Primena automatskih regulatora napona SVR u ruralnim distributivnim mrežama

1. Uvod

U poslednjih nekoliko godina, uz stabilan i brz razvoj nacionalne ekonomije, potražnja za električnom energijom je značajno porasla. U ruralnim mrežama, kontinuirani rast opterećenja, u kombinaciji sa iracionalnim raspodelom lokalnih izvora struje i ograničenim mogućnostima regulacije napona u glavnoj mreži, doveli su do toga da se broj dugačkih odvoznih linija na 10 kV, posebno u udaljenim planinskim područjima ili regionima sa slabo strukturiranim mrežama, premašio nacionalne standarde. Kao rezultat, kvalitet napona na kraju ovih 10 kV linija je teško osigurati, faktor moći ne ispunjava zahteve, a gubitci na linijama ostaju visoki.

Zbog ograničenja kao što su ograničeni fondovi za gradnju mreže i razmatranja o povratu investicija, nije praktično rešiti sve probleme niske kvalitete napona na 10 kV distributivnim odvoznim linijama samo kroz postavljanje velikog broja visokonaponskih distributivnih transformatora ili prekomerno proširenje mreže. Automatski regulator napona za 10 kV odvozne linije predstavljen ispod nudi tehnički izvedivo rešenje za rešavanje problema loše kvalitete napona na dalekovim distributivnim linijama sa proširenom opsežnošću snabdevanja.

2. Način rada regulatora napona

Automatski regulator napona SVR (Step Voltage Regulator) sastoji se od glavnog kruga i kontrolera za regulaciju napona. Glavni krug uključuje trofazni automatski transformator i trofazi promenljiv prekidnik pod opterećenjem (OLTC), kako je prikazano na Slici 1.

Sistem obmotnica regulatora uključuje paralelnu obmotnicu, serijalnu obmotnicu i upravljačku obmotnicu:

• Serijalna obmotnica je višestruka obmotnica spojena između ulaza i izlaza preko različitih kontakti promenljivog prekidnika; direktno reguliše izlazni napon.

• Paralelna obmotnica služi kao zajednička obmotnica automatskog transformatora, generišući magnetno polje neophodno za prenos energije.

• Upravljačka obmotnica, namotana preko paralelne obmotnice, deluje kao sekundarna obmotnica paralelne bobine kako bi pružila radnu snagu za kontroler i motor, kao i signale napona za merenje izlaza.

Način rada je sledeći: Spajanjem tapova serijalne obmotnice na različite pozicije promenljivog prekidnika pod opterećenjem, omjer zavojnica između ulazne i izlazne obmotnice se menja kroz kontrolisanu promenu pozicija tapova, time prilagođavajući izlazni napon. Zavisno od zahteva za primenu, promenljivi prekidnici pod opterećenjem su tipično konfigurisani sa 7 ili 9 pozicija tapova, omogućavajući korisnicima da izaberu odgovarajuću konfiguraciju na osnovu stvarnih potreba za regulacijom napona.

Omjer zavojnica između primarne i sekundarne obmotnice regulatora je u skladu sa onim kod konvencionalnog transformatora, tj.:

3. Primer primene
3.1 Trenutno stanje linije

Odredjena 10 kV distributivna linija ima dužinu glavnog odvoza od 15,138 km, konstruisanu sa dva tipa vodilaca: LGJ-70 mm² i LGJ-50 mm². Ukupna kapacitet distributivnih transformatora duž linije iznosi 7.260 kVA. Tokom vrhunskog opterećenja, napon na strani od 220 V distributivnih transformatora u srednjim i krajevnim delovima linije pada na najniže 175 V.

Vodilac LGJ-70 ima otpornost od 0,458 Ω/km i reaktancu od 0,363 Ω/km. Stoga, ukupna otpornost i reaktanca od pretvorbe do stuba #97 na glavnom odvozu iznose:
R = 0,458 × 6,437 = 2,95 Ω
X = 0,363 × 6,437 = 2,34 Ω

Na osnovu kapaciteta distributivnih transformatora i faktora opterećenja duž linije, pad napona od pretvorbe do stuba #97 na glavnom odvozu može se izračunati kao

Simboli koji se koriste definisani su kao sledi:

• Δu — pad napona duž linije (jedinica: kV)

• R — otpornost linije (jedinica: Ω)

• X — reaktanca linije (jedinica: Ω)

• r — otpornost po jedinici dužine (jedinica: Ω/km)

• x — reaktanca po jedinici dužine (jedinica: Ω/km)

• P — aktivna snaga na liniji (jedinica: kW)

• Q — reaktivna snaga na liniji (jedinica: kvar)

Stoga, napon na stubu #97 na glavnom odvozu iznosi samo:
10,4 kV − 0,77 kV = 9,63 kV.

Slično tome, napon na stubu #178 može se izračunati na 8,42 kV, a napon na kraju linije iznosi 8,39 kV.

3.2 Predložena rešenja

Da bi se osigurala kvaliteta napona, primarna metoda regulacije napona u srednjepresuskim i niskopresuskim distributivnim mrežama uključuje:

• Izgradnja nove 35 kV podstane kako bi se skratila radijus snabdevanja na 10 kV.

• Zamena vodilaca većim presekom kako bi se smanjilo opterećenje linije.

• Instalacija reaktivne kompenzacije na liniji – međutim, ovaj metod je manje efikasan za duge linije sa velikim opterećenjem.

• Instalacija automatskog regulatora napona SVR, koji nudi visoku automatizaciju, odličnu performansu regulacije napona i fleksibilnost u implementaciji.

Ispod su poređene tri alternative rešenja za poboljšanje kvaliteta napona na kraju linije 10 kV "Fakuai" isporuke.

3.2.1 Izgradnja nove 35 kV podstane

Očekivani rezultat: Nova podstana bi značajno skratila radijus snabdevanja, povećala napon na kraju linije i poboljšala ukupnu kvalitetu struje. Iako je ovo rešenje vrlo efikasno, zahteva značajan investicioni trošak.

3.2.2 Unapređenje glavne 10 kV isporuke

Izmena parametara linije uglavnom uključuje povećanje preseka vodilaca. Za oblasti sa niskom gustinom stanovništva i malim vodilcima, gubitci na otporu dominiraju ukupnom padu napona; stoga, smanjenje otpora vodilaca pruža zapažljivo poboljšanje napona. Ovim unapređenjem, napon na kraju linije može biti povećan sa 8.39 kV na 9.5 kV.

3.2.3 Instalacija automatskog regulatora napona SVR

Instaliran je jedan 10 kV automatski regulator napona kako bi se rešili problemi niskog napona ispod stuba #161.
Očekivani rezultat: Napon na kraju linije može biti povećan sa 8.39 kV na 10.3 kV.

Komparativna analiza pokazuje da je opcija 3 najekonomičnija i najpraktičnija.

Sistem automatske regulacije napona SVR stabilizuje izlazni napon prilagođavanjem omotačnog odnosa tri-faznog autotransformatora, pružajući nekoliko ključnih prednosti:

• Potpuno automatska, regulacija napona pod opterećenjem.

• Koristi tri-fazni autotransformator sa zvezdastim spojem – kompaktnih dimenzija i visok kapacitet (≤2000 kVA), pogodan za instalaciju između stubova.

• Tipični opseg regulacije: −10% do +20%, dovoljan da zadovolji zahteve za naponom.

Na osnovu teorijskih izračunavanja, preporučuje se instalirati jedan automatski regulator napona SVR-5000/10-7 (0 do +20%) na glavnu isporuku. Nakon instalacije, napon na stubu #141 može biti povećan na:

U₁₆₁ = U × (10/8) = 10.5 kV

gde:

• U₁₆₁ = napon na tački instalacije regulatora nakon komisije

• 10/8 = maksimalni omotačni odnos regulatora sa opsegom prilagođavanja 0 do +20%

Terenska operacija je potvrdila da sistem SVR pouzdano prati promene ulaznog napona i održava stabilan izlazni napon, dokazivši svoju efikasnost u smanjenju niskog napona.

3.2.4 Analiza prednosti

U poređenju sa izgradnjom nove podstane ili zamenoj vodilaca, implementacija regulatora napona SVR značajno smanjuje kapitalne troškove. Ne samo da povišava napon na liniji do nacionalnih standarda – dostizajući značajne društvene prednosti, nego i, uz konstantno opterećenje, smanjuje struju na liniji povećanjem napona, time smanjujući gubitke na liniji i ostvarujući štednju energije. To unapređuje ekonomsku efikasnost električne kompanije.

4. Zaključak

Za ruralne distributivne mreže u oblastima sa ograničenim budućim rastom opterećenja – posebno one koje nemaju blizu izvore struje, imaju daleke radijuse snabdevanja, visoke gubitke na liniji, veliko opterećenje i nema planirane 35 kV podstane u bliskoj budućnosti – upotreba automatskih regulatora napona SVR predstavlja privlačnu alternativu. Omogućava odgađanje ili eliminaciju izgradnje 35 kV podstane, dok istovremeno efikasno rešava probleme niske kvalitete napona i smanjuje gubitke energije. S obzirom da je investicioni trošak manji od desetine cene nove 35 kV podstane, rešenje SVR pruža značajne društvene i ekonomske prednosti i preporučuje se za široku primenu u ruralnim električnim mrežama.