Anwendung von SVR-Spannungsreglern in ländlichen Verteilnetzen

1. Einführung

In den letzten Jahren hat sich die Nachfrage nach Elektrizität erheblich erhöht, aufgrund des stetigen und schnellen Wachstums der nationalen Wirtschaft. In ländlichen Stromnetzen hat die kontinuierliche Zunahme der Last, kombiniert mit einer irrationalen Verteilung lokaler Energiequellen und begrenzten Spannungsregelungsfähigkeiten im Hauptnetz, zu einer beträchtlichen Anzahl von 10-kV-Langleitungen geführt – insbesondere in abgelegenen Gebirgsregionen oder Gebieten mit schwachen Netzstrukturen –, deren Versorgungsradiale über nationale Standards hinausgehen. Dies führt dazu, dass die Spannungsqualität am Ende dieser 10-kV-Leitungen schwer zu gewährleisten ist, der Leistungsfaktor die Anforderungen nicht erfüllt und die Verluste in den Leitungen hoch bleiben.

Wegen Einschränkungen wie begrenztem Budget für Netzausbau und Erwägungen zur Investitionsrendite ist es nicht praktikabel, alle Probleme mit geringer Spannungsqualität auf 10-kV-Distributionsleitungen ausschließlich durch den Einsatz vieler Hochspannungs-Distributionsunterstationen oder durch eine übermäßige Verlängerung des Netzes zu lösen. Der unten vorgestellte 10-kV-Leitungsspannungsaufwärter bietet eine technisch machbare Lösung für die Behebung von geringer Spannungsqualität auf langen Distributionsleitungen mit erweiterten Versorgungsradialen.

2. Arbeitsprinzip des Spannungsaufwärts

Der SVR (Step Voltage Regulator) Spannungsaufwärter besteht aus einem Hauptschaltkreis und einem Spannungsregler. Der Hauptschaltkreis umfasst einen Drehstrom-Selbstinduktor und einen Drehstrom-Lastschalter (OLTC), wie in Abbildung 1 dargestellt.

Das Regelwindsystem beinhaltet ein Schaltwinding, ein Reihenwinding und ein Steuerwinding:

• Das Reihenwinding ist eine mehrfach anzapfbare Spule, die zwischen dem Eingang und dem Ausgang über verschiedene Kontakte des Lastschalters verbunden ist; es regelt direkt die Ausgangsspannung.

• Das Schaltwinding fungiert als gemeinsames Winding des Selbstinduktors und erzeugt das für die Energieübertragung notwendige Magnetfeld.

• Das Steuerwinding, das über dem Schaltwinding gewickelt ist, dient als Sekundärwicklung des Schaltwindings, um Betriebsenergie für den Regler und den Motor zu liefern, sowie Spannungssignale für die Ausgangsmessung bereitzustellen.

Das Arbeitsprinzip lautet wie folgt: Durch Verbinden der Anzapfungspunkte des Reihenwindings an verschiedenen Positionen des Lastschalters wird das Windungsverhältnis zwischen Eingang und Ausgang durch gesteuertes Schalten der Anzapfungspunkte verändert, wodurch die Ausgangsspannung angepasst wird. Abhängig von den Anwendungsanforderungen sind Lastschalter normalerweise mit 7 oder 9 Anzapfungspunkten konfiguriert, sodass Benutzer die geeignete Konfiguration basierend auf den tatsächlichen Spannungsregelungsbedürfnissen auswählen können.

Das Windungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwindung des Reglers entspricht dem eines herkömmlichen Transformators, d.h.:

3. Anwendungsbeispiel
3.1 Aktuelle Leitungsbedingungen

Eine bestimmte 10-kV-Distributionsleitung hat eine Länge des Hauptleiters von 15,138 km und wurde mit zwei Leiterarten, LGJ-70 mm² und LGJ-50 mm², errichtet. Die gesamte Kapazität der Distributions-transformator entlang der Leitung beträgt 7.260 kVA. Während der Spitzenlastperiode fällt die Spannung auf der 220-V-Seite der Distributions-transformator in den mittleren bis enden Abschnitten der Leitung auf so niedrig wie 175 V.

Der Leiter LGJ-70 hat einen Widerstand von 0,458 Ω/km und einen Blindwiderstand von 0,363 Ω/km. Daher betragen der Gesamtwiderstand und der Gesamtblindwiderstand vom Umspannwerk bis zum Mast #97 auf dem Hauptleiter:
R = 0,458 × 6,437 = 2,95 Ω
X = 0,363 × 6,437 = 2,34 Ω

Basierend auf der Transformatorkapazität und dem Lastfaktor entlang der Leitung kann der Spannungsabfall vom Umspannwerk bis zum Mast #97 auf dem Hauptleiter wie folgt berechnet werden:

Die verwendeten Symbole sind wie folgt definiert:

• Δu — Spannungsabfall entlang der Leitung (Einheit: kV)

• R — Leitungswiderstand (Einheit: Ω)

• X — Leitungsblindwiderstand (Einheit: Ω)

• r — Widerstand pro Längeneinheit (Einheit: Ω/km)

• x — Blindwiderstand pro Längeneinheit (Einheit: Ω/km)

• P — Wirkleistung in der Leitung (Einheit: kW)

• Q — Blindleistung in der Leitung (Einheit: kvar)

Daher beträgt die Spannung am Mast #97 auf dem Hauptleiter nur:
10,4 kV − 0,77 kV = 9,63 kV.

Ähnlich lässt sich die Spannung am Mast #178 auf 8,42 kV und die Spannung am Leitungsende auf 8,39 kV berechnen.

3.2 Vorgeschlagene Lösungen

Um die Spannungsqualität sicherzustellen, sind die primären Spannungsregelmethoden in Mittel- und Niederspannungs-Netzen:

• Bau einer neuen 35 kV-Umspannstation, um den Versorgungsradius der 10 kV-Spannung zu verkürzen.

• Ersetzen von Leitern mit größeren Querschnitten, um die Leitungsauslastung zu reduzieren.

• Installation von leitungsgebundener Blindleistungskompensation – diese Methode ist jedoch weniger effektiv für lange Leitungen mit hoher Last.

• Installation eines SVR-Speiseregelautomaten, der eine hohe Automatisierung, exzellente Spannungsregelung und flexible Einsetzbarkeit bietet.

Im Folgenden werden drei alternative Lösungen zur Verbesserung der Endspannung auf dem 10 kV-Speisefeld „Fakuai“ verglichen.

3.2.1 Bau einer neuen 35 kV-Umspannstation

Erwartetes Ergebnis: Eine neue Umspannstation würde den Versorgungsradius erheblich verkürzen, die Endspannung erhöhen und die allgemeine Netzqualität verbessern. Obwohl diese Lösung sehr effektiv ist, erfordert sie erhebliche Investitionen.

3.2.2 Modernisierung des 10 kV-Hauptleiters

Die Modifikation der Leiterparameter beinhaltet hauptsächlich die Erhöhung des Leiterquerschnitts. In dünn besiedelten Gebieten mit Leitern kleiner Querschnitte dominiert der Widerstand die Gesamtspannungsabfall; daher führt eine Reduzierung des Leiterwiderstands zu einem bemerkbaren Spannungsanstieg. Mit dieser Modernisierung kann die Endspannung von 8,39 kV auf 9,5 kV erhöht werden.

3.2.3 Installation eines SVR-Speiseregelautomaten

Ein 10 kV-Spannungsregler wird installiert, um niedrige Spannungen stromabwärts vom Mast #161 zu beheben.
Erwartetes Ergebnis: Die Endspannung kann von 8,39 kV auf 10,3 kV erhöht werden.

Eine vergleichende Analyse zeigt, dass Option 3 die wirtschaftlichste und praktischste ist.

Das SVR-Speiseregelautomatensystem stabilisiert die Ausgangsspannung durch Anpassung des Wicklungsverhältnisses eines dreiphasigen Autotransformators und bietet mehrere wichtige Vorteile:

• Vollautomatische Spannungsregelung unter Last.

• Verwendung eines sternverschalteten dreiphasigen Autotransformators – kompakte Größe und hohe Kapazität (≤2000 kVA), geeignet für die Installation zwischen Masten.

• Typischer Regelbereich: −10% bis +20%, ausreichend, um die Spannungsanforderungen zu erfüllen.

Basierend auf theoretischen Berechnungen wird empfohlen, einen SVR-5000/10-7 (0 bis +20%) Spannungsregler auf dem Hauptleiter zu installieren. Nach der Installation kann die Spannung am Mast #141 wie folgt erhöht werden:

U₁₆₁ = U × (10/8) = 10,5 kV

wobei:

• U₁₆₁ = Spannung am Installationspunkt des Reglers nach der Inbetriebnahme

• 10/8 = maximales Wicklungsverhältnis eines Reglers mit einem Einstellbereich von 0 bis +20%

Praktische Betriebsdaten bestätigen, dass das SVR-System die Eingangsspannungserhöhungen zuverlässig verfolgt und eine stabile Ausgangsspannung aufrechterhält, was seine bewährte Effektivität bei der Minderung von Niederspannungen demonstriert.

3.2.4 Nutzenanalyse

Im Vergleich zum Bau einer neuen Umspannstation oder dem Austausch von Leitern reduziert die Verwendung eines SVR-Spannungsreglers die Investitionskosten erheblich. Es hebt die Leitungsspannung nicht nur auf nationale Standards an – was starke soziale Vorteile bringt –, sondern senkt auch unter konstantem Lastzustand den Leitungsstrom durch die Erhöhung der Spannung, was zu geringeren Leitungsverlusten und Energieeinsparungen führt. Dies verbessert die wirtschaftliche Effizienz des Versorgungsunternehmens.

4. Fazit

Für ländliche Verteilnetze in Gebieten mit begrenztem zukünftigem Lastwachstum – insbesondere in solchen, die über keine nahegelegenen Energiequellen, lange Versorgungsradien, hohe Leitungsverluste, hohe Auslastung und keine geplanten 35 kV-Umspannstationen in absehbarer Zeit verfügen – bietet die Verwendung von SVR-Speiseregelautomaten eine attraktive Alternative. Sie ermöglicht es, den Bau von 35 kV-Umspannstationen aufzuschieben oder zu vermeiden, während gleichzeitig die Probleme der Niederspannung gelöst und Energieverluste reduziert werden. Da die Investitionskosten weniger als ein Zehntel der Kosten für eine neue 35 kV-Umspannstation betragen, bietet die SVR-Lösung erhebliche soziale und wirtschaftliche Vorteile und wird für eine weite Verbreitung in ländlichen Stromnetzen stark empfohlen.