مطالعه انتخاب بهینه مقاومت محدودکننده‌های جریان خطا فراهمسان مقاومتی برای سیستم‌های انتقال مستقیم جریان غیرقابل تنظیم

۱ محدودکننده جریان خطا مقاومتی ابررسانا

۱.۱ اصل عملکرد

با گسترش شبکه‌های برق، ظرفیت کوتاه شدن مدار سیستم‌های برق داخلی به سرعت افزایش یافته و چالش‌های قابل توجهی را برای ساخت و عملیات شبکه به وجود آورده است. برای حل مشکل جریان‌های کوتاه شدن مدار بیش از حد، محدودکننده‌های جریان خطا ابررسانا (SFCLs) مبتنی بر اصول ابررسانایی توجه فزاینده‌ای دریافت کرده‌اند. این دستگاه‌ها بر اساس ویژگی‌های میرایی در حالت انتقال به حالت مقاومت بالا به دو نوع مقاومتی و القایی تقسیم می‌شوند.

از این میان، محدودکننده جریان خطا مقاومتی ابررسانا با ساختار ساده، اندازه کوچک و وزن نسبتاً پایین، اصل عملکرد واضحی دارد. هنگامی که به حالت مقاومت بالا وارد می‌شود، امپدانس محدودکننده جریان آن به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد و توانایی قوی در محدود کردن جریان خطا را فراهم می‌کند. علاوه بر این، ظرفیت دستگاه می‌تواند از طریق ترتیب سری یا موازی ابررساناهای مختلف به صورت انعطاف‌پذیر تنظیم شود. در سال‌های اخیر، پیشرفت‌های قابل توجهی در مواد ابررسانا در دماهای اتاق به دست آمده که منجر به این شده است که هم در دنیای علمی و هم در صنعت، محدودکننده‌های جریان خطا مقاومتی ابررسانا را به عنوان جهت اصلی توسعه آینده مورد توجه قرار داده‌اند.

جریان بحرانی، میدان مغناطیسی بحرانی و دمای بحرانی پارامترهای فیزیکی کلیدی برای تعیین اینکه آیا یک ابررسانا در حالت ابررسانایی است یا خیر هستند. هنگامی که هر یک از این پارامترها از مقدار بحرانی خود عبور کند، ابررسانا از حالت ابررسانایی به حالت خاموشی (quenching) می‌روند. فرآیند خاموشی شامل دو مرحله است: ابتدا حالت جریان فلوکس و سپس حالت مقاومتی عادی. هنگامی که چگالی جریان عبوری از ابررسانا از چگالی جریان بحرانی آن بیشتر شود، ابررسانا وارد حالت جریان فلوکس می‌شود.

که در آن: E قدرت میدان الکتریکی؛ EC قدرت میدان الکتریکی بحرانی؛ J چگالی جریان؛ JCT چگالی جریان بحرانی؛ α ثابتی؛ Tt1 و Tt2 دمای ابررسانا در زمان‌های t1 و t2 به ترتیب؛ QRS حرارت تولید شده توسط مقاومت Rs از t1 تا t2؛ QC حرارت مبادله شده بین ابررسانا و محیط اطراف در بازه زمانی t1–t2؛ Cm ظرفیت گرمایی خاص ابررسانا؛ JCT(77) چگالی جریان بحرانی در 77 K (77 K دمای محیط نیتروژن مایع)؛ TC دمای بحرانی؛ T دمای ابررسانا.

بر اساس معادله (1)، هنگامی که چگالی جریان J افزایش یابد، قدرت میدان الکتریکی E ابررسانا به سرعت افزایش می‌یابد و منجر به افزایش مقاومت آن می‌شود. افزایش مقاومت تأثیر گرمایی را تقویت می‌کند و همان‌طور که در معادله (2) نشان داده شده، دمای ابررسانا به تبع آن افزایش می‌یابد.

از معادله (3) مشخص است که افزایش دما چگالی جریان بحرانی را کاهش می‌دهد و این باعث افزایش قدرت میدان الکتریکی E می‌شود که موجب افزایش مداوم مقاومت ابررسانا می‌گردد. با افزایش مقاومت، حرارت تولید شده توسط ابررسانا به تدریج با حرارت دفع شده به محیط اطراف متعادل می‌شود و دما پایدار می‌شود و در نهایت به حالت مقاومت عادی ثابت می‌رسد.

۱.۲ کاربرد R-SFCL در سیستم‌های DC انعطاف‌پذیر

در سیستم‌های انتقال DC انعطاف‌پذیر، جریان DC نقص طبیعی صفر ندارد. هنگامی که خرابی کوتاه مداری رخ دهد، جریان خطا به سرعت افزایش می‌یابد و تهدید جدی برای تجهیزات الکتریکی سیستم می‌شود. برای تضمین قابلیت اطمینان سیستم، باید دستگاه‌های قطع کننده مدار به سرعت خط خرابی را جدا کنند. در حال حاضر، قطع کننده‌های مدار DC هنوز تمام نیازهای کاربردی را برآورده نکرده‌اند.

هنگامی که خرابی در سمت DC رخ دهد، معمولاً قطع کننده‌های AC سمت AC را می‌زنند، اما این امر به‌طور غیرقابل اجتناب منجر به توقف ایستگاه تبدیل می‌شود و تجهیزات الکترونیکی قدرت ممکن است به دلیل جریان بیش از حد در این مدت آسیب ببینند. حفاظت DC باید کل دنباله حفاظت را در چند میلی‌ثانیه کامل کند، در حالی که سریع‌ترین زمان عملیات قطع کننده‌های مدار AC معمولاً 50 میلی‌ثانیه است که این امر آن‌ها را قادر به حفاظت مؤثر از تجهیزات الکترونیکی قدرت سیستم نمی‌سازد.

فناوری فعلی به R-SFCL‌ها اجازه می‌دهد که در حدود 3 میلی‌ثانیه به حالت مقاومت عادی برسند. محدودکننده جریان خطا مقاومتی ابررسانا به سرعت بیشتری نسبت به عملکرد حفاظت رله‌ای وارد حالت محدودکننده جریان می‌شود و قبل از پاکسازی خرابی به حالت امپدانس بالا می‌رسد، بنابراین به طور مؤثر جریان کوتاه مداری را کاهش می‌دهد.

۲ ویژگی‌های خرابی DC در سیستم‌های DC انعطاف‌پذیر

مکان نقطه خرابی فقط بر امپدانس سیستم تأثیر می‌گذارد و نه مسیر جریان یا ویژگی‌های اساسی خرابی کوتاه مداری. برای راحتی مدل‌سازی، خرابی در نقطه میانی خط DC قرار داده شده و فرض می‌شود که یک کوتاه مدار فلزی است. یک مدل شبیه‌سازی دو-طرفه سیستم DC انعطاف‌پذیر و یک مدل R-SFCL با PSCAD/EMTDC ساخته شده‌است، با ولتاژ اسمی ±110 kV و توان اسمی 75 MW. محل نصب R-SFCL در شکل 1 نشان داده شده است.

هنگامی که خرابی کوتاه مداری DC رخ دهد، IGBT از طریق عملکرد بلاک کردن آن در اثر تشخیص جریان خرابی فوراً بلاک می‌شود. با این حال، دیودهای متصل به IGBT و خطوط انتقال یک مدار مستقیم غیرقابل کنترل تشکیل می‌دهند که حتی بعد از بلاک شدن IGBT نیز کمونوتاسیون را ادامه می‌دهد. یک خرابی کوتاه مداری قطب به قطب DC می‌تواند به سه مرحله اصلی تقسیم شود: مرحله اول فوراً پس از خرابی رخ می‌دهد، در آن زمان کندک DC به سرعت تخلیه می‌شود و جریان DC در چند میلی‌ثانیه به مقدار ماکزیمم خود می‌رسد.

در مرحله دوم، پس از اینکه ولتاژ کندک به صفر برسد، جریان عبوری از دیودها می‌تواند بیش از ده برابر جریان اسمی آن‌ها شود که تجهیزات الکترونیکی قدرت را به شدت آسیب‌پذیر می‌کند. در مرحله سوم، وقتی جریان کوتاه مداری DC کمتر از جریان شبکه AC شود، شبکه AC شروع به تغذیه جریان کوتاه مداری به نقطه خرابی DC می‌کند. یک خرابی زمینی DC مرحله دوم را ندارد؛ در غیر این صورت، ویژگی‌های آن مشابه خرابی قطب به قطب است.

در طول تغذیه جریان AC، جریان عبوری از دیودها تقریباً ده برابر جریان اسمی آن‌ها است. مسیرهای جریان این دو نوع خرابی کوتاه مداری DC در سیستم DC انعطاف‌پذیر در شکل 2 و شکل 3 نشان داده شده‌اند. نصب یک R-SFCL در طول مسیر جریان خرابی می‌تواند مقاومت حلقه کوتاه مداری را به سرعت افزایش دهد، زمان بیشتری برای پاکسازی خرابی فراهم کند و نیازهای زمان باز شدن ذاتی و ظرفیت قطع کننده‌های مدار DC را کاهش دهد.

۳ تحلیل شبیه‌سازی

با استفاده از نرم‌افزار شبیه‌سازی PSCAD/EMTDC، مدل R-SFCL توسعه یافته در مدل شبیه‌سازی دو-طرفه سیستم DC انعطاف‌پذیر با ظرفیت 75 MW یکپارچه شده و اعتبارسنجی شده است. عملکرد محدودکننده جریان در خرابی کوتاه مداری قطب به قطب در شکل 4 و در خرابی کوتاه مداری خط به زمین در شکل 5 نشان داده شده است. از شکل 4 و شکل 5 مشخص است که جریان خرابی ماکزیمم با افزایش مقاومت حالت عادی کاهش می‌یابد. واضح است که مقاومت R-SFCL و جریان خرابی ماکزیمم پس از نصب یک رابطه تابعی کاهشی دارند.

برای گسترش محدوده کاربرد، مدل اصلی بر اساس سه ظرفیت سیستم 75 MW، 150 MW و 300 MW به تدریج مقیاس‌بندی شده است. تحت شرایط کوتاه مداری قطب به قطب DC و کوتاه مداری خط به زمین DC، رابطه بین مقاومت حالت عادی R-SFCL و جریان کوتاه مداری ماکزیمم با به دست آوردن مقادیر ماکزیمم جریان‌های کوتاه مداری مطالعه شده است. نتایج در شکل 6 و شکل 7 نشان داده شده‌اند.

با استفاده از تابع برازش منحنی در MATLAB، منحنی‌های شکل 6 و شکل 7 به ترتیب برازش شده‌اند و توابع به صورت f(x) = ae⁻ᵇˣ + c با پارامترهای خاصی که در جدول 1 لیست شده‌اند به دست آمده‌اند. مشتق تابع برازش شده f'(x) = -abe⁻ᵇˣ است. از جدول 1 مشخص است که برای هر نوع خرابی یکسان، پارامتر b تقریباً ثابت باقی می‌ماند، در حالی که پارامتر a با افزایش ظرفیت سیستم افزایش می‌یابد. چون b نسبتاً کوچک است، عبارت‌های شیب منحنی‌های هر نوع خرابی یکسان تقریباً یکسان هستند.بنابراین، R-SFCL‌های با مقاومت حالت عادی یکسان نرخ تغییر یکسانی در جریان خرابی ماکزیمم در ظرفیت‌های مختلف سیستم برای هر نوع خرابی یکسان نشان می‌دهند، که نشان‌دهنده عملکرد محدودکننده جریان یکسان است.

علاوه بر این، با افزایش خطی مقاومت حالت عادی R-SFCL، کارایی محدودکننده جریان به تدریج کاهش می‌یابد. بر اساس شیب‌های منحنی‌های شکل 6 و شکل 7، محدوده بهینه مقاومت حالت عادی R-SFCL برای بیشینه کردن نرخ کاهش جریان خرابی ماکزیمم 0–10 Ω است.

۴ نتیجه‌گیری

نصب یک R-SFCL در سمت خروجی DC ایستگاه تبدیل در یک سیستم انتقال DC انعطاف‌پذیر می‌تواند جریان‌های خرابی کوتاه مداری DC را به طور مؤثر کاهش دهد. با افزایش خطی مقاومت R-SFCL، اثر محدودکننده جریان آن به تدریج کاهش می‌یابد. با توجه به وضعیت تحقیقات فعلی، هزینه‌های مهندسی و نیازهای مساحت زمین، توصیه می‌شود که محدوده بهینه مقاومت حالت عادی R-SFCL 0–10 Ω باشد.