کاربرد تنظیم‌کننده‌های ولتاژ خودکار فیدر SVR در شبکه‌های توزیع روستایی

۱. مقدمه

در سال‌های اخیر، با توسعه پایدار و سریع اقتصاد ملی، تقاضای برق به طور قابل توجهی افزایش یافته است. در شبکه‌های برق روستایی، افزایش مداوم بار، همراه با توزیع نامناسب منابع برق محلی و قابلیت تنظیم ولتاژ محدود در شبکه اصلی، منجر به وجود تعداد قابل توجهی خطوط تغذیه بلند ۱۰ کیلوولت شده است - به ویژه در مناطق کوهستانی دوردست یا مناطق با ساختار شبکه ضعیف - که شعاع تغذیه آنها از استانداردهای ملی فراتر رفته است. بنابراین، کیفیت ولتاژ در انتهای این خطوط ۱۰ کیلوولت دشوار است، عامل توان به حد مورد نیاز نمی‌رسد و تلفات خط بالا می‌ماند.

به دلیل محدودیت‌هایی مانند بودجه محدود ساخت شبکه و در نظر گرفتن بازگشت سرمایه، حل تمام مشکلات کیفیت ولتاژ پایین در خطوط توزیع ۱۰ کیلوولت فقط با استفاده از نصب تعداد زیادی از زیرمراکز توزیع ولتاژ بالا یا تمدید بیش از حد شبکه عملی نیست. تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار ۱۰ کیلوولت که در ادامه معرفی می‌شود، راه‌حل فنی قابل اجرا برای حل مشکل کیفیت ولتاژ ضعیف در خطوط توزیع دوردست با شعاع تغذیه گسترده ارائه می‌دهد.

۲. اصول کار تنظیم‌کننده ولتاژ

تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار SVR (Step Voltage Regulator) شامل مدار اصلی و کنترل‌کننده تنظیم ولتاژ است. مدار اصلی شامل یک ترانسفورماتور خودکار سه‌فاز و یک تغییردهنده تپ متصل به بار سه‌فاز (OLTC) است، همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است.

سیستم پیچک تنظیم‌کننده شامل پیچک موازی، پیچک سری و پیچک ولتاژ کنترلی است:

• پیچک سری یک پیچک چند تپی است که بین ورودی و خروجی از طریق تماس‌های مختلف تغییردهنده تپ متصل می‌شود؛ این پیچک ولتاژ خروجی را مستقیماً تنظیم می‌کند.

• پیچک موازی به عنوان پیچک مشترک ترانسفورماتور خودکار عمل می‌کند و میدان مغناطیسی لازم برای انتقال انرژی را تولید می‌کند.

• پیچک ولتاژ کنترلی که بر روی پیچک موازی پیچیده شده است، به عنوان ثانویه پیچک موازی عمل می‌کند تا انرژی کاری برای کنترل‌کننده و موتور فراهم کند و همچنین سیگنال‌های ولتاژ برای اندازه‌گیری خروجی ارائه دهد.

اصول کار به شرح زیر است: با متصل کردن تپ‌های پیچک سری به موقعیت‌های مختلف تغییردهنده تپ متصل به بار، نسبت تپ بین پیچک‌های ورودی و خروجی از طریق تغییر کنترل‌شده موقعیت تپ‌ها تغییر می‌کند و بنابراین ولتاژ خروجی تنظیم می‌شود. بر اساس نیازهای کاربردی، تغییردهنده‌های تپ متصل به بار معمولاً با ۷ یا ۹ موقعیت تپ پیکربندی می‌شوند که به کاربران اجازه می‌دهد پیکربندی مناسب را بر اساس نیازهای واقعی تنظیم ولتاژ انتخاب کنند.

نسبت تپ بین پیچک‌های اولیه و ثانویه تنظیم‌کننده با نسبت تپ یک ترانسفورماتور معمولی یکسان است، یعنی:

۳. مثال کاربردی
۳.۱ شرایط فعلی خط

خط توزیع ۱۰ کیلوولتی خاصی با طول خط اصلی ۱۵.۱۳۸ کیلومتر ساخته شده است با استفاده از دو نوع هادی: LGJ-۷۰ میلی‌متر مربع و LGJ-۵۰ میلی‌متر مربع. ظرفیت کل ترانسفورماتورهای توزیع در طول خط ۷۲۶۰ کیلوواط است. در ساعات بار پیک، ولتاژ در سمت ۲۲۰ ولت ترانسفورماتورهای توزیع در بخش‌های میانی تا انتهای خط به کمتر از ۱۷۵ ولت می‌رسد.

هادی LGJ-۷۰ دارای مقاومت ۰.۴۵۸ اهم/کیلومتر و واکنش ۰.۳۶۳ اهم/کیلومتر است. بنابراین، مقاومت کل و واکنش از زیراستانیون تا ستون شماره ۹۷ در خط اصلی عبارت است از:
R = ۰.۴۵۸ × ۶.۴۳۷ = ۲.۹۵ اهم
X = ۰.۳۶۳ × ۶.۴۳۷ = ۲.۳۴ اهم

بر اساس ظرفیت ترانسفورماتورهای توزیع و عامل بار در طول خط، کاهش ولتاژ از زیراستانیون تا ستون شماره ۹۷ در خط اصلی محاسبه می‌شود به صورت

نمادهای استفاده شده به شرح زیر تعریف شده‌اند:

• Δu — کاهش ولتاژ در طول خط (واحد: کیلوولت)

• R — مقاومت خط (واحد: اهم)

• X — واکنش خط (واحد: اهم)

• r — مقاومت در واحد طول (واحد: اهم/کیلومتر)

• x — واکنش در واحد طول (واحد: اهم/کیلومتر)

• P — توان فعال در خط (واحد: کیلووات)

• Q — توان غیرفعال در خط (واحد: کیلووار)

بنابراین، ولتاژ در ستون شماره ۹۷ در خط اصلی فقط:
۱۰.۴ کیلوولت − ۰.۷۷ کیلوولت = ۹.۶۳ کیلوولت است.

به طور مشابه، ولتاژ در ستون شماره ۱۷۸ می‌تواند به صورت ۸.۴۲ کیلوولت و ولتاژ در انتهای خط ۸.۳۹ کیلوولت محاسبه شود.

۳.۲ راه‌حل‌های پیشنهادی

برای تضمین کیفیت ولتاژ، روش‌های اصلی تنظیم ولتاژ در شبکه‌های توزیع متوسط و کم ولتاژ عبارتند از:

• ساخت یک زیرстанسیون جدید ۳۵ کیلوولت برای کوتاه کردن شعاع تامین ۱۰ کیلوولت.

• جایگزینی رسانه‌ها با مقطع مسی بزرگتر برای کاهش بار خط.

• نصب جبران‌ساز توان راکتیو خطی - اما این روش برای خطوط طولانی با بار سنگین کمتر موثر است.

• نصب تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار فیدر SVR که ارائه می‌دهد اتوماسیون بالا، عملکرد تنظیم ولتاژ عالی و نصب انعطاف‌پذیر.

در زیر، سه راه‌حل جایگزین برای بهبود کیفیت ولتاژ پایان خط در فیدر ۱۰ کیلوولت "Fakuai" مقایسه می‌شوند.

۳.۲.۱ ساخت زیرستانسیون جدید ۳۵ کیلوولت

نتیجه مورد انتظار: یک زیرستانسیون جدید به طور قابل توجهی شعاع تامین را کوتاه می‌کند، ولتاژ پایان خط را افزایش می‌دهد و کیفیت توان کلی را بهبود می‌بخشد. هرچند این راه‌حل بسیار موثر است، اما نیاز به سرمایه‌گذاری قابل توجهی دارد.

۳.۲.۲ به‌روزرسانی فیدر اصلی ۱۰ کیلوولت

تغییر پارامترهای خط عمدتاً شامل افزایش مقطع مسی رسانه‌ها است. در مناطق کم‌جمعیتی با خطوط رسانه‌های کوچک، تلفات مقاومتی غالب کاهش ولتاژ کلی هستند؛ بنابراین، کاهش مقاومت رسانه‌ها بهبود قابل توجهی در ولتاژ ایجاد می‌کند. با این به‌روزرسانی، ولتاژ پایان خط می‌تواند از ۸.۳۹ کیلوولت به ۹.۵ کیلوولت افزایش یابد.

۳.۲.۳ نصب تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار فیدر SVR

یک تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار ۱۰ کیلوولت برای حل مشکلات ولتاژ پایین در پایین ستون شماره ۱۶۱ نصب می‌شود.
نتیجه مورد انتظار: ولتاژ پایان خط می‌تواند از ۸.۳۹ کیلوولت به ۱۰.۳ کیلوولت افزایش یابد.

تحلیل مقایسه‌ای نشان می‌دهد که گزینه ۳ اقتصادی‌ترین و عملی‌ترین است.

سیستم تنظیم ولتاژ خودکار فیدر SVR با تنظیم نسبت دورهای یک ترانسفورماتور اتوماتیک سه‌فاز ولتاژ خروجی را پایدار می‌کند و چند مزیت کلیدی دارد:

• تنظیم ولتاژ خودکار و تحت بار.

• استفاده از یک ترانسفورماتور اتوماتیک سه‌فاز متصل به صورت ستاره - اندازه کوچک و ظرفیت بالا (≤۲۰۰۰ کیلوآمپر) که برای نصب بین ستون‌ها مناسب است.

• محدوده تنظیم معمول: −۱۰٪ تا +۲۰٪، کافی برای تأمین نیازهای ولتاژ.

بر اساس محاسبات نظری، توصیه می‌شود یک تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار SVR-5000/10-7 (0 تا +20%) روی فیدر اصلی نصب شود. پس از نصب، ولتاژ در ستون شماره ۱۴۱ می‌تواند به:

U₁₆₁ = U × (10/8) = ۱۰.۵ کیلوولت

که در آن:

• U₁₆₁ = ولتاژ در نقطه نصب تنظیم‌کننده پس از راه‌اندازی

• ۱۰/۸ = نسبت دورهای حداکثر یک تنظیم‌کننده با محدوده تنظیم ۰ تا +۲۰٪

عملیات میدانی تأیید کرده است که سیستم SVR به طور قابل اعتماد تغییرات ولتاژ ورودی را ردیابی می‌کند و ولتاژ خروجی را پایدار نگه می‌دارد، که مؤثریت آن در کاهش ولتاژ پایین ثابت شده است.

۳.۲.۴ تحلیل مزایا

در مقایسه با ساخت یک زیرستانسیون جدید یا جایگزینی رسانه‌ها، نصب تنظیم‌کننده ولتاژ SVR به طور قابل توجهی هزینه سرمایه را کاهش می‌دهد. این راه‌حل نه تنها ولتاژ خط را به استانداردهای ملی می‌رساند - که منافع اجتماعی قوی ایجاد می‌کند - بلکه تحت شرایط بار ثابت، با افزایش ولتاژ، جریان خط را کاهش می‌دهد و بدین ترتیب تلفات خط را کاهش می‌دهد و صرفه‌جویی انرژی را ایجاد می‌کند. این امر به کارایی اقتصادی شرکت توزیع کمک می‌کند.

۴. نتیجه‌گیری

برای شبکه‌های توزیع روستایی در مناطق با رشد بار آینده محدود - به ویژه آنهایی که منابع توان نزدیک ندارند، شعاع تامین طولانی، تلفات خط بالا، بار سنگین و بدون برنامه ساخت زیرستانسیون ۳۵ کیلوولت در آینده نزدیک - استفاده از تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار فیدر SVR یک گزینه جذاب ارائه می‌دهد. این راه‌حل امکان تأخیر یا حذف ساخت زیرستانسیون ۳۵ کیلوولت را فراهم می‌کند و به طور موثر مشکل کیفیت ولتاژ پایین و کاهش تلفات انرژی را حل می‌کند. با توجه به اینکه هزینه سرمایه‌گذاری آن کمتر از یک دهم ساخت یک زیرستانسیون جدید ۳۵ کیلوولت است، راه‌حل SVR منافع اجتماعی و اقتصادی قابل توجهی ارائه می‌دهد و به طور قاطع برای استفاده گسترده در شبکه‌های توزیع روستایی توصیه می‌شود.