Εφαρμογή των αυτόματων ρυθμιστών τάσης SVR Feeder σε αγροτικά δίκτυα κατανομής

1. Εισαγωγή

Τα τελευταία χρόνια, με τη σταθερή και γρήγορη ανάπτυξη της εθνικής οικονομίας, η ζήτηση για ηλεκτρική ενέργεια έχει αυξηθεί σημαντικά. Στους αγροτικούς ηλεκτρικούς δικτυκούς, η συνεχής αύξηση της φορτίας, σε συνδυασμό με την ανορθοδοξία στη διάκλαδη των τοπικών πηγών ενέργειας και τις περιορισμένες δυνατότητες ρύθμισης τάσης στο κύριο δίκτυο, έχει οδηγήσει σε ένα σημαντικό αριθμό 10 kV μακρών διανομέων—ειδικά σε απομακρυσμένες ορεινές περιοχές ή περιοχές με αδύναμη δομή δικτύου—όπου ο ακτίνα εφοδιασμού υπερβαίνει τα εθνικά πρότυπα. Αποτέλεσμα, η ποιότητα τάσης στο τέλος αυτών των 10 kV γραμμών είναι δύσκολο να εξασφαλιστεί, ο συντελεστής δύναμης δεν συμβαδίζει με τις απαιτήσεις και οι απώλειες στη γραμμή παραμένουν υψηλές.

Λόγω περιορισμών όπως περιορισμένοι πόροι για την κατασκευή δικτύου και θεωρίες επιστροφής επενδύσεων, δεν είναι πρακτικό να λυθούν όλα τα προβλήματα χαμηλής ποιότητας τάσης στους 10 kV διανομείς μόνο με την εγκατάσταση πολλών υψηλής τάσης διανομέων ή την εξαγέρωση του δικτύου. Ο 10 kV αυτόματος ρυθμιστής τάσης που παρουσιάζεται παρακάτω προσφέρει μια τεχνικά βιώσιμη λύση για την αντιμετώπιση της χαμηλής ποιότητας τάσης σε μακρά διανομικές γραμμές με επεκτεινόμενες ακτίνες εφοδιασμού.

2. Λειτουργική Αρχή του Ρυθμιστή Τάσης

Ο αυτόματος ρυθμιστής τάσης SVR (Step Voltage Regulator) αποτελείται από το κύριο κύκλωμα και τον ελεγκτή ρύθμισης τάσης. Το κύριο κύκλωμα περιλαμβάνει ένα τριφασικό αυτοτρανσφορματήρα και ένα τριφασικό επιμέρους ταπεινωτή (OLTC), όπως είναι απεικονισμένο στο Σχήμα 1.

Η σύστημα κατανεμημένων κατανεμημένων κατανεμημένων περιλαμβάνει έναν παράλληλο κατανεμημένο, έναν σειριακό κατανεμημένο και έναν ελεγκτή κατανεμημένης τάσης:

• Ο σειριακός κατανεμημένος είναι ένα πολύ ταπεινωτής κατανεμημένος που συνδέεται μεταξύ της εισόδου και της εξόδου μέσω διαφόρων επαφών του ταπεινωτή· ρυθμίζει άμεσα την εξόδου τάση.

• Ο παράλληλος κατανεμημένος λειτουργεί ως ο κοινός κατανεμημένος του αυτοτρανσφορματήρα, δημιουργώντας το μαγνητικό πεδίο που απαιτείται για τη μεταφορά ενέργειας.

• Ο ελεγκτής κατανεμημένης τάσης, που είναι περιελιγμένος γύρω από τον παράλληλο κατανεμημένο, λειτουργεί ως δευτερεύουσα του παράλληλου κατανεμημένου για την παροχή λειτουργικής ενέργειας για τον ελεγκτή και τον κινητήρα, καθώς και για την παροχή σημάτων τάσης για τη μέτρηση της εξόδου.

Η λειτουργική αρχή είναι η εξής: Μέσω της σύνδεσης των ταπεινωτών του σειριακού κατανεμημένου σε διαφορετικές θέσεις του επιμέρους ταπεινωτή, η λόγος των σπειρών μεταξύ των εισόδου και εξόδου κατανεμημένων αλλάζει μέσω ελεγχόμενης αλλαγής των θέσεων ταπεινωτή, έτσι ώστε να ρυθμίζεται η εξόδου τάση. Σύμφωνα με τις απαιτήσεις εφαρμογής, οι επιμέρους ταπεινωτές είναι συνήθως διαμορφωμένοι με 7 ή 9 θέσεις ταπεινωτή, επιτρέποντας στους χρήστες να επιλέξουν την κατάλληλη διαμόρφωση με βάση τις πραγματικές ανάγκες ρύθμισης τάσης.

Η λόγος των σπειρών μεταξύ του πρωτογενούς και δευτερεύοντος κατανεμημένου είναι συνεπής με εκείνη ενός συνηθισμένου τρανσφορματήρα, δηλαδή:

3.Παράδειγμα Εφαρμογής
3.1 Τρέχουσες Συνθήκες Γραμμής

Μια συγκεκριμένη 10 kV διανομική γραμμή έχει μήκος κύριου διανομέα 15,138 χλμ, κατασκευασμένη με δύο τύπους ηλεκτροδότησης: LGJ-70 mm² και LGJ-50 mm². Η συνολική δυναμικότητα των διανομικών τρανσφορματήρων κατά μήκος της γραμμής είναι 7.260 kVA. Κατά τη διάρκεια των κρίσιμων χρόνων φορτίου, η τάση στην πλευρά 220 V των διανομικών τρανσφορματήρων στα μέσα-τέλη της γραμμής πέφτει ως το χαμηλό επίπεδο 175 V.

Ο ηλεκτροδότησης LGJ-70 έχει αντίσταση 0,458 Ω/χλμ και αντίδραση 0,363 Ω/χλμ. Έτσι, η συνολική αντίσταση και αντίδραση από το υποδιαστατικό μέχρι τον Πόλο #97 στον κύριο διανομέα είναι:
R = 0,458 × 6,437 = 2,95 Ω
X = 0,363 × 6,437 = 2,34 Ω

Βάσει της δυναμικότητας των διανομικών τρανσφορματήρων και του συντελεστή φορτίου κατά μήκος της γραμμής, η πτώση τάσης από το υποδιαστατικό μέχρι τον Πόλο #97 στον κύριο διανομέα μπορεί να υπολογιστεί ως

Οι χρησιμοποιούμενοι σύμβολοι ορίζονται ως εξής:

• Δu — πτώση τάσης κατά μήκος της γραμμής (μονάδα: kV)

• R — αντίσταση γραμμής (μονάδα: Ω)

• X — αντίδραση γραμμής (μονάδα: Ω)

• r — αντίσταση ανά μονάδα μήκους (μονάδα: Ω/χλμ)

• x — αντίδραση ανά μονάδα μήκους (μονάδα: Ω/χλμ)

• P — ενεργός δύναμη στη γραμμή (μονάδα: kW)

• Q — ανενεργός δύναμη στη γραμμή (μονάδα: kvar)

Άρα, η τάση στον Πόλο #97 στον κύριο διανομέα είναι μόνο:
10,4 kV − 0,77 kV = 9,63 kV.

Όμοια, η τάση στον Πόλο #178 μπορεί να υπολογιστεί ως 8,42 kV, και η τάση στο τέλος της γραμμής είναι 8,39 kV.

3.2 Προτεινόμενες Λύσεις

Για να εξασφαλιστεί η ποιότητα τάσης, οι κύριες μεθόδοι ρύθμισης τάσης στα μεσαία και χαμηλά δίκτυα διανομής περιλαμβάνουν:

• Κατασκευή μιας νέας υποστάθμης 35 kV για τη μείωση του ακτίνα παροχής 10 kV.

• Αντικατάσταση των διαγωνίων με μεγαλύτερη επιφάνεια έκτασης για τη μείωση της φορτίασης της γραμμής.

• Εγκατάσταση αντιδραστικής ενεργός επαναφοράς κατά μήκος της γραμμής - ωστόσο, αυτή η μέθοδος είναι λιγότερο αποτελεσματική για μακρές γραμμές με βαριά φορτία.

• Εγκατάσταση αυτόματου ρυθμιστή τάσης SVR, που προσφέρει υψηλή αυτοματοποίηση, εξαιρετική απόδοση ρύθμισης τάσης και ευέλικτη εγκατάσταση.

Παρακάτω, συγκρίνονται τρεις εναλλακτικές λύσεις για τη βελτίωση της ποιότητας τάσης στο τέλος της γραμμής 10 kV "Fakuai".

3.2.1 Κατασκευή Νέας Υποστάθμης 35 kV

Αναμενόμενο αποτέλεσμα: Μια νέα υποστάθμη θα μείωνε σημαντικά την ακτίνα παροχής, θα αυξάνονταν οι τάσεις στο τέλος της γραμμής και θα βελτιώνονταν συνολικά οι δείκτες ποιότητας ενέργειας. Παρ' όλη την αποτελεσματικότητα, αυτή η λύση απαιτεί σημαντική επένδυση.

3.2.2 Ενημέρωση της Κύριας Γραμμής 10 kV

Η τροποποίηση των παραμέτρων της γραμμής περιλαμβάνει κυρίως την αύξηση της επιφάνειας έκτασης των διαγωνίων. Για περιοχές με χαμηλή πυκνότητα πληθυσμού και μικρές επιφάνειες διαγωνίων, οι απώλειες αντίστασης είναι κυρίαρχες στη συνολική πτώση τάσης· έτσι, η μείωση της αντίστασης των διαγωνίων παρέχει εμφανή βελτίωση της τάσης. Με αυτή την ενημέρωση, η τάση στο τέλος της γραμμής μπορεί να αυξηθεί από 8.39 kV σε 9.5 kV.

3.2.3 Εγκατάσταση Αυτόματου Ρυθμιστή Τάσης SVR

Εγκαταστάται ένας αυτόματος ρυθμιστής τάσης 10 kV για την αντιμετώπιση των προβλημάτων χαμηλής τάσης κάτω από τον στύλο #161.
Αναμενόμενο αποτέλεσμα: Η τάση στο τέλος της γραμμής μπορεί να αυξηθεί από 8.39 kV σε 10.3 kV.

Η συγκριτική ανάλυση δείχνει ότι η Επιλογή 3 είναι η πιο οικονομική και πρακτική.

Το σύστημα αυτόματης ρύθμισης τάσης SVR σταθεροποιεί την εξόδια τάση προσαρμόζοντας το λόγο των επαναλήψεων ενός τριφασικού αυτοτρανσφορματορα, παρέχοντας αρκετά βασικά πλεονεκτήματα:

• Πλήρως αυτόματη, ρύθμιση τάσης υπό φορτίο.

• Χρησιμοποιεί τριφασικό αυτοτρανσφορματορ σε σύνδεση σε αστέρα - μικρές διαστάσεις και μεγάλη ικανότητα (≤2000 kVA), κατάλληλος για εγκατάσταση από στύλο σε στύλο.

• Τυπική διαφορά ρύθμισης: −10% έως +20%, αρκετή για την κάλυψη των απαιτήσεων τάσης.

Βάσει θεωρητικών υπολογισμών, συνιστάται η εγκατάσταση ενός αυτόματου ρυθμιστή τάσης SVR-5000/10-7 (0 έως +20%) στην κύρια γραμμή. Μετά την εγκατάσταση, η τάση στον στύλο #141 μπορεί να αυξηθεί σε:

U₁₆₁ = U × (10/8) = 10.5 kV

όπου:

• U₁₆₁ = τάση στο σημείο εγκατάστασης του ρυθμιστή μετά την ενεργοποίηση

• 10/8 = μέγιστος λόγος επαναλήψεων ενός ρυθμιστή με πεδίο ρύθμισης 0 έως +20%

Η επιχειρησιακή λειτουργία έχει επιβεβαιώσει ότι το σύστημα SVR επιτυγχάνει αξιόπιστη παρακολούθηση των μεταβολών τάσης εισόδου και διατηρεί σταθερή εξόδια τάση, δείχνοντας αποτελεσματικότητα στην εξάλειψη των προβλημάτων χαμηλής τάσης.

3.2.4 Ανάλυση Πλεονεκτημάτων

Σε σύγκριση με την κατασκευή μιας νέας υποστάθμης ή την αντικατάσταση των διαγωνίων, η εγκατάσταση ενός αυτόματου ρυθμιστή τάσης SVR μειώνει σημαντικά την καπιταλική επένδυση. Δεν μόνο αυξάνει την τάση της γραμμής ώστε να επιτευχθούν οι εθνικοί πρότυποι, παρέχοντας ισχυρά κοινωνικά οφέλη, αλλά και, υπό σταθερές συνθήκες φορτίου, μειώνει την ρευστή της γραμμής αυξάνοντας την τάση, έτσι ώστε να μειώνονται οι απώλειες της γραμμής και να επιτευχθούν οικονομίες ενέργειας. Αυτό ενισχύει την οικονομική αποδοτικότητα της εταιρείας.

4. Συμπέρασμα

Για τα αγροτικά δίκτυα διανομής σε περιοχές με περιορισμένη μελλοντική αύξηση φορτίου, ιδιαίτερα εκείνες χωρίς κοντινές πηγές ενέργειας, με μεγάλη ακτίνα παροχής, υψηλές απώλειες της γραμμής, βαριά φορτία και χωρίς προγραμματισμένη κατασκευή υποστάθμης 35 kV στο κατώφλι, η χρήση αυτόματων ρυθμιστών τάσης SVR παρέχει μια πειστική εναλλακτική. Επιτρέπει την αναβολή ή την εξάλειψη της κατασκευής υποστάθμης 35 kV, ενώ επιλύει αποτελεσματικά τα προβλήματα χαμηλής ποιότητας τάσης και μειώνει τις απώλειες ενέργειας. Δεδομένου ότι η καπιταλική επένδυση είναι λιγότερη από το δέκατο της κατασκευής μιας νέας υποστάθμης 35 kV, η λύση SVR παρέχει σημαντικά κοινωνικά και οικονομικά οφέλη και συνιστάται η ευρεία χρήση σε αγροτικά δίκτυα ενέργειας.