Каковы аспекты проектирования и применения автоматического регулятора напряжения для 10 кВ линии электропередачи

После проекта реконструкции сельской электрической сети распределительная сеть в сельской местности значительно улучшилась. Однако из-за ограничений, таких как рельеф, ландшафт и масштаб инвестиций, планировка не является оптимальной. В результате радиус питания некоторых 10 кВ линий передачи превышает разумный диапазон. С изменением сезонов и времени суток возникают значительные колебания напряжения, что приводит к проблемам, таким как недостаточное качество электроэнергии и относительно высокие потери на линиях, что серьезно влияет на жизнь и производство сельских жителей. Таким образом, в данной статье разработан новый тип устройства регулирования напряжения: автоматический регулятор напряжения на фидере.

1 Принцип работы регулятора напряжения

Автоматический регулятор напряжения - это устройство, которое автоматически отслеживает изменения входного напряжения для обеспечения стабильного выходного напряжения. Он может быть широко использован в системах питания 6 кВ, 10 кВ и 35 кВ, и может автоматически регулировать входное напряжение в пределах 20% диапазона. Установка устройства на расстоянии 1/2 или 2/3 от начала линии может обеспечить качество напряжения на линии.

Для подстанций, где основной трансформатор не имеет возможности регулирования напряжения под нагрузкой, автоматический регулятор напряжения также можно установить на стороне исходящих линий основного трансформатора подстанции для достижения регулирования напряжения под нагрузкой. На вторичной стороне трансформатора есть несколько выводов. Используя микроконтроллер для управления включением и выключением тиристоров, обеспечиваются различные уровни регулирования напряжения, тем самым достигается цель регулирования напряжения на фидере.

2 Установка рабочего напряжения переключения регулятора напряжения

Регулятор напряжения на фидере может переключать выводы в зависимости от различных условий нагрузки и изменять коэффициент трансформации в соответствии с напряжением на линии для достижения регулирования напряжения. Он имеет 7 выводов и диапазон регулирования напряжения 30%, что позволяет хорошо удовлетворять требованиям регулирования напряжения в сельской местности.

2.1 Принцип установки рабочего напряжения переключения регулятора напряжения

Из-за колебаний нагрузки напряжение на конце линии будет меняться. Для различных падений напряжения необходимо корректировать настройки выводов регулятора напряжения. Рисунок 1 показывает типичную сельскую сеть передачи электроэнергии. Здесь длина линии установлена как L км, а мощность на конце линии установлена как S = P + jQ МВА.

Требования к переключению передач: обеспечить, чтобы напряжение на конце линии изменялось в пределах 7% диапазона; обычно запрещено пропускать ступени; количество переключений должно быть минимальным.

Предположим, что коэффициент трансформации равен K, напряжение в начале линии U₀, напряжение на конце линии U₁, входное напряжение регулятора напряжения U_in, а выходное напряжение U_out, при этом U_out = KU_in.

Согласно модели, выполняется следующее уравнение: U₁ = U_out - ΔU₁. Где ΔU₁ - падение напряжения от точки установки регулятора напряжения до конца линии, а x - расстояние от точки установки регулятора напряжения до начала линии. Следовательно:

(U₀ - U_in) - падение напряжения от начала линии до точки установки. α = U₀/U_out - соотношение уровня напряжения на линии до и после точки установки регулятора напряжения. Пусть (L - x)/x = K₁, подставляя его, получаем:

Среди них, напряжение U₁ на конце линии должно удовлетворять ограничительному условию 9.7 < U₁ < 10.7. Подставляя его в вышеуказанную формулу, можно получить диапазон U_in при известном K. Однако, очевидно, из-за наличия U₀/U_out, необходимо решить квадратное уравнение с одной переменной, и возникнет проблема ложных корней. В статье это уравнение упрощается.

Для анализа α = U₀/U_out, U_out и U₁ имеют одинаковую тенденцию увеличения или уменьшения. U₀ - постоянная величина, поэтому α = U₀/U_out обратно пропорциональна U₁. Также можно проанализировать, что при U₁ = 9.3, α ≈ 1; и при U₁ = 10.7, α немного меньше 1. Поэтому ограничительное уравнение можно записать как:

То есть:

2.2 Пример настройки

Как видно из формулы (5), фактически, настройка переключения передач связана только с входным напряжением U_in регулятора напряжения и отношением K_t расстояния от точки установки регулятора напряжения к длине линии. Нет необходимости измерять фактическую нагрузку на конце линии, что значительно упрощает сложность реального инженерного процесса.

Возьмем в качестве примера конкретную линию передачи. Используем все ту же модель, показанную на рисунке 1. Длина линии передачи составляет 20 км. Регулятор напряжения обычно устанавливается посередине линии. Здесь расстояние от начала линии принимается как x = 9 км, а K_t = 11/9. Подставляем в формулу (5) и получаем:

Для каждого положения передачи диапазон входного напряжения, удовлетворяющий требованиям качества электроэнергии на конце, имеет верхний и нижний пределы, которые являются рабочими напряжениями (напряжениями переключения) для этой передачи. Каждая передача имеет свое соответствующее рабочее напряжение, и эта зависимость может быть более наглядно представлена на числовой оси.

Передача 1 остается неиспользованной, так как при нормальных условиях входное напряжение не превысит верхний предел этой передачи. Передача 1 может использоваться в специальных условиях эксплуатации, таких как аварийная работа при однофазном заземлении. Ниже описаны условия переключения, когда передача достигает рабочего напряжения:

Следует отметить, что при понижении передачи с 4-й передачи она сразу переключается на 2-ю передачу. Это связано с тем, что нижние пределы действий 3-й и 4-й передач близки друг к другу. Если напряжение изменяется значительно, после понижения с 4-й на 3-ю передачу, может потребоваться немедленное переключение на 2-ю передачу, что увеличивает количество действий. Поэтому, чтобы снизить количество действий, допускается переключение через передачи.

3 Проектирование контроллера переключения передач

В настоящее время широко применяется метод переключения передач с помощью двигателя, который приводит в движение контактный нож переключателя передач. Однако вопрос, как обеспечить быстрое и точное вращение двигателя, всегда был проблемой. Для достижения лучшего контроля в данной статье используется система управления тиристорами.

3.1 Принцип управления тиристорами

Тиристоры могут использоваться для управления высокомощными цепями с помощью слабых токов. Автоматический регулятор напряжения на фидере использует 7 пар двунаправленных тиристоров для управления передачами, как показано на рисунке 2. Каждая пара тиристоров подключена к различным обмоткам трансформатора, что соответствует различным коэффициентам трансформации.

3.2 Проектирование контроллера переключения передач на основе однокристального микроконтроллера

Управление двунаправленными тиристорами требует только напряжения от TTL-схем, и они могут быть напрямую подключены к выходному порту однокристального микроконтроллера. Чтобы сэкономить выходные порты, используются только 3 порта, и подключается внешний 3-в-8 декодер для управления 7-ю передачами, как показано на рисунке 3.

4 Проектирование интеллектуальной системы управления

Для регулятора напряжения с микросхемой управления наличие только функции автоматического регулирования напряжения недостаточно, и это не позволяет полностью использовать возможности однокристального микроконтроллера. Полная система управления, как показано на рисунке 4, также включает ввод с клавиатуры, дисплейную схему, беспроводную связь, внешний часовой генератор, внешнее хранилище и защиту от отказов.

Ввод с клавиатуры позволяет корректировать программу, беспроводная связь позволяет в реальном времени мониторить работу регулятора напряжения. Внешний часовой генератор обеспечивает запись времени при отключении питания однокристального микроконтроллера. Внешнее хранилище безопасно сохраняет огромные объемы данных о работе системы для будущих исследований. Защита от отказов позволяет однокристальному микроконтроллеру переходить в специальный режим работы при аномальных условиях, чтобы выполнять задачи передачи электроэнергии, защищать его от повреждений при отказах и взаимодействовать с устройствами релейной защиты для защиты линий передачи.

5 Заключение

Построив модель линии передачи и проведя расчеты потока нагрузки, были определены правила настройки рабочего напряжения переключения передач регулятора напряжения. Для управления выводами трансформатора традиционный механический контроль заменен более удобным и быстрым управлением тиристорами, которое характеризуется простым дизайном и хорошим эффектом управления. Автоматический регулятор напряжения на фидере имеет широкий диапазон регулирования напряжения, что эффективно обеспечивает качество напряжения на линиях передачи.