Aplicación de reguladores automáticos de voltaxe SVR nos sistemas de distribución rural

1. Introdución

Nos últimos anos, co desenvolvemento estable e rápido da economía nacional, a demanda de electricidade aumentou significativamente. Nas redes eléctricas rurais, o aumento continuo da carga, combinado cunha distribución irrazoable das fontes de enerxía local e capacidades limitadas de regulación de tensión na rede principal, resultou nun número considerable de alimentadores de 10 kV de longa distancia—particularmente en áreas montañosas remotas ou rexións con estruturas de rede débiles—cuxo raio de abastecemento excede os estándares nacionais. En consecuencia, a calidade da tensión no final destas liñas de 10 kV é difícil de garantir, o factor de potencia non cumpre os requisitos e as perdas na liña son altas.

Debido a restricións como a financiación limitada para a construción da rede e consideracións sobre o retorno da inversión, non é práctico resolver todos os problemas de baixa calidade de tensión nos alimentadores de distribución de 10 kV só mediante a implementación de numerosas subestacións de distribución de alta tensión ou a extensión excesiva da rede. O regulador automático de tensión de alimentador de 10 kV introducido a continuación ofrece unha solución técnica viable para abordar a mala calidade de tensión nas liñas de distribución de longa distancia con radios de abastecemento estendidos.

2. Principio de Funcionamento do Regulador de Tensión

O regulador automático de tensión SVR (Step Voltage Regulator) consta dun circuito principal e un controlador de regulación de tensión. O circuito principal inclúe un autotransformador trifásico e un cambiador de tomas sobrecarga (OLTC), como se ilustra na Figura 1.

O sistema de bobinas do regulador inclúe unha bobina paralela, unha bobina serie e unha bobina de tensión de control:

• A bobina serie é unha bobina de múltiples tomas conectada entre a entrada e a saída a través de diferentes contactos do cambiador de tomas; regula directamente a tensión de saída.

• A bobina paralela actúa como a bobina común do autotransformador, xerando o campo magnético necesario para a transferencia de enerxía.

• A bobina de tensión de control, enrolada sobre a bobina paralela, actúa como secundaria da bobina paralela para fornecer enerxía de operación ao controlador e motor, así como proporcionar señales de tensión para a medida de saída.

O principio de funcionamento é o seguinte: Conectando as tomas da bobina serie a diferentes posicións do cambiador de tomas sobrecarga, a relación de espiras entre as bobinas de entrada e saída cambia mediante a conmutación controlada das posicións de tomas, ajustando así a tensión de saída. Dependendo das necesidades de aplicación, os cambiadores de tomas sobrecarga suelen configurarse con 7 ou 9 posicións de tomas, permitindo aos usuarios seleccionar a configuración adecuada segundo as necesidades reais de regulación de tensión.

A relación de espiras entre as bobinas primaria e secundaria do regulador é consistente coa dun transformador convencional, é dicir:

3.Exemplo de Aplicación
3.1 Condicións Actuais da Liña

Unha liña de distribución de 10 kV ten unha lonxitude de alimentador principal de 15,138 km, construída con dous tipos de conductores: LGJ-70 mm² e LGJ-50 mm². A capacidade total dos transformadores de distribución ao longo da liña é de 7.260 kVA. Durante os períodos de carga máxima, a tensión no lado de 220 V dos transformadores de distribución nas seccións medias e finais da liña desciende ata 175 V.

O conductor LGJ-70 ten unha resistencia de 0,458 Ω/km e unha reactancia de 0,363 Ω/km. Polo tanto, a resistencia e reactancia totais desde a subestación ata o poste #97 no alimentador principal son:
R = 0,458 × 6,437 = 2,95 Ω
X = 0,363 × 6,437 = 2,34 Ω

Basándose na capacidade dos transformadores de distribución e o factor de carga ao longo da liña, a caída de tensión desde a subestación ata o poste #97 no alimentador principal pode calcularse como

Os símbolos utilizados defínense como segue:

• Δu — caída de tensión ao longo da liña (unidade: kV)

• R — resistencia da liña (unidade: Ω)

• X — reactancia da liña (unidade: Ω)

• r — resistencia por unidade de lonxitude (unidade: Ω/km)

• x — reactancia por unidade de lonxitude (unidade: Ω/km)

• P — potencia activa na liña (unidade: kW)

• Q — potencia reactiva na liña (unidade: kvar)

Así, a tensión no poste #97 no alimentador principal é só:
10,4 kV − 0,77 kV = 9,63 kV.

De xeito semellante, a tensión no poste #178 pode calcularse como 8,42 kV, e a tensión no final da liña é 8,39 kV.

3.2 Solucións Propostas

Para asegurar a calidade da tensión, os métodos principais de regulación de tensión nas redes de distribución de media e baixa tensión inclúen:

• Construción dunha nova subestación de 35 kV para acortar o raio de abastecemento de 10 kV.

• Substituír os conductores por outros de maior sección transversal para reducir a carga da liña.

• Instalar compensación de potencia reactiva baseada en liñas—non obstante, este método é menos efectivo para liñas longas con cargas pesadas.

• Instalar un regulador automático de tensión de alimentador SVR, que ofrece alta automatización, excelente rendemento na regulación de tensión e flexibilidade de despliegue.

A continuación, compáranse tres alternativas para mellorar a calidade da tensión no final da liña do alimentador de 10 kV "Fakuai".

3.2.1 Construción dunha nova subestación de 35 kV

Resultado esperado: Unha nova subestación acortaría significativamente o raio de abastecemento, aumentaría a tensión no final da liña e melloraría a calidade xeral do suministro eléctrico. Aínda que moi eficaz, esta solución require unha importante inversión.

3.2.2 Melora do alimentador principal de 10 kV

A modificación dos parámetros da liña implica principalmente aumentar a sección transversal do conductor. En áreas pouco pobladas con liñas de conductores pequenos, as perdas resistivas dominan o descenso total de tensión; polo tanto, a redución da resistencia do conductor proporciona unha mellora notable na tensión. Con esta melora, a tensión no final da liña pode aumentarse de 8,39 kV a 9,5 kV.

3.2.3 Instalación dun regulador automático de tensión de alimentador SVR

Instálase un regulador automático de tensión de 10 kV para abordar problemas de baixa tensión a montante do poste nº 161.
Resultado esperado: A tensión no final da liña pode aumentarse de 8,39 kV a 10,3 kV.

A análise comparativa amosa que a opción 3 é a máis económica e práctica.

O sistema de regulación automática de tensión de alimentador SVR estabiliza a tensión de saída ao axustar a relación de espiras dun autotransformador trifásico, ofrecendo varias vantaxes clave:

• Regulación automática de tensión baixo carga.

• Emprega un autotransformador trifásico conectado en estrela—de tamaño compacto e gran capacidade (≤2000 kVA), axeitado para instalación entre postes.

• Xamá range típico de regulación: −10% a +20%, suficiente para cumprir os requisitos de tensión.

Baseándose en cálculos teóricos, recoméndase instalar un regulador automático de tensión SVR-5000/10-7 (0 a +20%) no alimentador principal. Despois da instalación, a tensión no poste nº 141 pode aumentarse a:

U₁₆₁ = U × (10/8) = 10,5 kV

onde:

• U₁₆₁ = tensión no punto de instalación do regulador despois de posto en servizo

• 10/8 = máxima relación de espiras dun regulador co rango de axuste de 0 a +20%

A operación no terreo confirmou que o sistema SVR segue fielmente as variacións da tensión de entrada e mantiñe unha tensión de saída estable, demostrando a súa eficacia probada na mitigación de baixas tensións.

3.2.4 Análise de beneficios

En comparación coa construción dunha nova subestación ou a substitución de conductores, o despliegue dun regulador de tensión SVR reduce significativamente o gasto de capital. Non só eleva a tensión da liña para cumprir os estándares nacionais—proporcionando fortes beneficios sociais—senón que tamén, baixo condicións de carga constantes, reduce a corrente da liña ao aumentar a tensión, diminuíndo así as perdas da liña e logrando aforros enerxéticos. Isto melhora a eficiencia económica da empresa de electricidade.

4. Conclusión

Para redes de distribución rural en áreas con crecemento de carga futuro limitado—particularmente aquelas sen proximidades a fuentes de enerxía, con radii de abastecemento longos, altas perdas de liña, carga pesada e sen planificación de novas subestacións de 35 kV a curto prazo—a utilización de reguladores automáticos de tensión de alimentador SVR ofrece unha alternativa atractiva. Permite diferir ou eliminar a construción de subestacións de 35 kV mentres resolve eficazmente a baixa calidade da tensión e reduce as perdas de enerxía. Dado que o custo de investimento é menor que un décimo do dunha nova subestación de 35 kV, a solución SVR ofrece beneficios sociais e económicos significativos e recoméndase a súa adopción xeralizada nas redes eléctricas rurais.