Ứng dụng của Bộ Điều Chỉnh Điện Áp Tự Động SVR trong Mạng Phân phối Nông thôn

1. Giới thiệu

Trong những năm gần đây, với sự phát triển ổn định và nhanh chóng của nền kinh tế quốc gia, nhu cầu về điện đã tăng đáng kể. Trong lưới điện nông thôn, tải liên tục tăng, kết hợp với việc phân bố nguồn điện địa phương không hợp lý và khả năng điều chỉnh điện áp trong lưới chính bị hạn chế, đã dẫn đến một số lượng đáng kể các đường dây cấp điện 10 kV dài - đặc biệt là ở các vùng núi xa xôi hoặc khu vực có cấu trúc lưới yếu - mà bán kính cung cấp vượt quá tiêu chuẩn quốc gia. Do đó, chất lượng điện áp ở cuối các đường dây 10 kV này khó đảm bảo, hệ số công suất không đạt yêu cầu và tổn thất điện năng vẫn cao.

Do hạn chế về vốn xây dựng lưới điện và cân nhắc về lợi nhuận đầu tư, việc giải quyết tất cả các vấn đề về chất lượng điện áp thấp trên các đường dây phân phối 10 kV chỉ bằng cách triển khai nhiều trạm phân phối điện áp cao hoặc kéo dài lưới điện quá mức là không thực tế. Bộ điều chỉnh điện áp tự động 10 kV được giới thiệu dưới đây cung cấp một giải pháp kỹ thuật khả thi để giải quyết vấn đề chất lượng điện áp kém trên các đường dây phân phối dài có bán kính cung cấp mở rộng.

2. Nguyên lý hoạt động của bộ điều chỉnh điện áp

Bộ điều chỉnh điện áp tự động SVR (Step Voltage Regulator) bao gồm mạch chính và bộ điều khiển điều chỉnh điện áp. Mạch chính bao gồm biến áp tự kích ba pha và bộ chuyển đổi tap có tải (OLTC) ba pha, như được minh họa trong Hình 1.

Hệ thống cuộn dây điều chỉnh bao gồm cuộn dây song song, cuộn dây nối tiếp và cuộn dây điện áp điều khiển:

• Cuộn dây nối tiếp là cuộn dây nhiều tap được kết nối giữa đầu vào và đầu ra qua các tiếp điểm khác nhau của bộ chuyển đổi tap; nó trực tiếp điều chỉnh điện áp đầu ra.

• Cuộn dây song song đóng vai trò là cuộn dây chung của biến áp tự kích, tạo ra từ trường cần thiết cho việc truyền năng lượng.

• Cuộn dây điện áp điều khiển, được quấn trên cuộn dây song song, đóng vai trò là cuộn thứ cấp của cuộn dây song song để cung cấp điện vận hành cho bộ điều khiển và động cơ, cũng như cung cấp tín hiệu điện áp cho đo lường đầu ra.

Nguyên lý hoạt động như sau: Bằng cách kết nối các tap của cuộn dây nối tiếp với các vị trí khác nhau của bộ chuyển đổi tap, tỷ lệ vòng giữa cuộn dây đầu vào và đầu ra được thay đổi thông qua việc chuyển đổi vị trí tap được kiểm soát, do đó điều chỉnh điện áp đầu ra. Tùy theo yêu cầu ứng dụng, bộ chuyển đổi tap thường được cấu hình với 7 hoặc 9 vị trí tap, cho phép người dùng chọn cấu hình phù hợp dựa trên nhu cầu điều chỉnh điện áp thực tế.

Tỷ lệ vòng giữa cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của bộ điều chỉnh nhất quán với tỷ lệ của biến áp thông thường, tức là:

3. Ví dụ ứng dụng
3.1 Điều kiện hiện tại của đường dây

Một đường dây phân phối 10 kV có chiều dài đường dây chính là 15,138 km, được xây dựng với hai loại dây dẫn: LGJ-70 mm² và LGJ-50 mm². Tổng công suất của các biến áp phân phối dọc theo đường dây là 7.260 kVA. Trong thời gian tải đỉnh, điện áp bên 220 V của các biến áp phân phối ở phần giữa và cuối đường dây giảm xuống còn 175 V.

Dây dẫn LGJ-70 có điện trở là 0,458 Ω/km và độ phản kháng là 0,363 Ω/km. Do đó, tổng điện trở và độ phản kháng từ trạm biến áp đến cột số 97 trên đường dây chính là:
R = 0,458 × 6,437 = 2,95 Ω
X = 0,363 × 6,437 = 2,34 Ω

Dựa trên công suất của biến áp phân phối và hệ số tải dọc theo đường dây, sụt áp từ trạm biến áp đến cột số 97 trên đường dây chính có thể được tính toán như sau

Các ký hiệu được định nghĩa như sau:

• Δu — sụt áp dọc theo đường dây (đơn vị: kV)

• R — điện trở đường dây (đơn vị: Ω)

• X — độ phản kháng đường dây (đơn vị: Ω)

• r — điện trở trên đơn vị chiều dài (đơn vị: Ω/km)

• x — độ phản kháng trên đơn vị chiều dài (đơn vị: Ω/km)

• P — công suất hữu ích trên đường dây (đơn vị: kW)

• Q — công suất phản kháng trên đường dây (đơn vị: kvar)

Vì vậy, điện áp tại cột số 97 trên đường dây chính chỉ là:
10,4 kV − 0,77 kV = 9,63 kV.

Tương tự, điện áp tại cột số 178 có thể được tính toán là 8,42 kV, và điện áp tại cuối đường dây là 8,39 kV.

3.2 Giải pháp đề xuất

Để đảm bảo chất lượng điện áp, các phương pháp điều chỉnh điện áp chính trong lưới phân phối trung và hạ áp bao gồm:

• Xây dựng một trạm biến áp 35 kV mới để rút ngắn bán kính cung cấp 10 kV.

• Thay thế dây dẫn bằng dây có diện tích tiết diện lớn hơn để giảm tải đường dây.

• Lắp đặt bù công suất phản kháng dựa trên đường dây—tuy nhiên, phương pháp này ít hiệu quả đối với các đường dây dài và tải nặng.

• Lắp đặt bộ điều chỉnh điện áp tự động nguồn cấp SVR, cung cấp mức tự động hóa cao, hiệu suất điều chỉnh điện áp tốt và triển khai linh hoạt.

Dưới đây, ba giải pháp thay thế để cải thiện chất lượng điện áp cuối đường dây trên nguồn cấp 10 kV "Fakuai" được so sánh.

3.2.1 Xây dựng Trạm Biến Áp 35 kV Mới

Kết quả mong đợi: Một trạm biến áp mới sẽ rút ngắn đáng kể bán kính cung cấp, nâng cao điện áp cuối đường dây và cải thiện chất lượng điện tổng thể. Mặc dù rất hiệu quả, giải pháp này đòi hỏi đầu tư lớn.

3.2.2 Cải tạo Nguồn Cấp Chính 10 kV

Sửa đổi thông số đường dây chủ yếu liên quan đến việc tăng tiết diện dây dẫn. Đối với các khu vực dân cư thưa thớt với đường dây tiết diện nhỏ, tổn thất do điện trở chiếm ưu thế trong tổng độ sụt điện áp; do đó, giảm điện trở dây dẫn mang lại sự cải thiện đáng kể về điện áp. Với nâng cấp này, điện áp cuối đường dây có thể được nâng từ 8,39 kV lên 9,5 kV.

3.2.3 Lắp Đặt Bộ Điều Chỉnh Điện Áp Tự Động Nguồn Cấp SVR

Một bộ điều chỉnh điện áp tự động 10 kV được lắp đặt để giải quyết vấn đề điện áp thấp ở phía sau cột số 161.
Kết quả mong đợi: Điện áp cuối đường dây có thể được tăng từ 8,39 kV lên 10,3 kV.

Phân tích so sánh cho thấy Tùy chọn 3 là giải pháp kinh tế và thực tế nhất.

Hệ thống điều chỉnh điện áp tự động nguồn cấp SVR ổn định điện áp đầu ra bằng cách điều chỉnh tỷ lệ vòng cuộn của máy biến áp tự động ba pha, mang lại nhiều lợi ích chính:

• Điều chỉnh điện áp tự động hoàn toàn, dưới tải.

• Sử dụng máy biến áp tự động ba pha kết nối sao—kích thước nhỏ gọn và dung lượng lớn (≤2000 kVA), phù hợp để lắp đặt giữa các cột.

• Phạm vi điều chỉnh tiêu chuẩn: −10% đến +20%, đủ để đáp ứng yêu cầu điện áp.

Dựa trên các tính toán lý thuyết, đề xuất lắp đặt một bộ điều chỉnh điện áp tự động SVR-5000/10-7 (0 đến +20%) trên nguồn cấp chính. Sau khi lắp đặt, điện áp tại cột số 141 có thể được nâng lên:

U₁₆₁ = U × (10/8) = 10,5 kV

trong đó:

• U₁₆₁ = điện áp tại điểm lắp đặt bộ điều chỉnh sau khi đưa vào sử dụng

• 10/8 = tỷ lệ vòng cuộn tối đa của bộ điều chỉnh có phạm vi điều chỉnh 0 đến +20%

Hoạt động thực tế đã xác nhận rằng hệ thống SVR theo dõi đáng tin cậy các biến đổi điện áp đầu vào và duy trì điện áp đầu ra ổn định, chứng tỏ hiệu quả rõ rệt trong việc giảm điện áp thấp.

3.2.4 Phân Tích Lợi Ích

So với việc xây dựng một trạm biến áp mới hoặc thay thế dây dẫn, việc triển khai bộ điều chỉnh điện áp SVR giảm đáng kể chi phí vốn. Nó không chỉ nâng cao điện áp đường dây để đáp ứng tiêu chuẩn quốc gia—mang lại lợi ích xã hội mạnh mẽ—mà còn, dưới điều kiện tải không đổi, giảm dòng điện đường dây bằng cách nâng cao điện áp, do đó giảm tổn thất đường dây và tiết kiệm năng lượng. Điều này nâng cao hiệu quả kinh tế của công ty điện lực.

4. Kết Luận

Đối với mạng phân phối nông thôn ở các khu vực có tiềm năng tăng trưởng tải hạn chế—đặc biệt là những khu vực thiếu nguồn điện gần, có bán kính cung cấp dài, tổn thất đường dây cao, tải nặng và không có kế hoạch xây dựng trạm biến áp 35 kV trong thời gian tới—việc sử dụng bộ điều chỉnh điện áp tự động nguồn cấp SVR là một lựa chọn hấp dẫn. Nó cho phép hoãn hoặc loại bỏ việc xây dựng trạm biến áp 35 kV trong khi giải quyết hiệu quả vấn đề chất lượng điện áp thấp và giảm tổn thất năng lượng. Với chi phí đầu tư ít hơn một phần mười so với một trạm biến áp 35 kV mới, giải pháp SVR mang lại lợi ích xã hội và kinh tế đáng kể và được khuyến nghị nên được áp dụng rộng rãi trong lưới điện nông thôn.