Применение автоматических регуляторов напряжения SVR в сельских распределительных сетях

1. Введение

В последние годы с устойчивым и быстрым развитием национальной экономики спрос на электроэнергию значительно возрос. В сельских электрических сетях непрерывное увеличение нагрузки, в сочетании с нерациональным распределением местных источников энергии и ограниченными возможностями регулирования напряжения в основной сети, привело к тому, что значительное количество линий питания 10 кВ — особенно в отдаленных горных районах или регионах с слабыми сетевыми структурами — имеют радиус питания, превышающий национальные стандарты. В результате качество напряжения на концах этих линий 10 кВ трудно обеспечить, коэффициент мощности не соответствует требованиям, а потери в линиях остаются высокими.

Из-за ограничений, таких как ограниченное финансирование строительства сетей и соображения о возврате инвестиций, невозможно решить все проблемы низкого качества напряжения на линиях питания 10 кВ только путем развертывания большого количества высоковольтных распределительных подстанций или чрезмерного расширения сети. Автоматический регулятор напряжения для линий питания 10 кВ, представленный ниже, предлагает технически жизнеспособное решение для улучшения качества напряжения на длинных линиях распределения с большим радиусом питания.

2. Принцип работы регулятора напряжения

Автоматический регулятор напряжения SVR (Step Voltage Regulator) состоит из основной цепи и контроллера регулирования напряжения. Основная цепь включает трехфазный автотрансформатор и трехфазный переключатель секций под нагрузкой (OLTC), как показано на рисунке 1.

Система обмоток регулятора включает параллельную обмотку, последовательную обмотку и обмотку управления напряжением:

• Последовательная обмотка представляет собой многопозиционную катушку, соединенную между входом и выходом через различные контакты переключателя секций; она непосредственно регулирует выходное напряжение.

• Параллельная обмотка служит общим обмоточным контуром автотрансформатора, генерируя магнитное поле, необходимое для передачи энергии.

• Обмотка управления напряжением, намотанная поверх параллельной обмотки, действует как вторичная обмотка параллельной катушки, поставляя питание для контроллера и двигателя, а также предоставляя сигналы напряжения для измерения выходного напряжения.

Принцип работы следующий: при соединении выводов последовательной обмотки с различными положениями переключателя секций, соотношение числа витков между входной и выходной обмотками изменяется за счет управляемого переключения позиций, что позволяет регулировать выходное напряжение. В зависимости от требований применения, переключатели секций обычно настраиваются на 7 или 9 позиций, позволяя пользователям выбирать подходящую конфигурацию в соответствии с фактическими потребностями в регулировании напряжения.

Соотношение числа витков первичной и вторичной обмоток регулятора соответствует соотношению обычного трансформатора, то есть:

3. Пример применения
3.1 Текущее состояние линии

На определенной линии распределения 10 кВ длина основной линии составляет 15,138 км, построена с использованием двух типов проводов: LGJ-70 мм² и LGJ-50 мм². Общая мощность распределительных трансформаторов вдоль линии составляет 7 260 кВА. В периоды пиковой нагрузки напряжение на стороне 220 В распределительных трансформаторов в средних и конечных участках линии снижается до 175 В.

У провода LGJ-70 сопротивление составляет 0,458 Ом/км, а реактивное сопротивление — 0,363 Ом/км. Таким образом, общее сопротивление и реактивное сопротивление от подстанции до опоры №97 основной линии составляют:
R = 0,458 × 6,437 = 2,95 Ом
X = 0,363 × 6,437 = 2,34 Ом

На основе мощности распределительных трансформаторов и коэффициента загрузки вдоль линии можно рассчитать падение напряжения от подстанции до опоры №97 основной линии как

Используемые символы определяются следующим образом:

• Δu — падение напряжения вдоль линии (единица: кВ)

• R — сопротивление линии (единица: Ом)

• X — реактивное сопротивление линии (единица: Ом)

• r — сопротивление на единицу длины (единица: Ом/км)

• x — реактивное сопротивление на единицу длины (единица: Ом/км)

• P — активная мощность на линии (единица: кВт)

• Q — реактивная мощность на линии (единица: кВАр)

Таким образом, напряжение на опоре №97 основной линии составляет всего:
10,4 кВ − 0,77 кВ = 9,63 кВ.

Аналогично, напряжение на опоре №178 можно рассчитать как 8,42 кВ, а напряжение на конце линии составляет 8,39 кВ.

3.2 Предложенные решения

Для обеспечения качества напряжения основные методы регулирования напряжения в средневольтных и низковольтных распределительных сетях включают:

• Строительство новой подстанции 35 кВ для сокращения радиуса питания 10 кВ.

• Замена проводников на проводники с большей площадью поперечного сечения для снижения нагрузки на линию.

• Установка компенсации реактивной мощности на линии — однако этот метод менее эффективен для длинных линий с высокими нагрузками.

• Установка автоматического регулятора напряжения SVR, который обеспечивает высокую степень автоматизации, отличные показатели регулирования напряжения и гибкость развертывания.

Ниже приведено сравнение трех альтернативных решений для улучшения качества напряжения на концах линии на фидере 10 кВ "Факуай".

3.2.1 Строительство новой подстанции 35 кВ

Ожидаемый результат: новая подстанция значительно сократит радиус питания, повысит напряжение на концах линии и улучшит общее качество электроэнергии. Хотя это решение очень эффективно, оно требует значительных инвестиций.

3.2.2 Модернизация основного фидера 10 кВ

Модификация параметров линии в основном заключается в увеличении площади поперечного сечения проводника. В малонаселенных районах с проводниками малого сечения потери на сопротивление доминируют в общем падении напряжения; таким образом, снижение сопротивления проводника обеспечивает заметное улучшение напряжения. С этой модернизацией напряжение на концах линии может быть повышено с 8,39 кВ до 9,5 кВ.

3.2.3 Установка автоматического регулятора напряжения SVR

Устанавливается один автоматический регулятор напряжения 10 кВ для решения проблем низкого напряжения после опоры №161.
Ожидаемый результат: напряжение на концах линии может быть повышено с 8,39 кВ до 10,3 кВ.

Сравнительный анализ показывает, что вариант 3 является наиболее экономичным и практичным.

Система автоматического регулирования напряжения SVR стабилизирует выходное напряжение, изменяя коэффициент трансформации трехфазного автотрансформатора, предлагая несколько ключевых преимуществ:

• Полностью автоматическое регулирование напряжения под нагрузкой.

• Используется звездосоединенный трехфазный автотрансформатор — компактный размер и высокая мощность (≤2000 кВА), подходящий для установки между опорами.

• Типичный диапазон регулирования: −10% до +20%, достаточный для удовлетворения требований к напряжению.

На основе теоретических расчетов рекомендуется установить один автоматический регулятор напряжения SVR-5000/10-7 (0 до +20%) на основной фидер. После установки напряжение на опоре №141 может быть повышено до:

U₁₆₁ = U × (10/8) = 10,5 кВ

где:

• U₁₆₁ = напряжение в точке установки регулятора после ввода в эксплуатацию

• 10/8 = максимальный коэффициент трансформации регулятора с диапазоном регулирования 0 до +20%

Практическая эксплуатация подтвердила, что система SVR надежно отслеживает изменения входного напряжения и поддерживает стабильное выходное напряжение, демонстрируя доказанную эффективность в снижении низкого напряжения.

3.2.4 Анализ выгод

По сравнению со строительством новой подстанции или заменой проводников, внедрение регулятора напряжения SVR значительно снижает капитальные затраты. Это не только повышает линейное напряжение до соответствия национальным стандартам, обеспечивая значительные социальные выгоды, но и при постоянной нагрузке снижает линейный ток за счет повышения напряжения, что приводит к снижению потерь в линии и достижению энергосбережения. Это повышает экономическую эффективность компании.

4. Заключение

Для сельских распределительных сетей в районах с ограниченным ростом будущей нагрузки — особенно там, где нет близлежащих источников питания, имеются длинные радиусы питания, высокие потери в линии, высокая загрузка и в ближайшее время не планируется строительство подстанций 35 кВ — использование автоматических регуляторов напряжения SVR представляет собой привлекательную альтернативу. Это позволяет отложить или исключить строительство подстанции 35 кВ, эффективно решая проблемы низкого качества напряжения и снижая потери энергии. Учитывая, что стоимость инвестиций составляет менее одной десятой стоимости новой подстанции 35 кВ, решение SVR обеспечивает значительные социальные и экономические выгоды и настоятельно рекомендуется для широкого применения в сельских электросетях.