Toepassing van SVR-voederspanningsregelaars in landelijke distributienetwerken

1. Inleiding

In de afgelopen jaren is de elektriciteitsvraag sterk gestegen als gevolg van de stabiele en snelle ontwikkeling van de nationale economie. In plattelandselektriciteitsnetwerken heeft de continue toename van het belastingvolume, in combinatie met een onlogische verdeling van lokale energiebronnen en beperkte spanningregelingscapaciteiten in het hoofdnetwerk, geleid tot een aanzienlijk aantal 10 kV lange voeders - vooral in afgelegen berggebieden of regio's met zwakke netwerken - waarvan de leveringsstraal de nationale normen te boven gaat. Hierdoor is het moeilijk om de spanningkwaliteit aan het einde van deze 10 kV lijnen te garanderen, de cosinus phi voldoet niet aan de eisen en de lijnverliezen blijven hoog.

Vanwege beperkingen zoals beperkte middelen voor netwerkconstructie en overwegingen ten aanzien van investeringsrendement, is het onpraktisch om alle lage spanningkwaliteitsproblemen op 10 kV distributievoeders op te lossen door alleen talrijke hogespanningsdistributiestations in te zetten of het netwerk excessief uit te breiden. De hieronder geïntroduceerde 10 kV voeder automatische spanningregelaar biedt een technisch haalbare oplossing voor het verbeteren van de arme spanningkwaliteit op langafstandslijnen met een verlengde leveringsstraal.

2. Werking van de spanningregelaar

De SVR (Step Voltage Regulator) automatische spanningregelaar bestaat uit een hoofdcircuit en een spanningregelcontroller. Het hoofdcircuit bestaat uit een driefase autotransformator en een driefase on-load tap changer (OLTC), zoals weergegeven in figuur 1.

Het regelsysteem van de winding bestaat uit een parallelwinding, een serie-winding en een controle-spanningwinding:

• De serie-winding is een veel-taps spoel die tussen de ingang en uitgang via verschillende contacten van de tapchanger is verbonden; deze regelt direct de uitgangsspanning.

• De parallelwinding fungeert als de gemeenschappelijke winding van de autotransformator en genereert het magnetische veld dat nodig is voor energieoverdracht.

• De controle-spanningwinding, gewikkeld over de parallelwinding, fungeert als een secundaire van de parallelspoel om bedrijfsenergie voor de controller en motor te leveren, evenals spanningssignalen voor uitgangsmeting.

Het werkingprincipe is als volgt: Door de taps van de serie-winding te verbinden met verschillende posities van de on-load tapchanger, wordt de wikkelverhouding tussen de ingangswikkeling en de uitgangswikkeling aangepast door gecontroleerd schakelen van tapposities, waardoor de uitgangsspanning wordt aangepast. Afhankelijk van de toepassingsvereisten zijn on-load tapchangers meestal geconfigureerd met 7 of 9 tapposities, waarmee gebruikers de juiste configuratie kunnen selecteren op basis van de daadwerkelijke spanningregelbehoeften.

De wikkelverhouding tussen de primaire en secundaire windingen van de regelaar komt overeen met die van een conventionele transformator, namelijk:

3.Toepassingsexample
3.1 Huidige lijnomstandigheden

Een bepaalde 10 kV distributielijn heeft een hoofdvoederlengte van 15,138 km, gebouwd met twee soorten leidingen: LGJ-70 mm² en LGJ-50 mm². De totale capaciteit van de distributietransformatoren langs de lijn is 7.260 kVA. Tijdens piekbelastingstijden daalt de spanning aan de 220 V zijde van de distributietransformatoren in de midden- en eindsecties van de lijn tot 175 V.

De LGJ-70 leiding heeft een weerstand van 0,458 Ω/km en een reactantie van 0,363 Ω/km. Daarom zijn de totale weerstand en reactantie van het substation naar paal #97 op de hoofdvoeder:
R = 0,458 × 6,437 = 2,95 Ω
X = 0,363 × 6,437 = 2,34 Ω

Op basis van de capaciteit van de distributietransformatoren en de belastingsfactor langs de lijn kan de spanningdaling van het substation naar paal #97 op de hoofdvoeder worden berekend als

De gebruikte symbolen zijn gedefinieerd als volgt:

• Δu — spanningdaling langs de lijn (eenheid: kV)

• R — lijnweerstand (eenheid: Ω)

• X — lijnreactantie (eenheid: Ω)

• r — weerstand per eenheidslengte (eenheid: Ω/km)

• x — reactantie per eenheidslengte (eenheid: Ω/km)

• P — actieve vermogen op de lijn (eenheid: kW)

• Q — reactief vermogen op de lijn (eenheid: kvar)

Dus, de spanning bij paal #97 op de hoofdvoeder is slechts:
10,4 kV − 0,77 kV = 9,63 kV.

Op dezelfde manier kan de spanning bij paal #178 worden berekend als 8,42 kV, en de spanning aan het einde van de lijn is 8,39 kV.

3.2 Voorgestelde oplossingen

Om de spanningkwaliteit te waarborgen, zijn de belangrijkste spanningregelmethoden in middel- en laagspanningsdistributienetwerken:

• Een nieuwe 35 kV-substation bouwen om de voedingsstraal van 10 kV te verkorten.

• Leidingen vervangen door leiders met grotere doorsnede om de lijnbelasting te verlagen.

• Reactiviteitcompensatie op basis van lijnen installeren—echter, deze methode is minder effectief voor lange lijnen met zware belastingen.

• Een SVR-voeder automatische spanningregelaar installeren, die hoge automatisering, uitstekende spanningregeling en flexibele inzet biedt.

Hieronder worden drie alternatieve oplossingen vergeleken voor het verbeteren van de eindspanningskwaliteit op de 10 kV "Fakuai" voeder.

3.2.1 Nieuwe 35 kV Substation Bouwen

Verwachte uitkomst: Een nieuwe substation zou de voedingsstraal aanzienlijk verkorten, de eindspanning verhogen en de algemene elektriciteitskwaliteit verbeteren. Hoewel zeer effectief, vereist deze oplossing een aanzienlijke investering.

3.2.2 Upgraden van de 10 kV Hoofdvoeder

De lijnparameters aanpassen gaat voornamelijk over het vergroten van de geleiderdoorsnede. Voor dunbevolkte gebieden met kleinere geleiders overheersen de weerstandverliezen de totale spanningdaling; dus, het verminderen van de geleiderweerstand biedt een merkbare spanningverbetering. Met deze upgrade kan de eindspanning worden verhoogd van 8,39 kV naar 9,5 kV.

3.2.3 Installatie van een SVR-voeder Automatische Spanningsregelaar

Een 10 kV automatische spanningregelaar wordt geïnstalleerd om lage spanningproblemen stroomafwaarts van paal #161 aan te pakken.
Verwachte uitkomst: De eindspanning kan worden verhoogd van 8,39 kV naar 10,3 kV.

Een vergelijkend onderzoek toont aan dat Optie 3 de meest economische en praktische is.

Het SVR-voeder automatische spanningregelsysteem stabiliseert de uitgangsspanning door de spoelverhouding van een driefase autotransformator aan te passen, met enkele belangrijke voordelen:

• Volledig automatisch, belast spanningregeling.

• Gebruikt een ster-aangesloten driefase autotransformator—compacte grootte en hoge capaciteit (≤2000 kVA), geschikt voor installatie tussen palen.

• Typisch regelbereik: −10% tot +20%, voldoende om de spanningseisen te voldoen.

Op basis van theoretische berekeningen wordt aanbevolen om één SVR-5000/10-7 (0 tot +20%) automatische spanningregelaar op de hoofdvoeder te installeren. Na installatie kan de spanning op paal #141 worden verhoogd tot:

U₁₆₁ = U × (10/8) = 10,5 kV

waarbij:

• U₁₆₁ = spanning op het installatiepunt van de regelaar na inbedrijfstelling

• 10/8 = maximale spoelverhouding van een regelaar met 0 tot +20% instelbereik

Praktijkoperatie heeft bevestigd dat het SVR-systeem betrouwbaar inputspanningsvariaties volgt en een stabiele uitgangsspanning onderhoudt, waarmee bewezen wordt dat het effectief is bij het verminderen van lage spanningen.

3.2.4 Voordelenanalyse

In vergelijking met het bouwen van een nieuwe substation of het vervangen van geleiders, vermindert het inzetten van een SVR-spanningsregelaar aanzienlijk de kapitaalaanleg. Het verhoogt niet alleen de lijnspanning om aan nationale normen te voldoen—met sterke sociale voordelen—maar vermindert ook, onder constante belasting, de lijnstroom door de spanning te verhogen, waardoor lijnverliezen worden verminderd en energiebesparingen worden gerealiseerd. Dit verhoogt de economische efficiëntie van de nutsbedrijf.

4. Conclusie

Voor plattelandsverdeelnets in gebieden met beperkte toekomstige belastingsgroei—vooral die zonder nabijgelegen energiebronnen, met lange voedingsstralen, hoge lijnverliezen, zware belastingen en geen geplande 35 kV-substations in de nabije toekomst—biedt de inzet van SVR-voeder automatische spanningregelaars een aantrekkelijke alternatief. Het stelt uit of elimineert de noodzaak om een 35 kV-substation te bouwen, terwijl het effectief lage spanningkwaliteit oplost en energieverliezen vermindert. Aangezien de investeringskosten minder dan een tiende zijn van een nieuwe 35 kV-substation, levert de SVR-oplossing aanzienlijke sociale en economische voordelen op en wordt sterk aanbevolen voor wijdverspreide toepassing in plattelandselectranetten.