Qibılləli DC elektrik daşıma sistemləri üçün Direktsiyanal Süperlaşdırılmış Sərbəst Akım Məhdudlaşdırıcıları üçün Ən Yaxşı Direktsiya Seçimi Haqqında İncəsənət

1 Rezistiv superkonduktorlu xəta cərəyan məhdudiyyətçisi

1.1 İşləmə prinsipi

Elektrik şəbəkələrin ölçüsü genişləndikcə, daxili elektrik sistemlərinin qısa mərhələ kapasitəsi tez-tez artmaqdadır, bu da şəbəkə inşaatına və idarə edilməsinə böyük çətinliklər yaratır. Qısa mərhələ cərəyanlarının aşırı olmasına qarşı mübarizə üçün süperkonduktivlik prinsiplərinə əsaslanan süperkonduktorlu xəta cərəyan məhdudiyyətçiləri (SFCL) artan diqqətə məruz qalırlar. Süperkonduktorun yüksək rezistanslı halda keçid etdiyi zaman təhlükəsizlik xüsusiyyətlərinə görə, SFCL-lər rezistiv və induktiv növlərə bölünə bilər.

Bu növlərdən biri olan rezistiv süperkonduktorlu xəta cərəyan məhdudiyyətçisi sadə struktura, kompakt ölçülər və hafif ağırlıqla, açıq işləmə prinsipi ilə məşhurdur. Bu cihaz yüksək rezistanslı halda keçid etdikdə, onun cərəyan məhdudlaşdırma impedansı səciyyələ artır, bu da güclü xəta cərəyanının məhdudlaşdırılması imkanı verir. Əlavə olaraq, süperkonduktorların ard arda və ya paralel qoşulması vasitəsiylə cihaz kapasitəsi fleksiblə şəkildə tənzimlənə bilər. Son illərdə oda temperaturunda süperkonduktor materiallarında baş verən proqres, akademik və təşkilat dünyasında rezistiv SFCL-lərin gələcəkdəki inkişafın əsas istiqaməti kimi geniş şəkildə tanınılmalarına səbep oldu.

Kritik cərəyan, kritik maqnit sahə və kritik temperatur süperkonduktorun süperkonduktiv vəziyyətdə olub-olmadığını müəyyənləşdirən əsas fiziki parametrlərdir. Bu parametrlərdən biri özü kritik dəyərini keçəndə, süperkonduktor süperkonduktiv vəziyyətdən quenching vəziyyətinə keçir. Quenching prosesi iki mərhələdən ibarətdir: ilk olaraq, maqnit potok hali, sonra isə normal rezistiv haldır. Süperkonduktorun içindən keçən cərəyan yoğunluğu onun kritik cərəyan yoğunluğunu aşdıqda, süperkonduktor maqnit potok halına keçir.

Burada: E - elektrik sahə gücü; EC - kritik elektrik sahə gücü; J - cərəyan yoğunluğu; JCT - kritik cərəyan yoğunluğu; α - sabit; Tt1 və Tt2 - t1 və t2 vaxtlarında süperkonduktorun temperaturları; QRS - t1-dən t2-yə kimi Rs rezistansi tərəfindən yaradılan isti; QC - t1 və t2 vaxtları arasındakı müddətdə süperkonduktor və onun ətraf mühit arasında mübadilə edilən isti; Cm - süperkonduktorun xüsusi isti kapasiteti; JCT(77) - 77 K (77 K - azot nətri mühitinin temperaturu) temperaturunda kritik cərəyan yoğunluğu; TC - kritik temperatur; T - süperkonduktorun temperaturu.

Bərabərlik (1)-ə görə, cərəyan yoğunluğu J artırıldığında, süperkonduktorun elektrik sahə gücü E sürətli şəkildə artır, bu da onun rezistansının artırılmasına səbəb olur. Artan rezistans isti effektini artırır və bərabərlik (2)-də göstərilən kimi, süperkonduktorun temperaturu uyğun olaraq artır.

Bərabərlik (3)-dən bilinir ki, temperaturun artması kritik cərəyan yoğunluğunu azaltır, bu da elektrik sahə gücünü daha da artırır və süperkonduktorun rezistansını davamlı şəkildə artırır. Rezistans artdıqca, süperkonduktor tərəfindən yaradılan isti onun ətraf mühitə yayılan isti ilə tənzimlənir və temperatur sabitləşir, son olaraq sabit rezistanslı normal hal alır.

1.2 R-SFCL-nin Qonşu DC Sistemlərdə Tətbiqi

Qonşu DC elektrik nəql sisteminə, DC cərəyanında natural sıfır kəsişməsi yoxdur. Qısa mərhələ xətası baş verəndə, xəta cərəyanı sürətli şəkildə artır, bu da sistemdəki elektrik cihazlarına ciddi təhrik olur. Sistem təhlükəsizliyini təmin etmək üçün, xəta xətti tərəfindən tez-tez izolyasiya edilməlidir. İndi, DC avtomatlar praktiki tətbiq tələblərinə tamamilə cavab verməyib.

DC tərəfindən xəta baş verəndə, AC tərəfindən avtomatlar genelliklə aktivləşdirilir, lakin bu, nisbətən konverter stansiyasının dayandırılmasına səbəb olur və bu müddətdə elektron cihazları aşırı cərəyanla zədə oluna bilər. DC himayəsi bir neçə millisaniyə ərzində tam himayəni tamamlamaq lazımdır, amma ən sürətli AC avtomatların fəaliyyət göstərmə müddəti adətən 50 ms-dir, bu da onların sistemdəki elektron cihazları etibarlı şəkildə himayə etməsini imkansız edir.

Cari texnologiya R-SFCL-lərinin təxminən 3 ms ərzində normal rezistiv halda olmalarını təmin edir. Rezistiv süperkonduktorlu xəta cərəyan məhdudiyyətçisi röley himayəsindən daha sürətli cərəyan məhdudlaşdırma halına keçir və xətanın təmizlənməsindən əvvəl yüksək impedanslı hal alır, bu da effektiv şəkildə qısa mərhələ cərəyanını azaltır.

2 Qonşu DC Sistemlərdəki DC Xəta Xüsusiyyətləri

Xəta nöqtəsinin yerləşməsi tikinti sisteminin impedaansını, cərəyan yolunu və qısa mərhələ xətasının əsas xüsusiyyətlərini təsirləmir. Modelləşmənin asanlığı üçün, xəta DC xəttinin orta nöqtəsində yerləşir və metalik qısa mərhələ kimi qiymətləndirilir. PSCAD/EMTDC istifadə edilərək, ±110 kV nominal voltajlı və 75 MW nominal gücü olan iki ucunlu qonşu DC sistemi simulasiya modeli və R-SFCL modeli inşa edilmişdir. R-SFCL-nin quraşdırılma yeri Şəkil 1-də göstərilmişdir.

DC qısa mərhələ xətası baş verəndə, IGBT xəta cərəyanını tespit edib, bloklayıcı funksiyası vasitəsiylə hemen bloklanır. Lakin, IGBT ilə paralel qoşuluşan diaodlar və nəqliyyat xətləri kontrol edilməyən most rektifikator şəması formasında qalır, bu da IGBT bloklanmışdan sonra kommutasiyanın davam etməsinə imkan verir. DC pol-pola qısa mərhələsi ümumiyyətlə üç mərhələyə bölünür: Birinci mərhələ, xətanın baş verəndə, DC tərəfindən kondensator tez-tez boşalır və DC cərəyanı bir neçə millisaniyə ərzində zirvə dəyərinə çatır.

İkinci mərhələ, kondensator voltajı sıfıra düşdükdən sonra, diaodlardan keçən cərəyan onların nominal cərəyanından on dəfə çox ola bilər, bu da elektron cihazlarının zədə olmasına səbəb olur. Üçüncü mərhələ, DC qısa mərhələ cərəyanı AC şəbəkə cərəyanından aşağıya düşdükdə, AC şəbəkə DC xəta nöqtəsinə qısa mərhələ cərəyanını qoyur. DC zərərli xətasında ikinci mərhələ yoxdur; əlbəttə, digər xüsusiyyətləri pol-pola xətasına oxşardır.

AC cərəyanı qoyulduqda, diaodlardan keçən cərəyan onların nominal cərəyanından on dəfə çox ola bilər. Bu iki növ DC qısa mərhələ xətasının qonşu DC sisteminə aid cərəyan yolları Şəkil 2 və Şəkil 3-də göstərilmişdir. Xəta cərəyan yolu boyunca R-SFCL quraşdırılaraq, qısa mərhələ dairəsinin rezistansı tez-tez artırıla bilər, bu da xətanın təmizlənməsi üçün daha çox vaxt təmin edir və DC avtomatların özünlü açma vaxtı və kəsmə kapasitəsi tələblərini azaldır.

3 Simulyasiya Analizi

PSCAD/EMTDC simulyasiya proqram paketində hazırlanmış 75 MW kapasitəli iki ucunlu qonşu DC sistemi modelinə R-SFCL modeli daxil edilərək test edilmiştir. DC pol-pola xətası altında cərəyan məhdudlaşdırma performansı Şəkil 4-də, DC xətti-zərə xətası altında isə Şəkil 5-də göstərilmişdir. Şəkil 4 və Şəkil 5-dən görünür ki, zirvə xəta cərəyanı normal halda rezistans artıqca azalır. R-SFCL-nin rezistansı və quraşdırıldıqdan sonra zirvə xəta cərəyanı arasında belə bir azalan funksional əlaqə var.

Tətbiq sahəsini genişləndirmək üçün, orijinal model 75 MW, 150 MW və 300 MW kapasitələrinə əsaslanaraq qadama-qadam yenidən miqyaslandırılmışdır. DC pol-pola qısa mərhələsi və DC xətti-zərə qısa mərhələsi şərtlərində, R-SFCL-nin normal halda olan rezistans dəyəri və zirvə qısa mərhələ cərəyanı arasındakı əlaqə qısa mərhələ cərəyanlarının zirvə dəyərləri alınarak araşdırılmışdır. Nəticələr Şəkil 6 və Şəkil 7-də göstərilmişdir.

MATLAB-da ehtiva edilən eğri fitləmə funksiyası istifadə edilərək, Şəkil 6 və Şəkil 7-dəki eğriler uyğun olaraq fitlənmişdir, bu da f(x) = ae⁻ᵇˣ + c formundaki funksional ifadələrə gətirmişdir, konkret parametrlər Cədvəl 1-də göstərilmişdir. Fitlənmiş funksiyanın törəməsi f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. Cədvəldən görünür ki, eyni xəta növü üçün, parametr b nisbətən sabit qalarkən, parametr a sistem kapasitəsi ilə artır. Buna görə, eyni xəta növü üçün, eğrilerin həllələri nisbətən eyni qalır.Beləliklə, eyni normal halda olan rezistansa malik R-SFCL-lər, eyni xəta növü üçün müxtəlif sistem kapasitələri arasında zirvə xəta cərəyanının dəyişmə sürəti eyni qalır, bu da onların cərəyan məhdudlaşdırma performansının eyni olduğunu göstərir.

Əlavə olaraq, R-SFCL-nin normal halda olan rezistansı lineer şəkildə artdıqca, onun cərəyan məhdudlaşdırma effektivliyi yavaş-yavaş azalır. Şəkil 6 və Şəkil 7-dəki eğrilerin həllələrinə əsasən, zirvə xəta cərəyanının azalma sürətinin maksimuma çatması üçün R-SFCL-nin normal halda olan rezistansının optimal aralığı 0-10 Ω-dır.

4 Nəticə

Qonşu DC elektrik nəql sisteminin konverter stansiyasının DC çıxış tərəfində R-SFCL quraşdırılması, DC qısa mərhələ xəta cərəyanlarını effektiv şəkildə azaltır. R-SFCL-nin rezistans dəyəri lineer şəkildə artdıqca, onun cərəyan məhdudlaşdırma effektivliyi yavaş-yavaş azalır. Cari araşdırma vəziyyətinə, mühəndislik maliyyətə və torpaq sahəsi tələblərinə görə, R-SFCL-nin optimal normal halda olan rezistans aralığı 0-10 Ω olmalıdır.