農村配電網におけるSVRフィーダ自動電圧調整器の応用

1. はじめに

近年、国民経済の安定かつ急速な発展とともに、電力需要は大幅に増加しています。農村電力網では、負荷の継続的な増加と地域の電源配分の不合理さ、主電力網の電圧調整能力の制限により、特に遠隔地の山岳地帯や弱い電力網構造を持つ地域において、多くの10 kV長距離フィーダーが国際基準を超える供給半径を持つようになりました。そのため、これらの10 kV線路の末端での電圧品質を保証することが困難になり、電力係数が要件を満たせず、線損も高まっています。

電力網建設資金の制約や投資回収の考慮から、多数の高圧配電変電所を設置したり、電力網を過度に拡張することで10 kV配電フィーダーの低電圧品質問題を解決することは実際的ではありません。以下の10 kVフィーダー自動電圧調整器は、長距離配電線における供給半径が広い場合の不良な電圧品質に対処する技術的に可能なソリューションを提供します。

2. 電圧調整器の動作原理

SVR（ステップ電圧調整器）自動電圧調整器は、主回路と電圧調整コントローラーで構成されています。主回路は三相オートトランスフォーマーと三相オンロードタップチェンジャー（OLTC）で構成されており、図1に示されています。

調整巻線システムには、直列巻線、並列巻線、および制御電圧巻線が含まれています：

• 直列巻線は、タップチェンジャーの異なる接点を通じて入力と出力間に接続された多タップコイルであり、直接出力電圧を調整します。

• 並列巻線はオートトランスフォーマーの共通巻線として機能し、エネルギー伝送に必要な磁界を生成します。

• 制御電圧巻線は並列巻線上に巻かれ、並列コイルの二次側としてコントローラーとモーターの動作電力を供給し、出力測定用の電圧信号を提供します。

動作原理は以下の通りです：直列巻線のタップをオンロードタップチェンジャーの異なる位置に接続することにより、入力と出力巻線間の巻数比を制御されたタップ位置の切り替えによって変更し、出力電圧を調整します。応用要件に応じて、オンロードタップチェンジャーは通常7または9つのタップ位置で構成され、ユーザーは実際の電圧調整ニーズに基づいて適切な構成を選択できます。

調整器の一次巻線と二次巻線間の巻数比は、従来のトランスフォーマーと同じです、つまり：

3. 応用例
3.1 現在の線路状況

ある10 kV配電線は、主フィーダーの長さが15.138 kmで、LGJ-70 mm²とLGJ-50 mm²の2種類の導体で構築されています。線路上の配電変圧器の総容量は7,260 kVAです。ピーク負荷時、線路の中間から末端部分の配電変圧器の220 V側の電圧は175 Vまで低下します。

LGJ-70導体の抵抗値は0.458 Ω/km、リアクタンスは0.363 Ω/kmです。したがって、変電所から主フィーダーのポール#97までの総抵抗とリアクタンスは：
R = 0.458 × 6.437 = 2.95 Ω
X = 0.363 × 6.437 = 2.34 Ω

線路上の配電変圧器容量と負荷率に基づいて、変電所から主フィーダーのポール#97までの電圧降下は以下のように計算されます：

使用される記号は以下の通りです：

• Δu — 線路上の電圧降下（単位：kV）

• R — 線路抵抗（単位：Ω）

• X — 線路リアクタンス（単位：Ω）

• r — 単位長さあたりの抵抗（単位：Ω/km）

• x — 単位長さあたりのリアクタンス（単位：Ω/km）

• P — 線路上の有効電力（単位：kW）

• Q — 線路上の無効電力（単位：kvar）

したがって、主フィーダーのポール#97での電圧は：
10.4 kV − 0.77 kV = 9.63 kV。

同様に、ポール#178での電圧は8.42 kV、線路の末端での電圧は8.39 kVと計算されます。

3.2 提案されるソリューション

中・低圧配電網での電圧品質を確保するための主な電圧調整方法には以下のものがあります：

• 35 kV変電所の新設により、10 kV供給範囲を短縮する。

• 導体を断面積が大きいものに交換して、線路負荷を減らす。

• 線路ベースの無効電力補償装置を設置する—ただし、この方法は長距離で重い負荷を持つ線路には効果が少ない。

• SVRフィーダー自動電圧調整器を設置する。これは高い自動化、優れた電圧調整性能、および柔軟な配置を提供する。

以下では、10 kV "Fakuai" フィーダーの末端電圧品質改善のための3つの代替ソリューションを比較する。

3.2.1 35 kV変電所の新設

期待される結果：新しい変電所は供給範囲を大幅に短縮し、末端電圧を上げ、全体的な電力品質を改善する。非常に効果的であるが、このソリューションには大きな投資が必要である。

3.2.2 10 kV主フィーダーのアップグレード

線路パラメータの修正は主に導体断面積の増加を含む。人口密度が低い地域で細い導体を使用している場合、抵抗損失が電圧降下の大部分を占めるため、導体抵抗を減らすことで顕著な電圧改善が得られる。このアップグレードにより、末端電圧は8.39 kVから9.5 kVに引き上げられる。

3.2.3 SVRフィーダー自動電圧調整器の設置

ポール#161の下流での低電圧問題に対処するために、10 kV自動電圧調整器を1台設置する。
期待される結果：末端電圧は8.39 kVから10.3 kVに引き上げられる。

比較分析によると、オプション3が最も経済的かつ実用的である。

SVRフィーダー自動電圧調整システムは、三相オートトランスフォーマーの巻数比を調整することで出力電圧を安定させ、いくつかの重要な利点を提供する：

• 完全自動、負荷中電圧調整。

• 星接続の三相オートトランスフォーマーを使用—コンパクトで高容量（≤2000 kVA）、ポール間設置に適している。

• 典型的な調整範囲：−10% ～ +20%、電圧要件を満たすのに十分。

理論計算に基づいて、主フィーダーにSVR-5000/10-7 (0 ～ +20%) 自動電圧調整器を1台設置することを推奨する。設置後、ポール#141の電圧は以下のようになる：

U₁₆₁ = U × (10/8) = 10.5 kV

ここで：

• U₁₆₁ = 調整器設置後の調節点の電圧

• 10/8 = 0 ～ +20% 調整範囲を持つ調整器の最大巻数比

現場での運用では、SVRシステムが入力電圧の変動を信頼性を持って追跡し、出力電圧を安定させることを確認しており、低電圧緩和において実証された効果を示している。

3.2.4 効果分析

新たな変電所の建設や導体の交換と比較して、SVR電圧調整器の導入は資本支出を大幅に削減する。これにより、国家基準を満たすライン電圧を達成し、社会的な利益をもたらすだけでなく、一定の負荷条件下では電圧を上げることで線路電流を減らし、線路損失を削減し、エネルギー節約を達成することができる。これにより、電力会社の経済効率が向上する。

4. 結論

将来の負荷増加が限られている農村部の配電網—特に近隣に電源がなく、供給範囲が長く、線路損失が高く、負荷が重く、近期内に35 kV変電所の計画がない地域—では、SVRフィーダー自動電圧調整器の使用が魅力的な代替手段となる。これにより、35 kV変電所の建設を延期または不要にしながら、低電圧品質の問題を効果的に解決し、エネルギー損失を削減することが可能となる。SVRソリューションの投資コストは新たな35 kV変電所の1/10未満であり、社会的および経済的利益が大きく、農村部の電力網での広範な採用が強く推奨される。