Uporaba samodejnih regulatorjev napetosti SVR v prenosnih omrežjih na podeželju

1. Uvod

V zadnjih letih, s stabilnim in hitrim razvojem narodne gospodarstva, se je povpraševanje po električni energiji značilno povečalo. V električnih omrežjih na podeželju, zaradi nenehnega povečevanja obremenitve, skupaj z nerazumnim razporeditvijo lokalnih virov električne energije in omejenimi možnostmi regulacije napetosti v glavnem omrežju, je število daljnovzvratnih vodov na 10 kV - posebno v oddaljenih gorovilih ali regijah z šibkim omrežjem - preseglo nacionalne standarde glede polmera oskrbe. Tako je težko zagotoviti kakovost napetosti na koncu teh 10 kV vodov, koeficient moči ne ustreza zahtevam, prav tako pa so izgube v vodovodu visoke.

Zaradi omejitve, kot so omejeni finančni viri za gradnjo omrežja in posledice investicij, ni praktično reševati vseh problemov slabe kakovosti nizke napetosti na distribucijskih vodovih 10 kV samo z uporabo velikega števila visokonapetostnih distribucijskih podstanic ali z prekomerno razširjanjem omrežja. Spodaj predstavljen avtomatski regulator napetosti za 10 kV vode ponuja tehnično sprejemljivo rešitev za odpravo slabe kakovosti napetosti na dolgih distribucijskih vodovih z razširjenim polmerom oskrbe.

2. Delovanje regulatorja napetosti

Avtomatski regulator napetosti SVR (Step Voltage Regulator) se sestoji iz glavnega kruga in kontrolnika za reguliranje napetosti. Glavni krug vključuje trifazni samopreoblikovalnik in trifazni načrtovalec tapic (OLTC), kot je prikazano na Sliki 1.

Sistem navojnic regulatorja vključuje shunt navoj, serijni navoj in navoj za kontrolna napetost:

• Serijni navoj je večtapni navoj, ki je povezan med vhodom in izhodom preko različnih kontaktov načrtovalca tapic; neposredno regulira izhodno napetost.

• Shunt navoj služi kot skupna navojica samopreoblikovalnika, generira magnetno polje, potrebno za prenos energije.

• Navoj za kontrolna napetost, ki je ovit nad shunt navojem, deluje kot sekundarni del shunt navoja, da bi oskrboval kontrolnik in motor z delovno močjo, ter pružal napetostne signale za merjenje izhoda.

Princip delovanja je naslednji: Z pomočjo povezave tapic serijnega navoja na različne položaje načrtovalca tapic, se z nadzorovanim preklopom položajev tapic spremeni odnos števila zavojev med vhodnimi in izhodnimi navojnicami, s tem se prilagodi izhodna napetost. Glede na zahteve za uporabo, so načrtovalci tapic tipično opremljeni z 7 ali 9 položaji tapic, kar uporabnikom omogoča, da izberejo ustrezno konfiguracijo glede na dejanske potrebe za regulacijo napetosti.

Odnos števila zavojev med primarnimi in sekundarnimi navojnicami regulatorja je enak kot pri običajnem transformatorju, to je:

3. Primer Uporabe
3.1 Trenutno stanje voda

Določen distribucijski vod 10 kV ima glavni vod dolg 15,138 km, zgrajen z dvema vrstama vodnikov: LGJ-70 mm² in LGJ-50 mm². Skupna kapaciteta distribucijskih transformatorjev vzdolž voda je 7.260 kVA. V času vrhunske obremenitve pada napetost na strani 220 V distribucijskih transformatorjev v srednjih in končnih odsekih voda do 175 V.

Vodnik LGJ-70 ima upornost 0,458 Ω/km in reaktancno upornost 0,363 Ω/km. Torej, skupna upornost in reaktancna upornost od postaje do stolpa št. 97 na glavnem vodu je:
R = 0,458 × 6,437 = 2,95 Ω
X = 0,363 × 6,437 = 2,34 Ω

Na osnovi kapacitete distribucijskih transformatorjev in faktorja obremenitve vzdolž voda, se lahko padec napetosti od postaje do stolpa št. 97 na glavnem vodu izračuna kot

Uporabljeni simboli so definirani kot sledi:

• Δu — padec napetosti vzdolž voda (enota: kV)

• R — upornost voda (enota: Ω)

• X — reaktancna upornost voda (enota: Ω)

• r — upornost na enoto dolžine (enota: Ω/km)

• x — reaktancna upornost na enoto dolžine (enota: Ω/km)

• P — aktivna moč na vodu (enota: kW)

• Q — reaktivna moč na vodu (enota: kvar)

Tako je napetost na stolpu št. 97 na glavnem vodu le:
10,4 kV − 0,77 kV = 9,63 kV.

Podobno se lahko izračuna napetost na stolpu št. 178 kot 8,42 kV, napetost na koncu voda pa je 8,39 kV.

3.2 Predlagane rešitve

Za zagotavljanje kakovosti napetosti so glavne metode regulacije napetosti v srednje- in nizkonapetostnih distribucijskih omrežjih vključne:

• Gradnja nove 35 kV podstanice za skrajšanje polmera oskrbe z 10 kV.

• Zamenjava vodil z večjim prečnim prerezom za zmanjšanje obremenitve črte.

• Namestitev reaktivne odprave po črti – toda ta metoda je manj učinkovita za dolge črte z visokimi obremenitvami.

• Namestitev samodejnega regulatorja napetosti SVR, ki ponuja visoko stopnjo avtomatizacije, odlično reguliranje napetosti in prilagodljivo namestitev.

Spodaj so primerjane tri alternativne rešitve za izboljšanje kakovosti končne napetosti na 10 kV priključku "Fakuai".

3.2.1 Gradnja nove 35 kV podstanice

Pričakovani rezultat: Nova podstanica bi znatno skrajšala polmer oskrbe, povišala končno napetost in izboljšala splošno kakovost energije. Čeprav je ta rešitev zelo učinkovita, zahteva veliko naložbo.

3.2.2 Nadgradnja glavne 10 kV črte

Spreminjanje parametrov črte se glavno sestoji v povečanju prečnega prereza vodil. V območjih z redko naseljenostjo in majhnimi vodili prevladujejo upori pri strmljenju celotnega padca napetosti; tako zmanjšanje upora vodil prinaša opazno izboljšanje napetosti. S to nadgradnjo se lahko končna napetost poveča s 8,39 kV na 9,5 kV.

3.2.3 Namestitev samodejnega regulatorja napetosti SVR

En 10 kV samodejni regulator napetosti je nameščen za reševanje problemov z nizko napetostjo za stolpom št. 161.
Pričakovani rezultat: Končna napetost se lahko poveča s 8,39 kV na 10,3 kV.

Primerjalna analiza kaže, da je možnost 3 najbolj ekonomična in praktična.

Sistem samodejnega reguliranja napetosti SVR stabilizira izhodno napetost s spreminjanjem omotačnega razmerja trofaznega avotransformatorja, kar prinaša nekaj ključnih prednosti:

• Popolnoma avtomatsko, reguliranje napetosti pod obremenitvijo.

• Uporablja zvezdasto povezan trofazni avotransformator – kompakten in visoke kapacitete (≤2000 kVA), primern za namestitev med stolpi.

• Tipični obseg regulacije: −10% do +20%, zadosten za izpolnjevanje zahtev glede napetosti.

Na podlagi teoretičnih izračunov se priporoča namestiti en samodejni regulator napetosti SVR-5000/10-7 (0 do +20%) na glavno črto. Po namestitvi se bo napetost na stolpu št. 141 povečala na:

U₁₆₁ = U × (10/8) = 10,5 kV

kjer:

• U₁₆₁ = napetost na krajišču namestitve regulatorja po komisiji

• 10/8 = maksimalno omotačno razmerje regulatorja z obsegom prilagoditve 0 do +20%

Poleg operacije na terenu je bilo potrjeno, da sistem SVR zanesljivo sledi variacijam vhodne napetosti in vzdržuje stabilno izhodno napetost, kar kaže na dokazano učinkovitost pri zmanjševanju nizke napetosti.

3.2.4 Analiza koristi

V primerjavi z gradnjo nove podstanice ali zamenjavo vodil, namestitev regulatorja napetosti SVR značilno zniža kapitalske stroške. Ne le, da poviša napetost črte do državnih standardov – kar prinaša močne socialne koristi – ampak tudi, pri konstantni obremenitvi, zmanjša tok v črti z povišanjem napetosti, s tem pa zmanjša izgube v črti in doseže štednje energije. To izboljša gospodarsko učinkovitost elektrarne.

4. Zaključek

Za porazdelilne mreže na podeželju v območjih z omejenim prihodnjim rastom obremenitve – zlasti tistih, ki nimajo bližnjih virov energije, imajo dolg polmer oskrbe, visoke izgube v črti, visoko obremenitev in ni načrtov za gradnjo 35 kV podstanic v bližnji prihodnosti – uporaba samodejnega regulatorja napetosti SVR na črti ponuja prepričljivo alternativo. Omogoča odlog ali odpravo gradnje 35 kV podstanice, hkrati pa učinkovito rešuje nizko kakovost napetosti in zmanjšuje izgube energije. Glede na to, da so naložbeni stroški manjši od desetine stroškov nove 35 kV podstanice, rešitev SVR prinaša značilne socialne in gospodarske koristi in se toplo priporoča za široko uporabo v podeželskih električnih omrežjih.