Aplicación de los Reguladores Automáticos de Voltaje de Alimentador SVR en Redes de Distribución Rural
1. Introducción
En los últimos años, con el desarrollo estable y rápido de la economía nacional, la demanda de electricidad ha aumentado significativamente. En las redes eléctricas rurales, el aumento continuo de la carga, combinado con una distribución irracional de fuentes de energía locales y capacidades limitadas de regulación de tensión en la red principal, ha resultado en un número considerable de alimentadores de 10 kV largos, especialmente en áreas montañosas remotas o regiones con estructuras de red débiles, cuyo radio de suministro excede los estándares nacionales. Como consecuencia, la calidad de tensión al final de estas líneas de 10 kV es difícil de garantizar, el factor de potencia no cumple con los requisitos y las pérdidas en la línea permanecen altas.
Debido a restricciones como fondos limitados para la construcción de la red y consideraciones de retorno de la inversión, no es práctico resolver todos los problemas de baja calidad de tensión en los alimentadores de distribución de 10 kV solo mediante la implementación de numerosas subestaciones de distribución de alta tensión o extendiendo excesivamente la red. El regulador automático de tensión para alimentadores de 10 kV introducido a continuación ofrece una solución técnicamente viable para abordar la mala calidad de tensión en líneas de distribución de larga distancia con radios de suministro extendidos.
2. Principio de funcionamiento del regulador de tensión
El regulador automático de tensión SVR (Regulador de Tensión por Pasos) consta de un circuito principal y un controlador de regulación de tensión. El circuito principal incluye un autotransformador trifásico y un cambiador de tomas bajo carga (OLTC, On-Load Tap Changer), como se ilustra en la Figura 1.
El sistema de bobinado del regulador incluye un bobinado paralelo, un bobinado serie y un bobinado de tensión de control:
El bobinado serie es un devanado de múltiples tomas conectado entre la entrada y la salida a través de diferentes contactos del cambiador de tomas; regula directamente la tensión de salida.
El bobinado paralelo actúa como el bobinado común del autotransformador, generando el campo magnético necesario para la transferencia de energía.
El bobinado de tensión de control, enrollado sobre el bobinado paralelo, actúa como un secundario del bobinado paralelo para suministrar energía operativa para el controlador y el motor, así como proporcionar señales de tensión para la medición de la salida.
El principio de funcionamiento es el siguiente: Al conectar las tomas del bobinado serie a diferentes posiciones del cambiador de tomas bajo carga, la relación de espiras entre los bobinados de entrada y salida se altera a través de la conmutación controlada de las posiciones de las tomas, ajustando así la tensión de salida. Dependiendo de los requisitos de aplicación, los cambiadores de tomas bajo carga suelen configurarse con 7 u 9 posiciones de toma, permitiendo a los usuarios seleccionar la configuración apropiada según las necesidades reales de regulación de tensión.
La relación de espiras entre los bobinados primario y secundario del regulador es consistente con la de un transformador convencional, es decir:
3. Ejemplo de Aplicación
3.1 Condiciones actuales de la línea
Una cierta línea de distribución de 10 kV tiene una longitud de alimentador principal de 15.138 km, construida con dos tipos de conductores: LGJ-70 mm² y LGJ-50 mm². La capacidad total de los transformadores de distribución a lo largo de la línea es de 7,260 kVA. Durante los períodos de carga pico, la tensión en el lado de 220 V de los transformadores de distribución en las secciones intermedias y finales de la línea cae hasta 175 V.
El conductor LGJ-70 tiene una resistencia de 0.458 Ω/km y una reactancia de 0.363 Ω/km. Por lo tanto, la resistencia y reactancia totales desde la subestación hasta el poste #97 en el alimentador principal son:
R = 0.458 × 6.437 = 2.95 Ω
X = 0.363 × 6.437 = 2.34 Ω
Basándose en la capacidad de los transformadores de distribución y el factor de carga a lo largo de la línea, la caída de tensión desde la subestación hasta el poste #97 en el alimentador principal puede calcularse como
Los símbolos utilizados se definen como sigue:
Δu — caída de tensión a lo largo de la línea (unidad: kV)
R — resistencia de la línea (unidad: Ω)
X — reactancia de la línea (unidad: Ω)
r — resistencia por unidad de longitud (unidad: Ω/km)
x — reactancia por unidad de longitud (unidad: Ω/km)
P — potencia activa en la línea (unidad: kW)
Q — potencia reactiva en la línea (unidad: kvar)
Por lo tanto, la tensión en el poste #97 del alimentador principal es solo:
10.4 kV − 0.77 kV = 9.63 kV.
De manera similar, la tensión en el poste #178 se puede calcular como 8.42 kV, y la tensión al final de la línea es 8.39 kV.
3.2 Soluciones propuestas
Para garantizar la calidad de tensión, los principales métodos de regulación de tensión en redes de distribución de media y baja tensión incluyen:
Construcción de una nueva subestación de 35 kV para acortar el radio de suministro de 10 kV.
Reemplazo de conductores con secciones transversales más grandes para reducir la carga de línea.
Instalación de compensación de potencia reactiva basada en líneas—sin embargo, este método es menos efectivo para líneas largas con cargas pesadas.
Instalación de un regulador automático de voltaje de alimentador SVR, que ofrece alta automatización, excelente rendimiento de regulación de voltaje y despliegue flexible.
A continuación, se comparan tres soluciones alternativas para mejorar la calidad del voltaje al final de la línea en el alimentador de 10 kV "Fakuai".
3.2.1 Construcción de Nueva Subestación de 35 kV
Resultado esperado: Una nueva subestación acortaría significativamente el radio de suministro, elevaría el voltaje al final de la línea y mejoraría la calidad general del suministro eléctrico. Aunque es muy efectiva, esta solución requiere una inversión sustancial.
3.2.2 Mejora del Alimentador Principal de 10 kV
La modificación de los parámetros de la línea se centra principalmente en aumentar la sección transversal del conductor. En áreas poco pobladas con líneas de conductores pequeños, las pérdidas resistivas dominan la caída total de voltaje; por lo tanto, reducir la resistencia del conductor proporciona una mejora notable en el voltaje. Con esta mejora, el voltaje al final de la línea puede elevarse de 8.39 kV a 9.5 kV.
3.2.3 Instalación de un Regulador Automático de Voltaje de Alimentador SVR
Se instala un regulador automático de voltaje de 10 kV para abordar problemas de bajo voltaje aguas abajo del poste #161.
Resultado esperado: El voltaje al final de la línea puede incrementarse de 8.39 kV a 10.3 kV.
El análisis comparativo muestra que la Opción 3 es la más económica y práctica.
El sistema de regulación automática de voltaje de alimentador SVR estabiliza el voltaje de salida ajustando la relación de vueltas de un autotransformador trifásico, ofreciendo varias ventajas clave:
Regulación de voltaje automática, bajo carga.
Utiliza un autotransformador trifásico conectado en estrella—de tamaño compacto y alta capacidad (≤2000 kVA), adecuado para instalación entre postes.
Rango de regulación típico: −10% a +20%, suficiente para cumplir con los requisitos de voltaje.
Basado en cálculos teóricos, se recomienda instalar un regulador automático de voltaje SVR-5000/10-7 (0 a +20%) en el alimentador principal. Después de la instalación, el voltaje en el poste #141 puede elevarse a:
U₁₆₁ = U × (10/8) = 10.5 kV
donde:
U₁₆₁ = voltaje en el punto de instalación del regulador después de la puesta en marcha
10/8 = relación de vueltas máxima de un regulador con rango de ajuste de 0 a +20%
La operación en campo ha confirmado que el sistema SVR rastrea confiablemente las variaciones de voltaje de entrada y mantiene un voltaje de salida estable, demostrando su efectividad comprobada en la mitigación de bajos voltajes.
3.2.4 Análisis de Beneficios
En comparación con la construcción de una nueva subestación o el reemplazo de conductores, el despliegue de un regulador de voltaje SVR reduce significativamente el gasto de capital. No solo eleva el voltaje de la línea para cumplir con los estándares nacionales—proporcionando beneficios sociales fuertes—sino que, bajo condiciones de carga constante, reduce la corriente de línea al elevar el voltaje, lo que disminuye las pérdidas de línea y logra ahorros de energía. Esto mejora la eficiencia económica de la empresa de servicios públicos.
4. Conclusión
Para redes de distribución rurales en áreas con crecimiento futuro limitado de la carga—especialmente aquellas que carecen de fuentes de energía cercanas, presentan radios de suministro largos, altas pérdidas de línea, cargas pesadas y no tienen previstas subestaciones de 35 kV en el corto plazo—el uso de reguladores automáticos de voltaje de alimentador SVR ofrece una alternativa convincente. Permite posponer o eliminar la construcción de subestaciones de 35 kV mientras resuelve eficazmente la baja calidad del voltaje y reduce las pérdidas de energía. Dado que su costo de inversión es menos de una décima parte de una nueva subestación de 35 kV, la solución SVR proporciona beneficios sociales y económicos significativos y se recomienda ampliamente su adopción en redes eléctricas rurales.
