מחקר על בחירת התנגדות אופטימלית של מגבילי זרם פאולטי סופר-נשאיים מבוססי התנגדות למערכות העברה ישרה גמישות

מגבל זרם פאולתי על בסיס מוליכות-על

1.1 עקרון הפעולה

ככל שהרשת החשמלית מתרחבת, יכולת הקצר החשמלית של מערכות חשמל מקומיות גדלה במהירות, מה שמציב אתגרים משמעותיים לבניית הרשת והפעלתה. כדי להתמודד עם הבעיה של זרמים קצרים מופרזים, מגבלי זרם פאולתיים (SFCLs) המבוססים על עקרונות מוליכות-על מקבלים תשומת לב גוברת. בהתאם לתכונות הדämpינג שלהם בעת המעבר למצב התנגדות גבוה, מגבלי ה-SFCL יכולים להיות מסווגים לסוגי התנגדות ואינדוקטיביים.

בין אלה, מגבל הזרם הפאולתי המוליך-על מאפיינים מבנה פשוט, גודל קטן ומשקל קל, עם עקרון פעולה ברור. לאחר שנכנס למצב התנגדות גבוה, התנגדות המגבילה שלו עולה באופן ניכר, מה שמספק יכולת דיכוי חזקה לזרמי קצר. בנוסף, ניתן להתאים את קיבולת המכשיר בצורה גמישה באמצעות תצורות טורי או מקביליות של מוליכים-על. בשנים האחרונות, התקיעו פריצות דרך בחומרים מוליכים-על בטמפרטורת החדר, מה שהוביל את האקדמיה והתעשייה לראות במגבלי SFCL פאולטיים ככיוון העיקרי לפיתוח בעתיד.

זרם קריטי, שדה מגנטי קריטי וטמפרטורה קריטית הם פרמטרים פיזיקליים מרכזיים לקביעת האם מוליך-על נמצא במצב מוליכות-על. כאשר אחד מהפרמטרים הללו עובר את ערך הקריטי שלו, המוליך-על עובר ממצב מוליכות-על למצב רדום. תהליך הרדום מורכב משני שלבים: ראשית, מצב זרימת פלוקס, ולאחר מכן מצב התנגדות נורמלי. כאשר צפיפות הזרם העובר במוליך-על עוברת את צפיפות הזרם הקריטית שלו, המוליך-על נכנס למצב זרימת פלוקס.

כאשר: E הוא עוצמת השדה החשמלי; EC היא עוצמת השדה החשמלי הקריטית; J היא צפיפות הזרם; JCT היא צפיפות הזרם הקריטית; α הוא קבוע; Tt1 ו-Tt2 הן הטמפרטורות של המוליך-על בזמנים t1 ו-t2 בהתאמה; QRS הוא החום שנוצר מתנגד Rs בין t1 ל-t2; QC הוא החום שנחלף בין המוליך-על לסביבתו במהלך פרק הזמן t1–t2; Cm היא קיבול החום הספציפי של המוליך-על; JCT(77) היא צפיפות הזרם הקריטית ב-77 K (77 K היא טמפרטורת סביבת אזוט נוזלי); TC היא הטמפרטורה הקריטית; T היא הטמפרטורה של המוליך-על.

לפי משוואה (1), כאשר צפיפות הזרם J עולה, עוצמת השדה החשמלי E של המוליך-על עולה במהירות, מה שמוביל לעלייה בתנגדותו. עלייה בתנגדות מגדילה את האפקט החום, וכפי שמראה משוואה (2), הטמפרטורה של המוליך-על עולה בהתאם.

ממשוואת (3), ידוע כי עלייה בטמפרטורה מורידה את צפיפות הזרם הקריטית, מה שמוביל לעלייה נוספת בעוצמת השדה החשמלי E, ומגביר את התנגדות המוליך-על באופן מתמשך. ככל שהתנגדות עולה, החום שנוצר על ידי המוליך-על מתאזן בהדרגה עם החום המשוחרר לסביבה, והטמפרטורה מתיצבת, עד שהיא מגיעה למצב התנגדות נורמלי קבוע.

1.2 שימוש במגבל R-SFCL במערכות DC גמישות

במערכות העברה DC גמישות, זרם DC חסר נקודות אפס טבעיות. כאשר מתרחשת תקלה של קצר, הזרם הקצר עולה במהירות, מה שמאיים על הציוד החשמלי במערכת. כדי להבטיח את אמינות המערכת, יש צורך שהשברנים יצילו במהירות את הקו המתקלקל. כיום, שברני DC עדיין לא עמדו בדרישות השימוש הפרקטי.

כאשר מתרחשת תקלה בצד DC, בדרך כלל מפעילים את השברנים בצד AC, אך זה בלתי נמנע גורם לסגירת תחנת המרתך, ובתקופה זו ייתכן שתכשירי אלקטרוניקה כוח יושחתו עקב זרם מופרז. הגנה DC חייבת להשלים את כל סדרת ההגנה תוך מספר מילישניות, בעוד זמן ההפעלה המהיר ביותר של שברני AC הוא בדרך כלל 50 מילישניות, מה שהופך אותם ללא יעילים להגנה על תכשירי אלקטרוניקה כוח במערכת.

הטכנולוגיה הנוכחית מאפשרת למגבלים R-SFCL להגיע למצב התנגדות נורמלי תוך כ-3 מילישניות. המגבל הפאולתי מוליך-על עובר למצב מגבלה הרבה יותר מהר מאשר פעולת הגנה רלוית, ומגיע למצב התנגדות גבוה לפני שאפשרות ההסרה של התקלה, מה שמפחית באופן יעיל את זרם הקצר.

2 מאפייני התקלות DC במערכות DC גמישות

מיקום נקודת התקלה משפיע רק על trở ngại המערכת, ולא על מסלול הזרם או על מאפייני התקלה הקצר. לצורך נוחות המודל, התקלה ממקומת באמצע הקו DC ונניח שהיא קצר מתכת. מודל סימולציה של מערכת DC דו-קצה גמישה ומודל R-SFCL נבנו באמצעות PSCAD/EMTDC, עם מתח נומינלי של ±110 kV ועוצמה נומינלית של 75 MW. מיקום התקנת R-SFCL מוצג בציור 1.

כאשר מתרחשת תקלה קצר DC, IGBT נבדק ונחסם מיידית באמצעות פונקציית החסימה שלו כאשר מורגש זרם התקלה. עם זאת, דיודה המחוברת מקביל ל-IGBT והקווים המעבירים יוצרים מעגל מלבין בלתי בשליטה, מה שמאפשר המשך מחליפה גם לאחר שה-IGBT מחוסם. קצר קוטבי-קוטבי DC ניתן לחלק בעיקר לשלושה שלבים: השלב הראשון מתרחש מיד לאחר התקלה, במהלכו קבל הצד DC משחרר במהירות והזרם DC עולה לשיאו תוך מספר מילישניות.

בשלב השני, לאחר שהמתח על הקבל יורד לאפס, הזרם הזורם בדiodas יכול להגיע לכפולות רבות מכמות הנומינלית, מה שהופך את תכשירי האלקטרוניקה לפגיעים מאוד להרס. בשלב השלישי, כאשר הזרם הקצר DC יורד מתחת לזרם הרשת AC, הרשת AC מתחיל לספק זרם קצר לנקודת התקלה DC. קצר קרקע DC אינו כולל שלב שני; אחרת, מאפייניו דומים לאלו של קצר קוטבי-קוטבי.

במהלך הזנת זרם AC, הזרם הזורם בדiodas הוא בערך כפולות רבות מכמות הנומינלית. מסלולי הזרם עבור שני סוגי התקלות קצר DC במערכת DC גמישה מוצגים בציורים 2 ו-3 בהתאמה. התקנת R-SFCL לאורך מסלול הזרם של התקלה יכולה להעלות במהירות את ההתנגדות של הלולאה הקצר, מה שנותן זמן רב יותר להסרת התקלה ומפחית את הדרישות מהזמן הנפתח האנכי והקיבולת המשבית של שברני DC.

3 ניתוח סימולציה

בעזרת תוכנת הסימולציה PSCAD/EMTDC, המודל של R-SFCL המפותח מובא לתוך מודל הסימולציה של מערכת DC דו-קצה גמישה בנפח של 75 MW לבדיקה. הביצועים המגבילים תחת התקלה קצר קוטבי-קוטבי DC מוצגים בציור 4, ובתקלה קצר קו-קרקע DC מוצגים בציור 5. כפי שניתן לראות מהציורים 4 ו-5, שיא הזרם התקלה יורד ככל שהתנגדות המצב הנורמלי עולה. ברור שישנו קשר פונקציונלי מסוים בין ההתנגדות של R-SFCL לשיא הזרם התקלה אחרי התקנתו.

כדי להרחיב את תחום היישום, המודל המקורי הורחב בהדרגה על בסיס שלוש קיבולות מערכת: 75 MW, 150 MW ו-300 MW. בתנאים של קצר קוטבי-קוטבי DC וקצר קו-קרקע DC, היחסי