Aplicação de Reguladores Automáticos de Tensão SVR em Redes de Distribuição Rural

1. Introdução

Nos últimos anos, com o desenvolvimento estável e rápido da economia nacional, a demanda por eletricidade cresceu significativamente. Nas redes elétricas rurais, o aumento contínuo da carga, combinado com uma distribuição irracional de fontes locais de energia e capacidades limitadas de regulação de tensão na rede principal, resultou em um número considerável de alimentadores de 10 kV longos - particularmente em áreas montanhosas remotas ou regiões com estruturas de rede frágeis - cujo raio de abastecimento excede os padrões nacionais. Consequentemente, a qualidade da tensão no final dessas linhas de 10 kV é difícil de garantir, o fator de potência não atende aos requisitos e as perdas na linha permanecem altas.

Devido a restrições como fundos limitados para a construção da rede e considerações de retorno sobre investimentos, é impraticável resolver todos os problemas de baixa qualidade de tensão em alimentadores de distribuição de 10 kV apenas implantando numerosas subestações de distribuição de alta tensão ou estendendo excessivamente a rede. O regulador automático de tensão para alimentadores de 10 kV introduzido abaixo oferece uma solução tecnicamente viável para lidar com a má qualidade de tensão em linhas de distribuição de longa distância com raios de abastecimento estendidos.

2. Princípio de Funcionamento do Regulador de Tensão

O regulador automático de tensão SVR (Step Voltage Regulator) consiste em um circuito principal e um controlador de regulação de tensão. O circuito principal compreende um autotransformador trifásico e um trocador de derivação sob carga (OLTC), conforme ilustrado na Figura 1.

O sistema de enrolamentos do regulador inclui um enrolamento paralelo, um enrolamento em série e um enrolamento de tensão de controle:

• O enrolamento em série é uma bobina multi-tap conectada entre a entrada e a saída através de diferentes contatos do trocador de derivação; ele regula diretamente a tensão de saída.

• O enrolamento paralelo serve como o enrolamento comum do autotransformador, gerando o campo magnético necessário para a transferência de energia.

• O enrolamento de tensão de controle, enrolado sobre o enrolamento paralelo, atua como um secundário do enrolamento paralelo para fornecer energia operacional para o controlador e o motor, bem como fornecer sinais de tensão para a medição de saída.

O princípio de funcionamento é o seguinte: Ao conectar os taps do enrolamento em série a diferentes posições do trocador de derivação sob carga, a razão de espiras entre os enrolamentos de entrada e saída é alterada através da comutação controlada das posições dos taps, ajustando assim a tensão de saída. Dependendo das necessidades de aplicação, os trocadores de derivação sob carga são geralmente configurados com 7 ou 9 posições de tap, permitindo que os usuários selecionem a configuração apropriada com base nas reais necessidades de regulação de tensão.

A razão de espiras entre os enrolamentos primário e secundário do regulador é consistente com a de um transformador convencional, ou seja:

3. Exemplo de Aplicação
3.1 Condições Atuais da Linha

Uma certa linha de distribuição de 10 kV tem um comprimento de alimentador principal de 15,138 km, construída com dois tipos de condutores: LGJ-70 mm² e LGJ-50 mm². A capacidade total de transformadores de distribuição ao longo da linha é de 7.260 kVA. Durante períodos de carga pico, a tensão no lado de 220 V dos transformadores de distribuição nas seções intermediárias e finais da linha cai para tão baixo quanto 175 V.

O condutor LGJ-70 tem uma resistência de 0,458 Ω/km e uma reatância de 0,363 Ω/km. Portanto, a resistência e reatância totais da subestação até o poste #97 no alimentador principal são:
R = 0,458 × 6,437 = 2,95 Ω
X = 0,363 × 6,437 = 2,34 Ω

Com base na capacidade dos transformadores de distribuição e no fator de carga ao longo da linha, a queda de tensão da subestação até o poste #97 no alimentador principal pode ser calculada como

Os símbolos usados são definidos como segue:

• Δu — queda de tensão ao longo da linha (unidade: kV)

• R — resistência da linha (unidade: Ω)

• X — reatância da linha (unidade: Ω)

• r — resistência por unidade de comprimento (unidade: Ω/km)

• x — reatância por unidade de comprimento (unidade: Ω/km)

• P — potência ativa na linha (unidade: kW)

• Q — potência reativa na linha (unidade: kvar)

Assim, a tensão no poste #97 no alimentador principal é apenas:
10,4 kV − 0,77 kV = 9,63 kV.

Da mesma forma, a tensão no poste #178 pode ser calculada como 8,42 kV, e a tensão no final da linha é 8,39 kV.

3.2 Soluções Propostas

Para garantir a qualidade da tensão, os principais métodos de regulação de tensão em redes de distribuição de média e baixa tensão incluem:

• Construção de uma nova subestação de 35 kV para encurtar o raio de fornecimento de 10 kV.

• Substituição de condutores por outros com maior seção transversal para reduzir a carga da linha.

• Instalação de compensação de potência reativa baseada em linha—no entanto, este método é menos eficaz para linhas longas com cargas pesadas.

• Instalação de um regulador automático de tensão de alimentação SVR, que oferece alta automação, excelente desempenho de regulação de tensão e implantação flexível.

A seguir, três soluções alternativas para melhorar a qualidade da tensão no final da linha na alimentação de 10 kV "Fakuai" são comparadas.

3.2.1 Construção de Nova Subestação de 35 kV

Resultado esperado: Uma nova subestação encurtaria significativamente o raio de fornecimento, aumentaria a tensão no final da linha e melhoraria a qualidade geral do fornecimento de energia. Embora altamente eficaz, esta solução requer investimento substancial.

3.2.2 Atualização da Alimentação Principal de 10 kV

A modificação dos parâmetros da linha envolve principalmente o aumento da seção transversal do condutor. Em áreas com baixa densidade populacional e linhas com condutores pequenos, as perdas resistivas dominam a queda total de tensão; portanto, a redução da resistência do condutor proporciona melhoria notável na tensão. Com essa atualização, a tensão no final da linha pode ser elevada de 8,39 kV para 9,5 kV.

3.2.3 Instalação de um Regulador Automático de Tensão de Alimentação SVR

Um regulador automático de tensão de 10 kV é instalado para resolver problemas de baixa tensão a jusante do poste nº 161.
Resultado esperado: A tensão no final da linha pode ser aumentada de 8,39 kV para 10,3 kV.

Análise comparativa mostra que a Opção 3 é a mais econômica e prática.

O sistema de regulação automática de tensão de alimentação SVR estabiliza a tensão de saída ajustando a relação de enrolamentos de um autotransformador trifásico estrelado, oferecendo várias vantagens-chave:

• Regulação de tensão automática sob carga.

• Utiliza um autotransformador trifásico estrelado—de tamanho compacto e alta capacidade (≤2000 kVA), adequado para instalação entre postes.

• Faixa típica de regulação: −10% a +20%, suficiente para atender aos requisitos de tensão.

Com base em cálculos teóricos, recomenda-se a instalação de um regulador automático de tensão SVR-5000/10-7 (0 a +20%) na alimentação principal. Após a instalação, a tensão no poste nº 141 pode ser elevada a:

U₁₆₁ = U × (10/8) = 10,5 kV

onde:

• U₁₆₁ = tensão no ponto de instalação do regulador após a comissão

• 10/8 = relação máxima de enrolamentos de um regulador com faixa de ajuste de 0 a +20%

A operação em campo confirmou que o sistema SVR rastreia confiavelmente as variações de tensão de entrada e mantém a tensão de saída estável, demonstrando eficácia comprovada na mitigação de baixa tensão.

3.2.4 Análise de Benefícios

Em comparação com a construção de uma nova subestação ou a substituição de condutores, a implementação de um regulador de tensão SVR reduz significativamente o gasto de capital. Ele não apenas eleva a tensão da linha para atender aos padrões nacionais—proporcionando fortes benefícios sociais—mas também, sob condições de carga constante, reduz a corrente da linha ao elevar a tensão, diminuindo assim as perdas de linha e alcançando economia de energia. Isso melhora a eficiência econômica da empresa de utilidades.

4. Conclusão

Para redes de distribuição rurais em áreas com crescimento futuro limitado de carga—especialmente aquelas sem fontes de energia próximas, com raios de fornecimento longos, perdas de linha elevadas, carga pesada e sem planos de construção de subestações de 35 kV no curto prazo—a utilização de reguladores automáticos de tensão de alimentação SVR oferece uma alternativa convincente. Ela permite adiar ou eliminar a construção de subestações de 35 kV, enquanto resolve efetivamente a baixa qualidade de tensão e reduz as perdas de energia. Dado que o custo de investimento é inferior a um décimo do de uma nova subestação de 35 kV, a solução SVR proporciona benefícios sociais e econômicos significativos e é altamente recomendada para adoção generalizada em redes elétricas rurais.