Jõukindla ülekandeesituse süsteemide vastupanuliste superjuhavate vigastusvoolu piirijate optimaalse vastupangivaliku uurimine

1 Vastuslik Superjuhtiv Vigadeerituse Piiraja

1.1 Töötamise Printsiip

Kuna elektrivõrgu mastaabid jätkavad laienemist, on kodumaiste elektrisüsteemide lühikringi võime kiiresti kasvanud, toodudes tõsised väljakutsed võrgu ehitamisele ja töötamisele. Lühikringi voolude üleliigse probleemi lahendamiseks saavad superjuhtivuse põhimõttel põhinevad superjuhtivad vigadeerituse piirajad (SFCL) suuremat tähelepanu. SFCL-sid saab jagada vastavalt nende vaimunemise omadustele kõrge vastuvoolulisusesse vastuvooluliste ja induktiivsete tüüpideks.

Nendest vastuvooluline superjuhtiv vigadeerituse piiraja eristub lihtsa struktuuriga, kompaktses suurusega ja väikese kaaluga, selge tööpõhimõttega. Kui see jõuab kõrge vastuvoolulisuse olekusse, siis selle voolupiiramise impedants tõuseb oluliselt, andes tugeva vigadeerituse kontrollimise võime. Lisaks saab seadme võimet paindlikult kohandada superjuhtijate rida- või paralleelsesse konfiguratsiooni paigutades. Viimastel aastatel on tekkinud läbimurreid ruumatempersatuuriliste superjuhtivte materjalides, mille tulemusena peetakse nii akadeemias kui ka tööstuses vastuvoolulist SFCL-i tulevikus arendamise peamiseks suunaks.

Kriitiline vool, kriitiline maagiline väli ja kriitiline temperatuur on olulised füüsikalised parameetrid, mis määravad, kas superjuhtija asub superjuhtivas olekus. Kui mingi neist parameetrit ületab oma kriitilise väärtuse, siis superjuhtija ümberkanneb superjuhtiva olekust vaimunenud olekusse. Vaimunemisprotsess koosneb kahest etapist: esiteks fluxi voomisest olekust, millele järgneb normaalne vastuvooluline olek. Kui superjuhtija läbib voolusuund tõstab tema kriitilist voolusuunda, siis superjuhtija jõuab fluxi voomise olekuni.

Kus: E on elektrivälja tugevus; EC on kriitiline elektrivälja tugevus; J on voolusuund; JCT on kriitiline voolusuund; α on konstant; Tt1 ja Tt2 on superjuhtija temperatuur ajahetkedel t1 ja t2 vastavalt; QRS on vastuvoolu Rs poolt tekitatud soojus aja jooksul t1–t2; QC on superjuhtija ja selle ümbruskonna vahelises soojusvahetus aja jooksul t1–t2; Cm on superjuhtija spetsiifiline soojusvõime; JCT(77) on kriitiline voolusuund 77 K (77 K on nestike kvaihi temperatuur); TC on kriitiline temperatuur; T on superjuhtija temperatuur.

Võrrandi (1) kohaselt, kui voolusuund J suureneb, tõuseb superjuhtija elektrivälja tugevus E kiiresti, mis viib vastuvoolulisuse suurenemiseni. Suurenenud vastuvoolulisus tugevdab soojuse mõju ja nagu võrdus (2) näitab, tõuseb superjuhtija temperatuur vastavalt.

Võrrandist (3) on teada, et temperatuuri tõus vähendab kriitilist voolusuundit, mis edasi tõstab elektrivälja tugevust E, põhjustades superjuhtija vastuvoolulisuse jätkuva kasvu. Kui vastuvoolulisus kasvab, tasakaalustub superjuhtija poolt loodud soojus aeglahti ümbritseva keskkonnaga ja temperatuur stabiiliseerub, jõudes lõpuks konstantsesse vastuvoolulisse normaalse oleku.

1.2 R-SFCL-i Rakendamine Paindlikus DC Süsteemis

Paindlikus DC edastussüsteemis puudub DC voolul naturaalne nullpunkti läbimine. Kui esineb lühikringi vigu, siis vigavool tõuseb kiiresti, moodustades tõsise ohu süsteemi elektroonikaseadmetele. Süsteemi usaldusväärsuse tagamiseks peavad lülitid kiiresti isoleerima vigulise joone. Praegu ei ole DC lülitid veel täielikult rahuldanud praktika nõudmist.

DC poolel esinenud vigu korral triivitatakse tavaliselt AC poole lülitid, kuid see on vältimatult konvertooristationi sulgemine, ja energiatehnikaseadmed võivad kahjustuda ülevoolu ajal. DC kaitse peab täitma terve kaitseprogrammi mõne millisekundi jooksul, samas kui kiireimad AC lülitid töötavad tavaliselt umbes 50 ms, mis ei võimalda neil efektiivselt kaitsta süsteemi energiatehnikaseadmeid.

Tehnoloogia võimaldab R-SFCL-l jõuda normaalse vastuvoolulise olekuni umbes 3 ms jooksul. Vastuvooluline superjuhtiv vigadeerituse piiraja ümberkanneb voolupiiramise olekusse palju kiiremini, kui releede kaitse töötab, ja saavutab kõrge impedants enne vigu korrastamist, mille tulemuseks on efektiivne lühikringi voolu vähendamine.

2 DC Vigade Omadused Paindlikus DC Süsteemis

Vigu asukoht mõjutab ainult süsteemi impedantsi, mitte vooluteed ega lühikringi voo põhilisi omadusi. Modelleerimise mugavuse huvides paigutatakse vigu DC joone keskpunktisse ja eeldatakse, et see on metallne lühikring. Kahepoolse paindliku DC süsteemi simulatsioonimudel ja R-SFCL mudel luuakse PSCAD/EMTDC abil, süsteemi nimiajane võimsus on ±110 kV ja nimiajane võimsus 75 MW. R-SFCL-i paigutuskoht on näidatud joonisel 1.

Kui esineb DC lühikringi vigu, tuvastatakse IGBT ja see blokeeritakse välja tema blokeerimisfunktsiooni abil vigavoolu tuvastamisel. Siiski moodustavad IGBT-ga paralleelsed dioodid ja edastusjooned juhitava rektifitseerimise tsirkviidi, mis võimaldab kommutatsiooni jätkuda isegi IGBT blokeerimise järel. DC polüüld-põhiline lühikringi jaguneb peamiselt kolme etappi: esimeses etapis, mis järgneb viga, laengub DC poolel olev kondensaator kiiresti ja DC vool tõuseb mõne millisekundi jooksul oma maksimumini.

Teises etapis, pärast kondensaatori pinge langemist nullini, võib dioodide kaudu kulgesev vool saavutada nende nimiajast kümne korda suurema, muutes energiatehnikaseadmed väga kahjustuse ohtlikeks. Kolmandas etapis, kui DC lühikringi vool langab alla AC võrgu voolu, hakkab AC võrk kannevat lühikringi voolu DC vigapunktis. DC maapindade viga ei sisalda teist etappi; muudes aspektides on selle omadused sarnased polüüld-põhisele vigale.

AC voolu kanne ajal on dioodide kaudu kulgesev vool umbes nende nimiajast kümne korda suurem. Nendes kahes DC lühikringi vigu paindlikus DC süsteemis on vooluteed näidatud vastavalt joonistel 2 ja 3. R-SFCL-i paigutamine vigavoolu teele võimaldab kiiresti suurendada lühikringi tsükli vastuvoolulisust, andes rohkem aega viga korrastamiseks ja vähendades DC lülitite endise avamisaega ja katkestamisvõimet.

3 Simulatsioonianalüüs

PSCAD/EMTDC simulatsioonitarkvara abil integreeritakse arendatud R-SFCL mudel ehitatud kahepoolse 75 MW paindliku DC süsteemi simulatsioonimudelli, et seda kontrollida. DC polüüld-põhise viga korral voolupiiramise performants on näidatud joonisel 4 ja DC joone-maapindade viga korral joonisel 5. Joonistelite 4 ja 5 näha, kui normaalse olekuna olev vastuvoolulisus suureneb, siis vahelduv voolu maksimum väheneb. On ilmne, et R-SFCL-i vastuvoolulisus ja installimise järel vahelduv voolu maksimumil on kindel kahanemise funktsionaalsus.

Rakendusalade laiendamiseks alustati algse mudeli järk-järgulise suurendamisega kolme süsteemi võimsusega: 75 MW, 150 MW ja 300 MW. DC polüüld-põhise lühikringi ja DC joone-maapindade lühikringi tingimustes uuriti R-SFCL-i normaalse olekuna oleva vastuvoolulisuse ja lühikringi voolu maksimumi vahelist suhet, saades lühikringi voolu maksimumväärtused. Tulemused on näidatud joonistel 6 ja 7.

MATLAB-i kärbimisfunktsiooni abil kõverdati joonistel 6 ja 7, saades funktsioonide avaldised kujul f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, konkreetsete parameetrite loendit tabelis 1. Funktsiooni tuletis on f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. Tabelist 1 näha, et sama veatüübi korral parameeter b jääb peaaegu muutumatuks, samas kui parameeter a suureneb süsteemi võimsusega. Kuna b on suhteliselt väike, on sama veatüübi kõverate tõusude avaldised peaaegu identseed.Seega, sama normaalse olekuna oleva vastuvoolulisusega R-SFCL-d näitavad sama veatüübi korral erinevates süsteemivõimsustes sama voolu maksimumi muutumise kiirust, millest tuleneb ühtlane voolupiiramise performants.

Lisaks, kui R-SFCL-i normaalse olekuna olev vastuvoolulisus lineaarselt suureneb, siis selle voolupiiramise tõhusus aeglaselt vähenema hakkab. Joonistel 6 ja 7 kõverate tõusu põhjal on R-SFCL-i optimaalne normaalse olekuna olev vastuvoolulisus, mis maksimeerib voolu maksimumi vähendamise kiirust, 0–10 Ω.

4 Järeldus

R-SFCL-i paigutamine paindliku DC edastussüsteemi DC väljundpoole konvertooristationil võimaldab efektiivselt vähendada DC lühikringi voolu. Kui R-SFCL-i vastuvoolulisus lineaarselt suureneb, siis selle voolupiiramise tõhusus aeglaselt vähenema hakkab. Arvestades praegust uurimistöö seisundit, inseneriarve ja maakasutuse nõudeid, soovitatakse, et R-SFCL-i optimaalne normaalse olekuna olev vastuvoolulisus oleks 0–10 Ω.