Zastosowanie automatycznych regulatorów napięcia SVR w rozproszonych sieciach dystrybucyjnych

1. Wprowadzenie

W ostatnich latach, wraz z stabilnym i szybkim rozwojem gospodarki narodowej, popyt na energię elektryczną znacząco wzrósł. W sieciach energetycznych wiejskich, ciągły wzrost obciążeń, połączony z nieracjonalnym rozmieszczeniem lokalnych źródeł energii i ograniczonymi możliwościami regulacji napięcia w głównej sieci, spowodował, że duża liczba długich linii 10 kV – szczególnie w odległych rejonach górskich lub obszarach o słabej strukturze sieci – ma promień zaopatrzenia przekraczający normy narodowe. W konsekwencji trudno zapewnić odpowiednią jakość napięcia na końcach tych linii 10 kV, współczynnik mocy nie spełnia wymagań, a straty w linii pozostają wysokie.

Ze względu na ograniczenia, takie jak ograniczone fundusze na budowę sieci i rozważania dotyczące zwrotu z inwestycji, nie jest praktyczne rozwiązywanie wszystkich problemów związanych z niską jakością napięcia na liniach dystrybucyjnych 10 kV jedynie poprzez wdrażanie dużej liczby podstacji dystrybucyjnych wysokiego napięcia lub nadmiernego rozszerzania sieci. Poniżej przedstawiono technicznie wykonalne rozwiązanie dla problemów związanych z niską jakością napięcia na długich liniach dystrybucyjnych o rozszerzonym promieniu zaopatrzenia, które polega na zastosowaniu automatycznego regulatora napięcia 10 kV.

2. Zasada działania regulatora napięcia

Automatyczny regulator napięcia SVR (Step Voltage Regulator) składa się z głównego obwodu i kontrolera regulacji napięcia. Główny obwód obejmuje trójfazowy autotransformator i trójfazowy przełącznik tapów pod obciążeniem (OLTC), jak pokazano na Rysunku 1.

System cewek regulatora obejmuje cewkę szeregową, cewkę boczną i cewkę sterującą napięciem:

• Cewka szeregowaa jest wielokrotnie oporowa, połączona między wejściem a wyjściem przez różne kontakty przełącznika tapów; bezpośrednio reguluje napięcie wyjściowe.

• Cewka boczna służy jako wspólna cewka autotransformatora, generując pole magnetyczne niezbędne do przenoszenia energii.

• Cewka sterująca napięciem, nawinięta na cewkę boczną, działa jako wtórka cewki bocznej, dostarczając energię do działania kontrolera i silnika, a także sygnały napięcia do pomiaru wyjściowego.

Zasada działania jest następująca: poprzez połączenie tapów cewki szeregowej z różnymi pozycjami przełącznika tapów, stosunek liczby zwojów między cewką wejściową a wyjściową jest zmieniany poprzez kontrolowane przełączanie pozycji tapów, co pozwala na regulację napięcia wyjściowego. W zależności od wymagań aplikacyjnych, przełączniki tapów są zwykle konfigurowane z 7 lub 9 pozycjami tapów, co umożliwia użytkownikom wybór odpowiedniej konfiguracji w oparciu o rzeczywiste potrzeby regulacji napięcia.

Stosunek liczby zwojów między cewką pierwotną a wtórną regulatora jest zgodny ze stosunkiem w tradycyjnym transformatorze, tj.:

3. Przykład zastosowania
3.1 Obecne warunki linii

Pewna linia dystrybucyjna 10 kV ma długość głównej linii wynoszącą 15,138 km, zbudowaną z dwóch typów przewodów: LGJ-70 mm² i LGJ-50 mm². Łączna moc transformatorów dystrybucyjnych wzdłuż linii wynosi 7 260 kVA. W okresie szczytowych obciążeń, napięcie na stronie 220 V transformatorów dystrybucyjnych w środkowej i końcowej części linii spada do 175 V.

Przewód LGJ-70 ma opór 0,458 Ω/km i reaktancję 0,363 Ω/km. Dlatego całkowity opór i reaktancja od stacji do słupa nr 97 na głównej linii wynoszą:
R = 0,458 × 6,437 = 2,95 Ω
X = 0,363 × 6,437 = 2,34 Ω

Na podstawie mocy transformatorów dystrybucyjnych i współczynnika obciążenia wzdłuż linii, można obliczyć spadek napięcia od stacji do słupa nr 97 na głównej linii jako

Użyte symbole są zdefiniowane następująco:

• Δu — spadek napięcia wzdłuż linii (jednostka: kV)

• R — opór linii (jednostka: Ω)

• X — reaktancja linii (jednostka: Ω)

• r — opór na jednostkę długości (jednostka: Ω/km)

• x — reaktancja na jednostkę długości (jednostka: Ω/km)

• P — moc czynna na linii (jednostka: kW)

• Q — moc bierna na linii (jednostka: kvar)

Dlatego napięcie na słupie nr 97 na głównej linii wynosi tylko:
10,4 kV − 0,77 kV = 9,63 kV.

Podobnie, napięcie na słupie nr 178 można obliczyć jako 8,42 kV, a napięcie na końcu linii wynosi 8,39 kV.

3.2 Propozycja rozwiązań

Aby zapewnić jakość napięcia, główne metody regulacji napięcia w sieciach dystrybucyjnych średniego i niskiego napięcia obejmują:

• Budowa nowej podstacji 35 kV w celu skrócenia promienia zasilania 10 kV.

• Zastąpienie przewodników przewodnikami o większej przekroju poprzecznym, aby zmniejszyć obciążenie linii.

• Instalacja kompensacji biernej mocy reaktywnej na linii — jednak ta metoda jest mniej efektywna dla długich linii z dużymi obciążeniami.

• Instalacja automatu regulacji napięcia SVR, który oferuje wysoką automatyzację, doskonałą wydajność regulacji napięcia i elastyczne wdrożenie.

Poniżej porównane są trzy alternatywne rozwiązania ulepszenia jakości napięcia na końcu linii dla pasma 10 kV „Fakuai”.

3.2.1 Budowa nowej podstacji 35 kV

Oczekiwany rezultat: Nowa podstacja znacznie skróciłaby promień zasilania, podniosła napięcie na końcu linii i poprawiła ogólną jakość zasilania. Mimo że rozwiązanie to jest bardzo skuteczne, wymaga ono istotnych inwestycji.

3.2.2 Modernizacja głównej linii 10 kV

Modyfikacja parametrów linii polega głównie na zwiększeniu przekroju przewodnika. W obszarach słabo zaludnionych z małymi przewodnikami, straty oporowe dominują w całkowitym spadku napięcia; zatem, zmniejszenie oporu przewodnika zapewnia zauważalne poprawy napięcia. Dzięki tej modernizacji, napięcie na końcu linii może wzrosnąć z 8,39 kV do 9,5 kV.

3.2.3 Instalacja automatu regulacji napięcia SVR

Jeden automat regulacji napięcia 10 kV jest instalowany, aby rozwiązać problemy z niskim napięciem po punkcie wspornika #161.
Oczekiwany rezultat: Napięcie na końcu linii może wzrosnąć z 8,39 kV do 10,3 kV.

Porównawcza analiza pokazuje, że opcja 3 jest najbardziej ekonomiczna i praktyczna.

System automatycznej regulacji napięcia SVR stabilizuje napięcie wyjściowe poprzez dostosowanie stosunku zwinięć trójfazowego autotransformatora, oferując kilka kluczowych zalet:

• Pełna automatyzacja, regulacja napięcia pod obciążeniem.

• Używa trójfazowego autotransformatora połączonego w gwiazdę — kompaktowy rozmiar i duża moc (≤2000 kVA), odpowiedni do montażu między wspornikami.

• Typowy zakres regulacji: −10% do +20%, wystarczający do spełnienia wymagań napięciowych.

Na podstawie teoretycznych obliczeń zaleca się zainstalowanie jednego automatu regulacji napięcia SVR-5000/10-7 (0 do +20%) na głównej linii. Po instalacji, napięcie na wsporniku #141 może być podniesione do:

U₁₆₁ = U × (10/8) = 10,5 kV

gdzie:

• U₁₆₁ = napięcie w punkcie instalacji regulatora po uruchomieniu

• 10/8 = maksymalny stosunek zwinięć regulatora z zakresem regulacji 0 do +20%

Praktyczne działania potwierdziły, że system SVR niezawodnie śledzi zmiany napięcia wejściowego i utrzymuje stabilne napięcie wyjściowe, co udowadnia jego skuteczność w eliminacji niskiego napięcia.

3.2.4 Analiza korzyści

W porównaniu z budową nowej podstacji lub zastąpieniem przewodników, wdrażanie regulatora napięcia SVR znacznie redukuje koszty kapitałowe. Nie tylko podnosi napięcie linii do standardów narodowych, co przynosi duże korzyści społeczne, ale także, przy stałym obciążeniu, zmniejsza prąd linii poprzez podnoszenie napięcia, co prowadzi do obniżenia strat w linii i oszczędności energii. To zwiększa ekonomiczną efektywność przedsiębiorstwa energetycznego.

4. Podsumowanie

Dla rolniczych sieci dystrybucji w obszarach o ograniczonym przyszłym wzroście obciążeń — szczególnie tych, które brakują bliskich źródeł zasilania, mają długie promienie zasilania, wysokie straty w linii, duże obciążenia i nie planują budowy podstacji 35 kV w najbliższym czasie — użycie automatów regulacji napięcia SVR oferuje atrakcyjną alternatywę. Pozwala ono na odłożenie lub uniknięcie budowy podstacji 35 kV, jednocześnie skutecznie rozwiązuje problemy z jakością napięcia i redukuje straty energii. Biorąc pod uwagę, że koszt inwestycyjny jest mniejszy niż jedna dziesiąta nowej podstacji 35 kV, rozwiązanie SVR przynosi znaczne korzyści społeczne i ekonomiczne i jest gorąco polecamy do szerokiego wdrożenia w rolniczych sieciach energetycznych.