvi de derivació; regula directament la tensió de sortida.
El bobinat paral·lel serveix com a bobinat comú de l'autotransformador, generant el camp magnètic necessari per a la transferència d'energia.
El bobinat de tensió de control, envoltat sobre el bobinat paral·lel, actua com a secundari del bobinat paral·lel per subministrar energia operativa al controlador i al motor, així com proporcionar senyals de tensió per a la mesura de la sortida.
El principi de funcionament és el següent: connectant les derivacions del bobinat en sèrie a diferents posicions del canvi de derivació sota càrrega, es modifica la relació de voltatges entre els bobinats d'entrada i sortida a través del canvi controlat de les posicions de derivació, ajustant així la tensió de sortida. Dependint de les necessitats d'aplicació, els canvis de derivació sota càrrega solen configurar-se amb 7 o 9 posicions de derivació, permetent als usuaris seleccionar la configuració adequada basada en les reals necessitats de regulació de tensió.
La relació de voltatges entre els bobinats primari i secundari del regulador és consistent amb la d'un transformador convencional, és a dir:
3. Exemple d'aplicació
3.1 Condicions actuals de la línia
Una certa línia de distribució de 10 kV té una longitud del ramal principal de 15,138 km, construïda amb dos tipus de conductors: LGJ-70 mm² i LGJ-50 mm². La capacitat total dels transformadors de distribució a la línia és de 7.260 kVA. Durant els períodes de màxima càrrega, la tensió al costat de 220 V dels transformadors de distribució en les seccions mitjanes i finals de la línia cau tan baix com 175 V.
El conductor LGJ-70 té una resistència de 0,458 Ω/km i una reactància de 0,363 Ω/km. Per tant, la resistència total i la reactància des de la subestació fins al Pòlit #97 del ramal principal són:
R = 0,458 × 6,437 = 2,95 Ω
X = 0,363 × 6,437 = 2,34 Ω
Basant-nos en la capacitat dels transformadors de distribució i el factor de càrrega a la línia, es pot calcular la caiguda de tensió des de la subestació fins al Pòlit #97 del ramal principal com
Els símbols utilitzats es defineixen com segueix:
Δu — caiguda de tensió a la línia (unitat: kV)
R — resistència de la línia (unitat: Ω)
X — reactància de la línia (unitat: Ω)
r — resistència per unitat de longitud (unitat: Ω/km)
x — reactància per unitat de longitud (unitat: Ω/km)
P — potència activa a la línia (unitat: kW)
Q — potència reactiva a la línia (unitat: kvar)
Així, la tensió al Pòlit #97 del ramal principal és només:
10,4 kV − 0,77 kV = 9,63 kV.
De manera similar, es pot calcular que la tensió al Pòlit #178 és de 8,42 kV, i la tensió al final de la línia és de 8,39 kV.
3.2 Solucions proposades
Per assegurar la qualitat de tensió, els mètodes principals de regulació de tensió en xarxes de distribució de mitja i baixa tensió inclouen:
Construcció d'una nova subestació de 35 kV per a acurtir el radi d'abastament de 10 kV.
Substitució dels conductors per uns d'àrea transversal més gran per reduir la càrrega de la línia.
Instal·lació de compensació de potència reactiva basada en línia—no obstant això, aquest mètode és menys efectiu per a línies llargues amb càrregues elevades.
Instal·lació d'un regulador automàtic de tensió (SVR) per a alimentadors, que ofereix una alta automatització, un rendiment excel·lent en la regulació de tensió i una implantació flexible.
A continuació, es comparen tres solucions alternatives per millorar la qualitat de la tensió al final de la línia en l'alimentador de 10 kV "Fakuai".
3.2.1 Construcció d'una nova subestació de 35 kV
Resultat esperat: Una nova subestació acurta significativament el radi d'abastament, augmenta la tensió al final de la línia i millora la qualitat global de l'energia. Tot i ser molt eficaç, aquesta solució requereix una inversió substancial.
3.2.2 Millora de l'alimentador principal de 10 kV
La modificació dels paràmetres de la línia implica principalment l'augment de la secció transversal dels conductors. En àrees poc poblades amb línies de conductor petit, les pèrdues resistives dominen la caiguda total de tensió; per tant, reduir la resistència dels conductors proporciona una millora notable de la tensió. Amb aquesta millora, la tensió al final de la línia es pot elevar de 8,39 kV a 9,5 kV.
3.2.3 Instal·lació d'un regulador automàtic de tensió (SVR) per a alimentadors
S'instal·la un regulador automàtic de tensió de 10 kV per a resoldre els problemes de baixa tensió a partir de la vora 161.
Resultat esperat: La tensió al final de la línia es pot incrementar de 8,39 kV a 10,3 kV.
L'anàlisi comparativa mostra que l'opció 3 és la més econòmica i pràctica.
El sistema de regulació automàtica de tensió (SVR) estabilitza la tensió de sortida ajustant la relació de voltatges d'un autotransformador trifàsic connectat en estrella, oferint diverses avantatges clau:
Regulació de tensió automàtica i sota càrrega.
Utilitza un autotransformador trifàsic connectat en estrella—de mida compacta i capacitat elevada (≤2000 kVA), adequat per a la instal·lació entre postes.
Interval típic de regulació: −10% a +20%, suficient per complir els requisits de tensió.
Basant-nos en càlculs teòrics, es recomana instal·lar un regulador automàtic de tensió SVR-5000/10-7 (0 a +20%) en l'alimentador principal. Després de la instal·lació, la tensió a la vora 141 es pot elevar a:
U₁₆₁ = U × (10/8) = 10,5 kV
on:
U₁₆₁ = tensió al punt d'instal·lació del regulador després de la posada en marxa
10/8 = relació màxima de voltatges d'un regulador amb un interval d'ajustament de 0 a +20%
L'operació en terreny ha confirmat que el sistema SVR segueix fiablement les variacions de la tensió d'entrada i manté una tensió de sortida estable, demostrant la seva eficàcia comprovada en la mitigació de la baixa tensió.
3.2.4 Anàlisi dels beneficis
En comparació amb la construcció d'una nova subestació o la substitució dels conductors, la implementació d'un regulador de tensió SVR reduïx significativament l'inversió inicial. No només eleva la tensió de la línia per complir els estàndards nacionals—ofereix grans beneficis socials—sinó que també, en condicions de càrrega constant, redueix la corrent de la línia augmentant la tensió, reduint així les pèrdues de la línia i assolint economies d'energia. Això millora l'eficiència econòmica de la companyia elèctrica.
4. Conclusió
Per a xarxes de distribució rurals en àrees amb un creixement futur limitat de la càrrega—especialment aquelles sense fonts d'energia properes, amb radis d'abastament llargs, pèrdues de línia elevades, càrregues pesades i sense plans de construir subestacions de 35 kV en el curt termini—l'ús de reguladors automàtics de tensió (SVR) per a alimentadors ofereix una alternativa atractiva. Permet diferir o eliminar la construcció de subestacions de 35 kV mentre resol eficàciamet la qualitat baixa de la tensió i redueix les pèrdues d'energia. Donat que el cost d'inversió és inferior a un desè de la construcció d'una nova subestació de 35 kV, la solució SVR ofereix beneficis socials i econòmics significatius i es recomana ampliament per a la seva adopció en xarxes elèctriques rurals.
