Aplikace automatických napěťových regulátorů SVR v rozvodných sítích na venkově

1. Úvod

V posledních letech, s rovnoměrným a rychlým rozvojem národní ekonomiky, se významně zvýšila poptávka po elektrické energii. V venkovských elektrických sítích spojení stálého nárůstu zatížení, neefektivní distribuce místních zdrojů energie a omezených schopností regulace napětí v hlavní síti vedlo k tomu, že je značný počet dlouhých vývodů 10 kV – zejména v vzdálených horských oblastech nebo oblastech s slabou síťovou strukturou – jejichž dodávací poloměr přesahuje národní standardy. To má za následek, že kvalita napětí na konci těchto 10 kV vedení je obtížně zajištěna, koeficient využití kosinus fí nedosahuje požadovaných hodnot a ztráty na vedení zůstávají vysoké.

Vzhledem k omezením, jako jsou omezené finanční prostředky pro výstavbu sítě a ohledy na návratnost investic, není praktické řešit všechny problémy s nízkou kvalitou napětí na distribučních vývodech 10 kV pouze nasazením velkého množství vysokonapěťových distribučních transformátorů nebo nadměrným rozšířením sítě. Níže uvedený automatický regulátor napětí pro vývod 10 kV nabízí technicky proveditelné řešení pro řešení špatné kvality napětí na distribučních vedeních s prodlouženým dodávacím poloměrem.

2. Princip fungování regulátoru napětí

Automatický regulátor napětí SVR (Step Voltage Regulator) se skládá z hlavního obvodu a řadiče regulace napětí. Hlavní obvod obsahuje třífázový autotransformátor a třífázový tap changer s přepínáním pod zátěží (OLTC), jak je znázorněno na obrázku 1.

Systém cívek regulátoru zahrnuje paralelní cívku, sériovou cívku a kontrolní cívku napětí:

• Sériová cívka je vícekontaktní cívka připojená mezi vstup a výstup přes různé kontakty tap changeru; přímo reguluje výstupní napětí.

• Paralelní cívka slouží jako společná cívka autotransformátoru, generuje magnetické pole potřebné pro přenos energie.

• Kontrolní cívka napětí, namotaná nad paralelní cívkou, funguje jako sekundární cívka paralelní cívky a slouží k zásobování řadiče a motoru pracovním napětím, stejně jako k poskytnutí signálů napětí pro měření výstupu.

Princip fungování je následující: Připojením kontaktů sériové cívky na různé pozice tap changeru se poměr cívek mezi vstupními a výstupními cívkami mění kontrolovaným přepínáním pozic kontaktů, čímž se upravuje výstupní napětí. Podle požadavků aplikace jsou tap changer obvykle vybaveny 7 nebo 9 pozicemi, což umožňuje uživatelům vybrat vhodnou konfiguraci v závislosti na skutečných potřebách regulace napětí.

Poměr cívek mezi primární a sekundární cívkou regulátoru je shodný s konvenčním transformátorem, tedy:

3. Aplikační příklad
3.1 Současná stav vedení

Některé distribuční vedení 10 kV má délku hlavního vývodu 15,138 km, postaveno s dvěma typy vodičů: LGJ-70 mm² a LGJ-50 mm². Celková kapacita distribučních transformátorů podél vedení je 7 260 kVA. Během vrcholových zátěžových období klesá napětí na straně 220 V distribučních transformátorů ve střední a koncové části vedení až na 175 V.

Vodič LGJ-70 má odpor 0,458 Ω/km a reaktanci 0,363 Ω/km. Tedy celkový odpor a reaktance od stanice k stožáru č. 97 na hlavním vývodu jsou:
R = 0,458 × 6,437 = 2,95 Ω
X = 0,363 × 6,437 = 2,34 Ω

Na základě kapacity distribučních transformátorů a faktoru zátěže podél vedení lze vypočítat klesání napětí od stanice k stožáru č. 97 na hlavním vývodu

Použité symboly jsou definovány následovně:

• Δu — klesání napětí podél vedení (jednotka: kV)

• R — odpor vedení (jednotka: Ω)

• X — reaktance vedení (jednotka: Ω)

• r — odpor na jednotku délky (jednotka: Ω/km)

• x — reaktance na jednotku délky (jednotka: Ω/km)

• P — aktivní výkon na vedení (jednotka: kW)

• Q — reaktivní výkon na vedení (jednotka: kvar)

Tedy napětí na stožáru č. 97 na hlavním vývodu je pouze:
10,4 kV − 0,77 kV = 9,63 kV.

Obdobně lze vypočítat, že napětí na stožáru č. 178 je 8,42 kV a napětí na konci vedení je 8,39 kV.

3.2 Navrhovaná řešení

Pro zajištění kvality napětí jsou hlavní metody regulace napětí v středních a nízkých distribučních sítích následující:

• Výstavba nové 35 kV podstanice pro zkrácení dodávacího poloměru napájení 10 kV.

• Náhrada vodičů většími průřezy pro snížení zatížení linky.

• Instalace kompenzace reaktivní moci na lince – tento způsob je však méně efektivní pro dlouhé linky s těžkým zatížením.

• Instalace automatického regulátoru napětí SVR, který nabízí vysokou stupeň automatizace, vynikající výkon při regulaci napětí a flexibilní nasazení.

Níže jsou porovnány tři alternativní řešení pro zlepšení kvality napětí na konci linky 10 kV "Fakuai".

3.2.1 Výstavba nové 35 kV podstanice

Očekávaný výsledek: Nová podstanice by značně zkrátila dodávací poloměr, zvýšila napětí na konci linky a zlepšila celkovou kvalitu dodávané energie. Ačkoli je toto řešení velmi efektivní, vyžaduje značné investice.

3.2.2 Modernizace hlavního vedení 10 kV

Úprava parametrů linky se primárně týká zvětšení průřezu vodiče. Pro oblasti s malou hustotou osídlení a vodiči s malým průřezem převažují ztráty na odporu v celkovém poklesu napětí; tedy snížení odporu vodiče poskytuje zřetelné zlepšení napětí. Tímto způsobem lze napětí na konci linky zvýšit z 8,39 kV na 9,5 kV.

3.2.3 Instalace automatického regulátoru napětí SVR

Je nainstalován jeden 10 kV automatický regulátor napětí pro řešení problému s nízkým napětím za stožárem č. 161.
Očekávaný výsledek: Napětí na konci linky lze zvýšit z 8,39 kV na 10,3 kV.

Porovnání ukazuje, že možnost 3 je nejekonomičtější a praktická.

Systém automatické regulace napětí SVR stabilizuje výstupní napětí pomocí úpravy poměru ovinutí třífázového autotransformátoru, což nabízí několik klíčových výhod:

• Plně automatická, načasovaná regulace napětí.

• Používá třífázový autotransformátor spojený hvězdicovitě – kompaktní rozměry a vysoká kapacita (≤2000 kVA), vhodné pro instalaci mezi stožáry.

• Typický rozsah regulace: −10% až +20%, dostatečný pro splnění požadavků na napětí.

Na základě teoretických výpočtů je doporučeno nainstalovat jeden automatický regulátor napětí SVR-5000/10-7 (0 až +20%) na hlavní vedení. Po instalaci lze napětí u stožáru č. 141 zvýšit na:

U₁₆₁ = U × (10/8) = 10,5 kV

kde:

• U₁₆₁ = napětí v bodě instalace regulátoru po jeho spuštění

• 10/8 = maximální poměr ovinutí regulátoru s rozsahem úpravy 0 až +20%

Praktické provozní testy potvrdily, že systém SVR spolehlivě sleduje změny vstupního napětí a udržuje stabilní výstupní napětí, což dokazuje jeho účinnost při řešení problémů s nízkým napětím.

3.2.4 Analýza přínosů

Ve srovnání s výstavbou nové podstanice nebo výměnou vodičů umožňuje nasazení automatického regulátoru napětí SVR výrazně snížit kapitálové výdaje. Nejen že zvedne napětí na lince na úroveň národních standardů – což přináší silné sociální přínosy – ale také, za stejného zatížení, sníží proud v lince zvýšením napětí, což vedou k nižším ztrátám v lince a úsporám energie. To zvyšuje ekonomickou efektivitu dodavatele energie.

4. Závěr

Pro venkovské distribuční sítě v oblastech s omezeným budoucím růstem zatížení – zejména tam, kde chybí blízké zdroje energie, existuje dlouhý dodávací poloměr, vysoké ztráty v lince, těžké zatížení a není plánována stavba 35 kV podstanice v krátkodobé době – použití automatických regulátorů napětí SVR nabízí atraktivní alternativu. Umožňuje odložení nebo zrušení výstavby 35 kV podstanice, zároveň efektivně řeší problémy s nízkou kvalitou napětí a snižuje ztráty energie. Vzhledem k tomu, že investiční náklady jsou menší než desetina nákladů na novou 35 kV podstanici, řešení SVR přináší významné sociální a ekonomické přínosy a je silně doporučeno k širokému nasazení v venkovských elektrických sítích.