Μελέτη για την Επιλογή Τοπτίμου Αντίστασης Συστημάτων Περιορισμού Σφάλματος Ρεύματος με Υπερηλεκτροδυναμική Αντίσταση για Ευέλικτα Συστήματα Μεταφοράς Συνεχούς Ρεύματος

1 Αντισταθμικός Υπερηλεκτροδυναμικός Περιοριστής Σφάλματος Ρεύματος

1.1 Λειτουργικό Αρχή

Όσο συνεχίζει να επεκτείνεται η κλίμακα των ηλεκτρικών δικτύων, η δυνατότητα μικρού κύκλου στα εσωτερικά ηλεκτρικά συστήματα αυξάνεται γρήγορα, παρουσιάζοντας σημαντικές προκλήσεις στην κατασκευή και λειτουργία των δικτύων. Για να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα των υπερβολικά μεγάλων ρευμάτων σφάλματος, οι υπερηλεκτροδυναμικοί περιοριστές ρεύματος σφάλματος (SFCLs) βασισμένοι στην αρχή της υπερηλεκτρικότητας προσελκύουν όλο και περισσότερη προσοχή. Οι SFCLs μπορούν να ταξινομηθούν σε αντισταθμικούς και επανδραγωγικούς τύπους, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά τους όταν μεταβαίνουν σε κατάσταση υψηλής αντίστασης.

Από αυτούς, ο αντισταθμικός υπερηλεκτροδυναμικός περιοριστής σφάλματος ρεύματος διαθέτει απλή δομή, μικρά διαστάτη και μικρό βάρος, με σαφή λειτουργική αρχή. Κατά τη μετάβαση σε κατάσταση υψηλής αντίστασης, η αντίσταση περιορισμού του ρεύματος αυξάνεται δραστικά, παρέχοντας ισχυρή ικανότητα περιορισμού των ρευμάτων σφάλματος. Επιπλέον, η δυνατότητα του συστήματος μπορεί να προσαρμοστεί ευέλικτα μέσω σειριακής ή παράλληλης διάταξης των υπερηλεκτρικών. Τα τελευταία χρόνια, οι εξελίξεις σε υλικά υπερηλεκτρικότητας σε διαθερμία θερμοκρασίας έχουν οδηγήσει την ακαδημαϊκή και βιομηχανική κοινότητα να θεωρεί τους αντισταθμικούς SFCLs ως την κύρια κατεύθυνση για τη μελλοντική ανάπτυξη.

Το κρίσιμο ρεύμα, το κρίσιμο μαγνητικό πεδίο και η κρίσιμη θερμοκρασία είναι κρίσιμοι φυσικοί παράμετροι για τον προσδιορισμό εάν ένας υπερηλεκτρικός βρίσκεται σε κατάσταση υπερηλεκτρικότητας. Όταν οποιοσδήποτε από αυτούς τους παράμετρους υπερβαίνει την κρίσιμη τιμή του, ο υπερηλεκτρικός μεταβαίνει από την κατάσταση υπερηλεκτρικότητας στην κατάσταση καταστροφής. Η διαδικασία καταστροφής αποτελείται από δύο στάδια: πρώτα, την κατάσταση ροής ροής, ακολουθούμενη από την κανονική κατάσταση αντίστασης. Όταν η πυκνότητα ρεύματος μέσω του υπερηλεκτρικού υπερβαίνει την κρίσιμη πυκνότητα ρεύματος, ο υπερηλεκτρικός μεταβαίνει στην κατάσταση ροής ροής.

Που: E είναι η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου; EC είναι η κρίσιμη ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου; J είναι η πυκνότητα ρεύματος; JCT είναι η κρίσιμη πυκνότητα ρεύματος; α είναι μια σταθερά; Tt1 και Tt2 είναι οι θερμοκρασίες του υπερηλεκτρικού στις χρονικές στιγμές t1 και t2, αντίστοιχα; QRS είναι η θερμότητα που παράγεται από την αντίσταση Rs από t1 έως t2; QC είναι η θερμότητα που ανταλλάσσεται μεταξύ του υπερηλεκτρικού και του περιβάλλοντός του κατά τη διάρκεια του χρονικού διαστήματος t1–t2; Cm είναι η θερμική ικανότητα του υπερηλεκτρικού; JCT(77) είναι η κρίσιμη πυκνότητα ρεύματος στη 77 K (77 K ως θερμοκρασία περιβάλλοντος υγρού αζώτου); TC είναι η κρίσιμη θερμοκρασία; T είναι η θερμοκρασία του υπερηλεκτρικού.

Σύμφωνα με την Εξίσωση (1), όταν η πυκνότητα ρεύματος J αυξάνεται, η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου E του υπερηλεκτρικού αυξάνεται γρήγορα, οδηγώντας σε αύξηση της αντίστασής του. Η αυξημένη αντίσταση ενισχύει τη θερμική επίδραση, και όπως φαίνεται στην Εξίσωση (2), η θερμοκρασία του υπερηλεκτρικού αυξάνεται ανάλογα.

Από την Εξίσωση (3), γνωρίζουμε ότι η αύξηση της θερμοκρασίας μειώνει την κρίσιμη πυκνότητα ρεύματος, περαιτέρω αυξάνοντας την ισχύ του ηλεκτρικού πεδίου E, προκαλώντας συνεχή αύξηση της αντίστασης του υπερηλεκτρικού. Καθώς η αντίσταση αυξάνεται, η θερμότητα που παράγεται από τον υπερηλεκτρικό σταδιακά ισορροπεί με την θερμότητα που αποδίδεται στο περιβάλλον, και η θερμοκρασία σταθεροποιείται, φθάνοντας τελικά σε κατάσταση σταθερής αντίστασης.

1.2 Εφαρμογή R-SFCL σε Ευέλικτα DC Συστήματα

Στα ευέλικτα συστήματα μεταφοράς DC, το DC ρεύμα δεν διαθέτει φυσικά σημεία μηδενικής διάστασης. Όταν συμβαίνει σύντομη σύνδεση, το ρεύμα σφάλματος αυξάνεται γρήγορα, παρουσιάζοντας σοβαρή απειλή για την ηλεκτρική εξοπλισμό του συστήματος. Για να εξασφαλιστεί η αξιοπιστία του συστήματος, οι διακόπτες πρέπει να απομονώσουν τον ενοχλημένο άξονα γρήγορα. Σήμερα, οι διακόπτες DC δεν έχουν ακόμα πληροίσι τις πρακτικές απαιτήσεις.

Κατά τη σύντομη σύνδεση στην πλευρά DC, τυπικά τείνουν να αποδρομούν οι διακόπτες AC, αλλά αυτό αναπόφευκτα προκαλεί την απενεργοποίηση του σταθμού μετατροπής, και τα περιβαλλοντικά ηλεκτρονικά συστήματα μπορεί να πληγούν από υπερβολικά ρεύματα κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Η προστασία DC πρέπει να ολοκληρώσει την ολόκληρη ακολουθία προστασίας μέσα σε λίγα χιλιοστά δευτερόλεπτα, ενώ η ταχύτερη λειτουργική χρονική διάρκεια των διακόπτων AC είναι συνήθως 50 ms, κάτι που τους αποτελεί ανίκανους να προστατεύσουν αποτελεσματικά τα περιβαλλοντικά ηλεκτρονικά συστήματα του συστήματος.

Η τεχνολογία των R-SFCLs επιτρέπει να φθάσουν στην κανονική κατάσταση αντίστασης μέσα σε περίπου 3 ms. Ο αντισταθμικός υπερηλεκτροδυναμικός περιοριστής σφάλματος ρεύματος μεταβαίνει σε κατάσταση περιορισμού ρεύματος πολύ γρηγορότερα από τη λειτουργία της προστασίας με ρελέ, και επιτυγχάνει την κατάσταση υψηλής αντίστασης πριν από την εξάλειψη του σφάλματος, έτσι ώστε να μειώνει αποτελεσματικά το ρεύμα σφάλματος σύντομης σύνδεσης.

2 Χαρακτηριστικά DC Σφάλματος σε Ευέλικτα DC Συστήματα

Η θέση του σημείου σφάλματος επηρεάζει μόνο την αντίσταση του συστήματος, όχι το μονοπάτι του ρεύματος ή τα βασικά χαρακτηριστικά του σφάλματος σύντομης σύνδεσης. Για λόγους εύκολης μοντελοποίησης, το σφάλμα τοποθετείται στο μέσο του γραμμής DC και υποθέτεται ότι είναι μεταλλική σύντομη σύνδεση. Φτιάχνονται ένα μοντέλο προσομοίωσης δίκτυου δύο πλευρών ευέλικτου DC συστήματος και ένα μοντέλο R-SFCL με PSCAD/EMTDC, με ρευστική τάση ±110 kV και ρευστική ισχύ 75 MW. Η θέση εγκατάστασης του R-SFCL εμφανίζεται στο Σχήμα 1.

Κατά τη σύντομη σύνδεση DC, το IGBT ανιχνεύεται και αμέσως αποδρομεί μέσω της λειτουργίας αποδρομής, αφού ανιχνεύσει το ρεύμα σφάλματος. Ωστόσο, οι διόδοι που είναι συνδεδεμένες παράλληλα με το IGBT και οι γραμμές μεταφοράς σχηματίζουν έναν ανεξέλεγκτο πόντο ορθογωνίου, επιτρέποντας τη συνέχιση της αλλαγής κατά τη διάρκεια της αποδρομής του IGBT. Μια σύντομη σύνδεση από άξονα σε άξονα DC μπορεί να χωριστεί κυρίως σε τρία στάδια: Το πρώτο στάδιο συμβαίνει αμέσως μετά το σφάλμα, κατά την οποία η καταναλωτική κατάσταση του DC συνδεδεμένης καταναλωτικής αποδρομεί γρήγορα και το ρεύμα DC αυξάνεται στην κορυφαία τιμή του μέσα σε λίγα χιλιοστά δευτερόλεπτα.

Στο δεύτερο στάδιο, μετά την πτώση της τάσης της καταναλωτικής σε μηδέν, το ρεύμα που διαρρέει τις διόδους μπορεί να φτάσει σε πάνω από δέκα φορές την ρυθμισμένη τιμή του, κάτι που καθιστά τα περιβαλλοντικά ηλεκτρονικά συστήματα ευάλωτα σε βλάβη. Στο τρίτο στάδιο, όταν το ρεύμα σύντομης σύνδεσης DC περιορίζεται κάτω από το ρεύμα του AC δικτύου, το AC δίκτυο ξεκινά να παρέχει ρεύμα σύντομης σύνδεσης στο σημείο σφάλματος DC. Ένα σφάλμα σύντομης σύνδεσης DC στη γη δεν έχει δεύτερο στάδιο· αλλιώς, τα χαρακτηριστικά του είναι παρόμοια με εκείνα του σφάλματος από άξονα σε άξονα.

Κατά την εισαγωγή ρεύματος AC, το ρεύμα σφάλματος που διαρρέει τις διόδους είναι περίπου δέκα φορές την ρυθμισμένη τιμή του. Τα μονοπάτια ρεύματος για αυτά τα δύο τύπους σφάλματος σύντομης σύνδεσης DC στο ευέλικτο DC σύστημα εμφανίζονται στα Σχήματα 2 και 3, αντίστοιχα. Η εγκατάσταση ενός R-SFCL κατά μήκος του μονοπατιού ρεύματος σφάλματος μπορεί να αυξήσει γρήγορα την αντίσταση του κύκλου σύντομης σύνδεσης, παρέχοντας περισσότερο χρόνο για την εξάλειψη του σφάλματος και μειώνοντας τις απαιτήσεις για τον εγγενή χρόνο ανοίγματος και την ικανότητα διακοπής των διακόπτων DC.

3 Προσομοίωση και Ανάλυση

Χρησιμοποιώντας το λογισμικό προσομοίωσης PSCAD/EMTDC, το αναπτυγμένο μοντέλο R-SFCL ενσωματώνεται στο ήδη υπάρχον μοντέλο προσομοίωσης δικτύου δύο πλευρών ευέλικτου DC συστήματος με ισχύ 75 MW για επαλήθευση. Η απόδοση περιορισμού ρεύματος κατά τη σύντομη σύνδεση DC από άξονα σε άξονα εμφανίζεται στο Σχήμα 4, και αυτή κατά τη σύντομη σύνδεση DC από γραμμή σε γη εμφανίζεται στο Σχήμα 5. Όπως φαίνεται από τα Σχήματα 4 και 5, η κορυφαία τιμή του ρεύματος σφάλματος μειώνεται καθώς αυξάνεται η αντίσταση της κανονικής κατάστασης. Είναι σαφές ότι η αντίσταση του R-SFCL και η κορυφαία τιμή του ρεύματος σφάλματος μετά την εγκατάσταση ακολουθούν μια συνάρτηση μείωσης.