Applicazione dei Regolatori di Tensione Automatici per Linee SVR nelle Reti di Distribuzione Rurale

1. Introduzione

Negli ultimi anni, con lo sviluppo costante e rapido dell'economia nazionale, la domanda di energia elettrica è cresciuta significativamente. Nelle reti elettriche rurali, l'aumento continuo del carico, unito a una distribuzione irrazionale delle fonti di energia locale e a capacità limitate di regolazione della tensione nella rete principale, ha portato a un numero considerevole di alimentatori a 10 kV di lunghezza elevata, in particolare in aree montane remote o regioni con strutture di rete deboli, il cui raggio di fornitura supera gli standard nazionali. Di conseguenza, la qualità della tensione alla fine di queste linee a 10 kV è difficile da garantire, il fattore di potenza non soddisfa i requisiti e le perdite di linea rimangono elevate.

A causa di vincoli come fondi limitati per la costruzione della rete e considerazioni sul ritorno degli investimenti, non è praticabile risolvere tutti i problemi di bassa qualità della tensione sugli alimentatori di distribuzione a 10 kV solo tramite la distribuzione di numerose sottostazioni di distribuzione ad alta tensione o l'estensione eccessiva della rete. Il regolatore automatico di tensione per alimentatori a 10 kV introdotto di seguito offre una soluzione tecnicamente fattibile per affrontare la scarsa qualità della tensione su linee di distribuzione a lunga distanza con un raggio di fornitura esteso.

2. Principio di funzionamento del regolatore di tensione

Il regolatore automatico di tensione SVR (Step Voltage Regulator) è composto da un circuito principale e da un controller di regolazione della tensione. Il circuito principale comprende un autotrasformatore trifase e un commutatore di presa a carico (OLTC) trifase, come illustrato nella Figura 1.

Il sistema di avvolgimenti del regolatore include un avvolgimento parallelo, un avvolgimento in serie e un avvolgimento di controllo della tensione:

• L' avvolgimento in serie è un avvolgimento a più prese collegato tra l'ingresso e l'uscita attraverso diverse prese del commutatore di presa; regola direttamente la tensione di uscita.

• L' avvolgimento parallelo serve come avvolgimento comune dell'autotrasformatore, generando il campo magnetico necessario per il trasferimento di energia.

• L' avvolgimento di controllo della tensione, avvolto sopra l'avvolgimento parallelo, agisce come secondario dell'avvolgimento parallelo per fornire l'energia operativa per il controller e il motore, nonché fornire segnali di tensione per la misurazione dell'uscita.

Il principio di funzionamento è il seguente: collegando le prese dell'avvolgimento in serie a diverse posizioni del commutatore di presa a carico, si modifica il rapporto di spire tra l'avvolgimento di ingresso e quello di uscita attraverso il commutazione controllata delle prese, regolando così la tensione di uscita. A seconda dei requisiti di applicazione, i commutatori di presa a carico sono tipicamente configurati con 7 o 9 posizioni, consentendo agli utenti di selezionare la configurazione appropriata in base alle effettive esigenze di regolazione della tensione.

Il rapporto di spire tra l'avvolgimento primario e quello secondario del regolatore è coerente con quello di un trasformatore convenzionale, ovvero:

3. Esempio di applicazione
3.1 Condizioni attuali della linea

Una certa linea di distribuzione a 10 kV ha una lunghezza dell'alimentatore principale di 15,138 km, costruita con due tipi di conduttore: LGJ-70 mm² e LGJ-50 mm². La capacità totale dei trasformatori di distribuzione lungo la linea è di 7.260 kVA. Durante i periodi di carico massimo, la tensione sul lato 220 V dei trasformatori di distribuzione nelle sezioni medie e finali della linea scende fino a 175 V.

Il conduttore LGJ-70 ha una resistenza di 0,458 Ω/km e una reattività di 0,363 Ω/km. Pertanto, la resistenza e la reattività totali dalla sottostazione al palo n. 97 sull'alimentatore principale sono:
R = 0,458 × 6,437 = 2,95 Ω
X = 0,363 × 6,437 = 2,34 Ω

In base alla capacità dei trasformatori di distribuzione e al fattore di carico lungo la linea, la caduta di tensione dalla sottostazione al palo n. 97 sull'alimentatore principale può essere calcolata come

I simboli utilizzati sono definiti come segue:

• Δu — caduta di tensione lungo la linea (unità: kV)

• R — resistenza della linea (unità: Ω)

• X — reattività della linea (unità: Ω)

• r — resistenza per unità di lunghezza (unità: Ω/km)

• x — reattività per unità di lunghezza (unità: Ω/km)

• P — potenza attiva sulla linea (unità: kW)

• Q — potenza reattiva sulla linea (unità: kvar)

Di conseguenza, la tensione al palo n. 97 sull'alimentatore principale è solo:
10,4 kV − 0,77 kV = 9,63 kV.

Analogamente, la tensione al palo n. 178 può essere calcolata come 8,42 kV, e la tensione alla fine della linea è 8,39 kV.

3.2 Soluzioni proposte

Per garantire la qualità della tensione, i principali metodi di regolazione della tensione nelle reti di distribuzione medio-basse tensione includono:

• Costruzione di una nuova sottostazione da 35 kV per ridurre il raggio di fornitura a 10 kV.

• Sostituzione dei conduttori con sezioni trasversali più grandi per ridurre il carico delle linee.

• Installazione di compensatori di potenza reattiva basati su linea—tuttavia, questo metodo è meno efficace per linee lunghe con carichi pesanti.

• Installazione di un regolatore automatico di tensione a alimentatore SVR, che offre alta automazione, ottima prestazione di regolazione della tensione e flessibilità di distribuzione.

Di seguito, vengono confrontate tre soluzioni alternative per migliorare la qualità della tensione in fondo alla linea sull'alimentatore "Fakuai" a 10 kV.

3.2.1 Costruzione di una nuova sottostazione da 35 kV

Risultato atteso: una nuova sottostazione ridurrebbe significativamente il raggio di fornitura, aumenterebbe la tensione in fondo alla linea e migliorerebbe la qualità complessiva dell'energia. Sebbene estremamente efficace, questa soluzione richiede un investimento sostanziale.

3.2.2 Aggiornamento del conduttore principale a 10 kV

La modifica dei parametri della linea prevede principalmente l'aumento della sezione trasversale dei conduttori. In aree scarsamente popolate con linee a piccola sezione, le perdite resistive dominano il calo totale di tensione; pertanto, ridurre la resistenza dei conduttori porta a un miglioramento notevole della tensione. Con questo aggiornamento, la tensione in fondo alla linea può essere aumentata da 8,39 kV a 9,5 kV.

3.2.3 Installazione di un regolatore automatico di tensione a alimentatore SVR

Viene installato un regolatore automatico di tensione a 10 kV per risolvere i problemi di bassa tensione a valle del palo n. 161.
Risultato atteso: la tensione in fondo alla linea può essere aumentata da 8,39 kV a 10,3 kV.

L'analisi comparativa mostra che l'Opzione 3 è la più economica e pratica.

Il sistema di regolazione automatica della tensione a alimentatore SVR stabilizza la tensione di uscita regolando il rapporto di avvolgimenti di un autotrasformatore trifase a stella, offrendo diversi vantaggi chiave:

• Regolazione automatica della tensione sotto carico.

• Utilizzo di un autotrasformatore trifase a connessione stella—di dimensioni compatte e ad alta capacità (≤2000 kVA), adatto per l'installazione tra pali.

• Gamma di regolazione tipica: −10% a +20%, sufficiente per soddisfare i requisiti di tensione.

In base ai calcoli teorici, si consiglia di installare un regolatore automatico di tensione SVR-5000/10-7 (0 a +20%) sul conduttore principale. Dopo l'installazione, la tensione al palo n. 141 può essere aumentata a:

U₁₆₁ = U × (10/8) = 10,5 kV

dove:

• U₁₆₁ = tensione al punto di installazione del regolatore dopo la messa in servizio

• 10/8 = rapporto massimo di avvolgimenti di un regolatore con gamma di regolazione 0 a +20%

L'operazione sul campo ha confermato che il sistema SVR traccia in modo affidabile le variazioni della tensione d'ingresso e mantiene stabile la tensione d'uscita, dimostrando un'efficacia provata nella mitigazione della bassa tensione.

3.2.4 Analisi dei benefici

In confronto alla costruzione di una nuova sottostazione o alla sostituzione dei conduttori, la distribuzione di un regolatore di tensione SVR riduce significativamente la spesa di capitale. Non solo eleva la tensione della linea per soddisfare gli standard nazionali—offrendo importanti benefici sociali—ma, nelle condizioni di carico costante, riduce la corrente della linea aumentando la tensione, riducendo così le perdite di linea e realizzando risparmi energetici. Ciò migliora l'efficienza economica dell'azienda elettrica.

4. Conclusione

Per le reti di distribuzione rurali in aree con crescita limitata del carico futuro—soprattutto quelle senza fonti di energia vicine, con raggi di fornitura lunghi, perdite di linea elevate, carichi pesanti e senza piani per la costruzione di nuove sottostazioni da 35 kV nel breve termine—l'uso di regolatori automatici di tensione a alimentatore SVR offre un'alternativa convincente. Permette di posticipare o eliminare la costruzione di sottostazioni da 35 kV, risolvendo efficacemente la qualità bassa della tensione e riducendo le perdite energetiche. Considerato che il costo di investimento è inferiore a un decimo di una nuova sottostazione da 35 kV, la soluzione SVR offre benefici sociali ed economici significativi e viene altamente raccomandata per un'ampia adozione nelle reti elettriche rurali.