SVR tápellátási feszültség szabályzók alkalmazása vidéki elosztó hálózatokban

1. Bevezetés

Az elmúlt években a nemzeti gazdaság egyenletes és gyors fejlődésével jelentősen nőtt az energiaigény. A vidéki hálózatokban a folyamatosan növekvő terhelés, valamint a helyi energiaforrások irracionális eloszlása és a főháló korlátozott feszültségállítási képessége miatt jelentős számú 10 kV hosszú távolságú vezeték létezik – különösen a távoli hegyvidéki vagy gyenge hálózati struktúrájú régiókban –, amelyek ellátási sugara meghaladja a nemzeti szabványokat. Ennek következtében nehéz garantálni a 10 kV vonalak végén a feszültség minőségét, a teljesítménytényező nem felel meg az elvárásoknak, és a vonalveszteségek magasak maradnak.

A korlátozott hálózati beruházási források és a befektetési visszatérülési megfontolások miatt nem praktikus a 10 kV elosztóvezetéken lévő összes alacsony feszültségű probléma megoldása csak nagyszámú magfeszültségű elosztóállomás üzembe helyezésével vagy a hálózat túlzott kiterjesztésével. Az alább bemutatott 10 kV vezeték automatikus feszültségállító technikailag megvalósítható megoldást nyújt a hosszútávú elosztóvonalkák, kiterjedt ellátási sugarakkal járó rossz feszültségminőségének orvoslására.

2. Az állító működési elvje

Az SVR (lépcsős feszültségállító) automatikus feszültségállító egy fő áramkörből és egy feszültségállító irányítóból áll. A fő áramkör egy háromfázisú autotransformert és egy háromfázisú töltött állapotú csapágyváltót (OLTC) tartalmaz, ahogy az Ábra 1-ben látható.

Az állító tekercsrendszere tartalmaz párhuzamos tekercset, soros tekercset és irányítófeszültség-tekercset:

• A soros tekercs egy több csapágyos tekercs, amely a bemenet és a kimenet között kapcsolódik a csapágyváltó különböző kontaktjein keresztül; közvetlenül állítja be a kimeneti feszültséget.

• A párhuzamos tekercs a transzformátor közös tekercse, amely a szükséges mágneses mezőt generálja az energiatranszfert szolgáló.

• Az irányítófeszültség-tekercs, amely a párhuzamos tekercs felett van tekervelve, a párhuzamos tekercs másodlagos tekercseként működik, és az irányító és a motor működtetésére szolgáló energiaforrást, valamint a kimeneti méréshez szükséges feszültségjeleket biztosítja.

A működési elv a következő: A soros tekercs csapágyainak különböző pozíciókra történő csatlakoztatásával, a bemeneti és kimeneti tekercsek közötti tekercsszámbeli arányt a csapágyváltó csapágyainak ellenőrzött váltásával változtatjuk, így állítjuk be a kimeneti feszültséget. Az alkalmazási igények függvényében a töltött állapotú csapágyváltók általában 7 vagy 9 csapágyos konfigurációban vannak beállítva, lehetővé téve a felhasználóknak a megfelelő konfiguráció kiválasztását a tényleges feszültségállítási igények alapján.

Az állító elsődleges és másodlagos tekercsei közötti tekercsszámbeli arány megegyezik a hagyományos transzformátor tekercsszámbeli arányával, azaz:

3. Alkalmazási példa
3.1 Jelenlegi vonalállapot

Egy adott 10 kV elosztóvonal fővezetéke 15,138 km hosszú, LGJ-70 mm² és LGJ-50 mm² vezeték típusokkal van megépítve. A vonalon lévő elosztótranszformátorok teljes kapacitása 7 260 kVA. Csúcs terhelés esetén a vonal középső és végpontjai részén a 220 V oldali elosztótranszformátorokon a feszültség akár 175 V-ra is leesik.

Az LGJ-70 vezeték ellenállása 0,458 Ω/km, reaktancija pedig 0,363 Ω/km. Ezért a telephelytől a fővezeték 97-es oszlopáig a teljes ellenállás és reaktancia:
R = 0,458 × 6,437 = 2,95 Ω
X = 0,363 × 6,437 = 2,34 Ω

A vonalon lévő elosztótranszformátorok kapacitása és a terhelési tényező alapján a telephelytől a fővezeték 97-es oszlopáig a feszültségcsökkenést a következőképpen számolhatjuk ki:

A használt szimbólumok definíciója a következő:

• Δu — a vonal mentén történő feszültségcsökkenés (egység: kV)

• R — a vonal ellenállása (egység: Ω)

• X — a vonal reaktanciája (egység: Ω)

• r — az egységnyi hosszúság ellenállása (egység: Ω/km)

• x — az egységnyi hosszúság reaktanciája (egység: Ω/km)

• P — a vonalon átvitt aktív teljesítmény (egység: kW)

• Q — a vonalon átvitt reaktív teljesítmény (egység: kvar)

Így a fővezeték 97-es oszlopán a feszültség csak:
10,4 kV − 0,77 kV = 9,63 kV.

Hasonlóan, a 178-as oszlopon a feszültség 8,42 kV, a vonal végén pedig 8,39 kV.

3.2 Javasolt megoldások

A köz- és alacsonyfeszültségű elosztóhálózatokban a feszültségminőség biztosításának főbb módjai a következők:

• Új 35 kV átmeneti állomás építése a 10 kV ellátási sugár rövidítésére.

• A vezetők nagyobb keretszakaszú vezetőkre való cseréje a vonal terhelésének csökkentésére.

• Vonalalapú reaktív teljesítmény kompenzálása – azonban ez a módszer kevésbé hatékony hosszú, nagy terhelésű vonalak esetén.

• SVR fővezető automatikus feszültség szabályzó telepítése, amely magas automatizációt, kiváló feszültség szabályozási teljesítményt és rugalmasságot kínál.

Lentebb három alternatív megoldást hasonlítunk össze a 10 kV "Fakuai" fővezető végfeszültségének javítására.

3.2.1 Új 35 kV átmeneti állomás építése

Elvárható eredmény: Az új átmeneti állomás jelentősen rövidítené az ellátási sugarat, növelné a végfeszültséget, és javítaná az általános energia minőségét. Habár nagyon hatékony, ez a megoldás jelentős befektetést igényel.

3.2.2 A 10 kV fővezető fejlesztése

A vezető paramétereinek módosítása elsősorban a vezető keretszakaszának növelését jelenti. Ritkán lakott területeken, ahol kis keretszakaszú vezetők találhatók, a rezisztív veszteségek dominálnak a teljes feszültségcsökkenésben; így a vezető ellenállás csökkentése jelentős feszültség javítást eredményez. Ezzel a fejlesztéssel a végfeszültséget 8,39 kV-ról 9,5 kV-ra lehet emelni.

3.2.3 SVR fővezető automatikus feszültség szabályzó telepítése

Egy 10 kV automatikus feszültség szabályzó telepítése, hogy megoldja a #161 oszlop utáni alacsony feszültség problémáját.
Elvárható eredmény: A végfeszültséget 8,39 kV-ról 10,3 kV-ra lehet emelni.

Összehasonlító elemzés szerint a 3. opció a leggazdaságosabb és praktikusabb.

Az SVR fővezető automatikus feszültség szabályzó rendszer stabilizálja a kimeneti feszültséget egy háromfázisú autotransformátor forgatókörei arányának beállításával, több kulcsfontosságú előnyt is kínálva:

• Teljesen automatikus, terhelés alatti feszültség szabályzás.

• Háromfázisú autotransformátor használata csillag-kapcsolással – kisebb méret és nagy kapacitás (≤2000 kVA), alkalmas oszlopról oszlopra történő telepítésre.

• Tipikus szabályzó tartomány: −10% to +20%, elegendő a feszültség eléréséhez.

A elméleti számítások alapján ajánlott egy SVR-5000/10-7 (0 to +20%) automatikus feszültség szabályzó telepítése a fővezetőn. A telepítés után a #141 oszlop feszültsége a következőre emelhető:

U₁₆₁ = U × (10/8) = 10,5 kV

ahol:

• U₁₆₁ = a szabályzó telepítési pontjának feszültsége a beüzemelés után

• 10/8 = a 0 to +20% szabályzó tartományú szabályzó maximális forgatóköri aránya

A mezői működés megerősítette, hogy az SVR rendszer megbízhatóan követi a bemeneti feszültség változásait, és stabil kimeneti feszültséget tart fenn, bizonyítva a hatékonyságát az alacsony feszültség enyhítésében.

3.2.4 Hasznosság elemzés

Az új átmeneti állomás építéséhez vagy a vezetők cseréjéhez képest az SVR feszültség szabályzó telepítése jelentősen csökkenti a tőkebefektetést. Nem csak a vonalfeszültséget emeli a nemzeti normák megfelelésére – erős társadalmi előnyöket nyújtva –, de állandó terhelés mellett a feszültség emelésével csökkenti a vonaláramot, így csökkentve a vonalveszteségeket és energiamegspart érhető el. Ez javítja a szolgáltató gazdasági hatékonyságát.

4. Összefoglalás

A jövőben korlátozott terhelési növekedéssel bíró vidéki elosztó hálózatok esetén – különösen ott, ahol nincs közeli energiaforrás, hosszú ellátási sugár, nagy vonalveszteség, nagy terhelés, és a közeljövőben nincs tervezett 35 kV átmeneti állomás – az SVR fővezető automatikus feszültség szabályzók használata egy ösztönző alternatívát kínál. Lehetővé teszi a 35 kV átmeneti állomás építésének halasztását vagy kihagyását, miközben hatékonyan megoldja az alacsony feszültség minőségét és csökkenti az energiaveszteségeket. Mivel a befektetési költsége kevesebb, mint egy új 35 kV átmeneti állomás költségeinek tized része, az SVR megoldás jelentős társadalmi és gazdasági előnyöket nyújt, és nagyon ajánlott széles körben a vidéki energia hálózatokban.