Primjena automatiziranih regulatora napona SVR u ruralnim distribucijskim mrežama

1. Uvod

U posljednjih nekoliko godina, uz stalni i brzi razvoj narodne ekonomije, potražnja za električnom energijom značajno je porasla. U ruralnim mrežama, kontinuirani porast opterećenja, u kombinaciji s nerazmjenitim raspodjelom lokalnih izvora struje i ograničenim mogućnostima regulacije napona u glavnoj mreži, doveli su do toga da se broj dugih isporuka na nivou od 10 kV – posebno u udaljenim planinskim područjima ili regijama s slabim mrežnim strukturama – premašio državne standarde. Kao rezultat, kvaliteta napona na kraju ovih 10 kV linija je teško osiguriva, faktor snage ne ispunjava zahtjeve, a gubitci na linijama ostaju visoki.

Zbog ograničenja kao što su ograničeni sredstvi za gradnju mreže i razmatranja povrata ulaganja, nije praktično riješiti sve probleme s niskom kvalitetom napona na distribucijskim isporukama od 10 kV samo upotrebom velikog broja visokonaponskih distribucijskih pretvoraca ili prekomjernog proširenja mreže. Automatski regulator napona za 10 kV isporuke, koji se opisuje u nastavku, pruža tehnički moguće rješenje za poboljšanje loše kvalitete napona na distribucijskim linijama s proširenom radijusom isporuke.

2. Radni princip regulatora napona

Automatski regulator napona SVR (Step Voltage Regulator) sastoji se od glavnog kruga i kontrolera regulacije napona. Glavni krug uključuje trofazni avtotransformator i trofazni on-load tap changer (OLTC), kako je prikazano na slici 1.

Sustav zavojnika regulatora uključuje paralelni zavojnik, serijalni zavojnik i kontrolni zavojnik napona:

• Serijalni zavojnik je višestupančevi zavojnik spojen između ulaza i izlaza preko različitih kontaktova promjena stupnjeva; direktno regulira izlazni napon.

• Paralelni zavojnik služi kao zajednički zavojnik avtotransformatora, generirajući magnetno polje nužno za prijenos energije.

• Kontrolni zavojnik napona, namotan preko paralelnog zavojnika, djeluje kao sekundarni zavojnik paralelnog zavojnika kako bi pružio radnu snagu za kontroler i motor, kao i signale napona za mjerenje izlaza.

Radni princip je sljedeći: Spajanjem stupnjeva serijalnog zavojnika na različite pozicije promjene stupnjeva, omjer zavojnika između ulaznih i izlaznih zavojnika mijenja se putem kontroliranog prebacivanja stupnjeva, čime se prilagođava izlazni napon. Ovisno o zahtjevima primjene, promjene stupnjeva obično su konfigurirane s 7 ili 9 stupnjeva, omogućujući korisnicima da odaberu odgovarajuću konfiguraciju prema stvarnim potrebama regulacije napona.

Omjer zavojnika između primarnih i sekundarnih zavojnika regulatora usklađen je s omjerom konvencionalnog transformatora, tj.:

3. Primjer primjene
3.1 Trenutno stanje linije

Određena distribucijska linija od 10 kV ima glavnu isporuku duljine 15,138 km, izgrađenu od dva tipa vodika: LGJ-70 mm² i LGJ-50 mm². Ukupna kapacitet distribucijskih transformatora duž linije iznosi 7.260 kVA. Tijekom vrhunskog opterećenja, napon na strani od 220 V distribucijskih transformatora u srednjem i završnom dijelu linije pada na najnižu vrijednost od 175 V.

Vodik LGJ-70 ima otpornost od 0,458 Ω/km i reaktancu od 0,363 Ω/km. Stoga, ukupna otpornost i reaktanca od pretvorca do stuba #97 na glavnoj isporuci iznose:
R = 0,458 × 6,437 = 2,95 Ω
X = 0,363 × 6,437 = 2,34 Ω

Temeljem kapaciteta distribucijskih transformatora i faktora opterećenja duž linije, pad napona od pretvorca do stuba #97 na glavnoj isporuci može se izračunati kao

Simboli koji se koriste definirani su kao sljedeće:

• Δu — pad napona duž linije (jedinica: kV)

• R — otpornost linije (jedinica: Ω)

• X — reaktanca linije (jedinica: Ω)

• r — otpornost po jedinici duljine (jedinica: Ω/km)

• x — reaktanca po jedinici duljine (jedinica: Ω/km)

• P — aktivna snaga na liniji (jedinica: kW)

• Q — reaktivna snaga na liniji (jedinica: kvar)

Stoga, napon na stubu #97 na glavnoj isporuci iznosi samo:
10,4 kV − 0,77 kV = 9,63 kV.

Na sličan način, napon na stubu #178 može se izračunati na 8,42 kV, a napon na kraju linije iznosi 8,39 kV.

3.2 Predložena rješenja

Da bi se osigurala kvaliteta napona, glavni metodi regulacije napona u srednjem i niskom naponu distribucijskih mreža uključuju:

• Izgradnja nove 35 kV podstanice kako bi se skratil radijus snabdijevanja na 10 kV.

• Zamjena vodova s većim presjecima kako bi se smanjila opterećenost linije.

• Instalacija reaktivne kompenzacije napona na liniji - međutim, ovaj postupak je manje učinkovit za dugačke linije s velikim opterećenjem.

• Instalacija automatskog regulatora napona SVR, koji nudi visoku automatizaciju, odlično reguliranje napona i fleksibilnu implementaciju.

U nastavku se uspoređuju tri alternativna rješenja za poboljšanje kvalitete napona na kraju linije na 10 kV isporučivaču "Fakuai".

3.2.1 Izgradnja nove 35 kV podstanice

Očekivani rezultat: Nova podstanica značajno skraćuje radijus snabdijevanja, povišava napon na kraju linije i poboljšava opću kvalitetu snabdijevanja strujom. Iako je ovo rješenje vrlo učinkovito, zahtijeva značajan ulaganje.

3.2.2 Nadogradnja glavnog 10 kV isporučivača

Modifikacija parametara linije uglavnom uključuje povećanje presjeka vodova. Za područja sa rijetkim stanovništvom i mali presjek vodova, gubitci otpora dominiraju ukupnom padu napona; stoga, smanjenje otpora voda donosi značajno poboljšanje napona. S ovom nadogradnjom, napon na kraju linije može biti povišen s 8,39 kV na 9,5 kV.

3.2.3 Instalacija automatskog regulatora napona SVR

Instalira se jedan 10 kV automatski regulator napona kako bi se riješili problema niskog napona ispod stupca #161.
Očekivani rezultat: Napon na kraju linije može biti povišen s 8,39 kV na 10,3 kV.

Usporedna analiza pokazuje da je opcija 3 najekonomičnija i najpraktičnija.

Sustav automatskog reguliranja napona SVR stabilizira izlazni napon prilagođavanjem omjera zavojnica trofaznog autotransformatora, pružajući nekoliko ključnih prednosti:

• Potpuno automatsko, reguliranje napona pod opterećenjem.

• Koristi zvjezdno spojeni trofazni autotransformator - kompaktnih dimenzija i visok kapacitet (≤2000 kVA), prikladan za instalaciju između stupaca.

• Tipični raspon regulacije: −10% do +20%, dovoljan za zadovoljavanje zahtjeva za naponom.

Na temelju teorijskih izračuna, preporučuje se instalirati jedan automatski regulator napona SVR-5000/10-7 (0 do +20%) na glavnom isporučivaču. Nakon instalacije, napon na stupcu #141 može biti povišen na:

U₁₆₁ = U × (10/8) = 10,5 kV

gdje:

• U₁₆₁ = napon na točki instalacije regulatora nakon komisioniranja

• 10/8 = maksimalni omjer zavojnica regulatora s rasponom prilagodbe 0 do +20%

Terenska operacija je potvrdila da sustav SVR pouzdano praćenja varijacije ulaznog napona i održava stabilan izlazni napon, što pokazuje dokazanu učinkovitost u mitigaciji niskog napona.

3.2.4 Analiza prednosti

U usporedbi s izgradnjom nove podstanice ili zamjenom vodova, upotreba regulatora napona SVR značajno smanjuje kapitalna troška. Ne samo da povišava napon na liniji kako bi ispunio nacionalne standarde - dostavljajući jake društvene prednosti - nego i, uz konstantno opterećenje, smanjuje strujni tok na liniji povećanjem napona, time smanjujući gubitke na liniji i ostvarujući uštedu energije. To unapređuje ekonomsku učinkovitost elektrane.

4. Zaključak

Za ruralne distribucijske mreže u područjima s ograničenim budućim rastom opterećenja - posebno onima bez bliskih izvora energije, s dugačkim radijusima snabdijevanja, visokim gubitcima na liniji, velikim opterećenjima i bez planirane izgradnje 35 kV podstanice u bliskoj budućnosti - upotreba automatskih regulatora napona SVR isporučivača pruža privlačnu alternativu. Omogućuje odgodbu ili eliminaciju izgradnje 35 kV podstanice, dok učinkovito rješava probleme niske kvalitete napona i smanjuje gubitke energije. S obzirom da je investicijska vrijednost manja od desetine cijene nove 35 kV podstanice, rješenje SVR donosi značajne društvene i ekonomske prednosti i preporučuje se za široko korištenje u ruralnim elektroenergetskim mrežama.