Застосування автоматичних регуляторів напруги SVR у сільських розподільчих мережах

1. Вступ

Останнім часом, з постійним і швидким розвитком національної економіки, попит на електроенергію значно зрос. У сільських електромережах, неприпинний зростання завантаження, поєднаний з нерівномірним розподілом місцевих джерел енергії та обмеженими можливостями регулювання напруги в основній мережі, призвів до появи значної кількості довгих ліній 10 кВ — особливо у віддалених гірських районах або областях з слабкою структурою мережі — чий радіус надання послуг перевищує національні стандарти. Наслідком цього є те, що якість напруги на кінці цих ліній 10 кВ важко забезпечити, коефіцієнт потужності не відповідає вимогам, а втрати в лініях залишаються високими.

Завдяки обмеженням, таким як обмежені фінансові ресурси для будівництва мережі та врахування повернення інвестицій, неможливо вирішити всі проблеми з низькою якістю напруги на лініях 10 кВ лише за допомогою розміщення багатьох підвищувальних підстанцій або надмірного розширення мережі. Автоматичний регулятор напруги для ліній 10 кВ, описаний нижче, пропонує технічно реалізований спосіб вирішення проблем з поганою якістю напруги на довгих лініях розподілу з розширеним радіусом надання послуг.

2. Принцип роботи регулятора напруги

Автоматичний регулятор напруги SVR (Step Voltage Regulator) складається з головного контуру та контролера регулювання напруги. Головний контур включає трифазний автотрансформатор та трифазний переключник живлення (OLTC), як показано на малюнку 1.

Система обмоток регулятора включає паралельну обмотку, серійну обмотку та обмотку керування напругою:

• Серійна обмотка — це багатовиткова катушка, з'єднана між входом і виходом через різні контакти переключника; вона безпосередньо регулює вихідну напругу.

• Паралельна обмотка служить загальною обмоткою автотрансформатора, створюючи магнітне поле, необхідне для передачі енергії.

• Обмотка керування напругою, намотана поверх паралельної обмотки, виступає як вторина паралельної катушки, щоб забезпечити операційну енергію для контролера та двигуна, а також надати сигнал напруги для вимірювання виходу.

Принцип роботи наступний: шляхом з'єднання вузлів серійної обмотки з різними позиціями переключника живлення, відношення кількості витків між вхідними та вихідними обмотками змінюється через кероване переключення позицій вузлів, отже, регулюється вихідна напруга. Залежно від потреб застосування, переключники живлення зазвичай мають 7 або 9 позицій, що дозволяє користувачам вибирати відповідну конфігурацію згідно з фактичними потребами регулювання напруги.

Відношення кількості витків між первинною та вториною обмотками регулятора відповідає відношенню у звичайному трансформаторі, тобто:

3. Приклад застосування
3.1 Поточні умови лінії

На певній лінії розподілу 10 кВ довжина основного питаючого проводу становить 15,138 км, побудована з двох типів провідників: LGJ-70 мм² та LGJ-50 мм². Загальна потужність розподільних трансформаторів вздовж лінії становить 7 260 кВА. Під час пікових завантажень напруга на стороні 220 В розподільних трансформаторів у середніх та кінцевих секціях лінії падає до 175 В.

Провідник LGJ-70 має опір 0,458 Ом/км та реактивне опір 0,363 Ом/км. Тому загальний опір та реактивне опір від підстанції до стовпа №97 основного питаючого проводу становлять:
R = 0,458 × 6,437 = 2,95 Ом
X = 0,363 × 6,437 = 2,34 Ом

На основі потужності розподільних трансформаторів та коефіцієнту завантаження вздовж лінії, можна обчислити спад напруги від підстанції до стовпа №97 основного питаючого проводу

Використані символи визначаються наступним чином:

• Δu — спад напруги вздовж лінії (одиниця: кВ)

• R — опір лінії (одиниця: Ом)

• X — реактивне опір лінії (одиниця: Ом)

• r — опір на одиницю довжини (одиниця: Ом/км)

• x — реактивне опір на одиницю довжини (одиниця: Ом/км)

• P — активна потужність на лінії (одиниця: кВт)

• Q — реактивна потужність на лінії (одиниця: квар)

Таким чином, напруга на стовпі №97 основного питаючого проводу становить лише:
10,4 кВ − 0,77 кВ = 9,63 кВ.

Аналогічно, напруга на стовпі №178 може бути обчислена як 8,42 кВ, а напруга на кінці лінії становить 8,39 кВ.

3.2 Запропоновані рішення

Для забезпечення якості напруги, основні методи регулювання напруги у середньо- та низьковольтних мережах розподілу включають:

• Будівництво нової підстанції 35 кВ для скорочення радіусу живлення 10 кВ.

• Заміна провідників на провідники з більшою площою перерізу для зменшення навантаження ліній.

• Встановлення компенсації реактивної потужності на лінії — проте цей метод менш ефективний для довгих ліній з важким навантаженням.

• Встановлення автоматичного регулятора напруги SVR, який пропонує високий рівень автоматизації, відмінну продуктивність регулювання напруги та гнучке розташування.

Нижче порівнюються три альтернативні рішення для покращення якості напруги на кінцевому вузлі лінії живлення 10 кВ "Fakuai".

3.2.1 Будівництво нової підстанції 35 кВ

Очікуваний результат: нова підстанція значно скоротить радіус живлення, підвищить напругу на кінцевому вузлі та покращить загальну якість електроенергії. Хоча це дуже ефективне рішення, воно потребує значних інвестицій.

3.2.2 Модернізація головної лінії 10 кВ

Модифікація параметрів лінії в основному полягає у збільшенні площі перерізу провідників. Для рідкопаселених районів з провідниками малої площі перерізу втрати на опорах домінують над загальними втратами напруги; отже, зменшення опорного супротивлення провідників дає помітне покращення напруги. З цією модернізацією напруга на кінцевому вузлі може бути підвищена з 8,39 кВ до 9,5 кВ.

3.2.3 Встановлення автоматичного регулятора напруги SVR

Установлено один автоматичний регулятор напруги 10 кВ для вирішення проблем з низькою напругою після опори №161.
Очікуваний результат: напруга на кінцевому вузлі може бути підвищена з 8,39 кВ до 10,3 кВ.

Порівняльний аналіз показує, що Варіант 3 є найекономічнішим та практичним.

Система автоматичного регулювання напруги SVR стабілізує вихідну напругу шляхом регулювання коефіцієнта обмоток трифазного автотрансформатора, запропоновуючи кілька ключових переваг:

• Повністю автоматичне регулювання напруги під завантаженням.

• Використовує трифазний автотрансформатор з зірковим з'єднанням — компактні розміри та висока потужність (≤2000 кВА), придатний для монтажу між опорами.

• Типовий діапазон регулювання: −10% до +20%, достатній для задоволення вимог до напруги.

На основі теоретичних розрахунків рекомендується встановити один автоматичний регулятор напруги SVR-5000/10-7 (0 до +20%) на головній лінії. Після встановлення напруга на опорі №141 може бути підвищена до:

U₁₆₁ = U × (10/8) = 10,5 кВ

де:

• U₁₆₁ = напруга в точці встановлення регулятора після його введення в експлуатацію

• 10/8 = максимальний коефіцієнт обмоток регулятора з діапазоном регулювання 0 до +20%

Польові операції підтвердили, що система SVR надійно відстежує зміни вхідної напруги та зберігає стабільну вихідну напругу, демонструючи доведену ефективність у вирішенні проблем з низькою напругою.

3.2.4 Аналіз переваг

Порівняно з будівництвом нової підстанції або заміною провідників, впровадження автоматичного регулятора напруги SVR значно зменшує капіталовкладення. Це не тільки підвищує напругу на лінії до відповідності національним стандартам — забезпечуючи значні соціальні переваги, але також, при постійному навантаженні, зменшує струм на лінії за рахунок підвищення напруги, що призводить до зниження втрат на лініях та економії енергії. Це підвищує економічну ефективність енергетичної компанії.

4. Висновок

Для сільських розподільчих мереж у районах з обмеженим майбутнім зростанням навантаження, особливо тих, де немає поблизу джерел енергії, довгий радіус живлення, великі втрати на лініях, важке навантаження, та немає планів будівництва нових підстанцій 35 кВ на короткострокову перспективу, використання автоматичних регуляторів напруги SVR на лініях живлення пропонує привабливу альтернативу. Це дозволяє відкласти або уникнути будівництва підстанцій 35 кВ, ефективно вирішуючи проблеми з низькою якістю напруги та зниженням енергетичних втрат. враховуючи, що вартість інвестицій становить менше десятої частини від вартості нової підстанції 35 кВ, рішення SVR забезпечує значні соціальні та економічні переваги та є рекомендованим для широкого впровадження в сільських енергомережах.