Optimális ellenállás-választás vizsgálata ellenállás-alapú szupravezető hibajáráskorlátozók esetén rugalmas DC átviteli rendszerekhez

1 Hőtársúlásos szupervezető hibajárási korlátozó

1.1 Működési elv

Ahogy a villamos energia-hálózatok mérete folyamatosan növekszik, a hazai villamos energiaszerkezetek rövidzárlékos kapacitása is gyors ütemben emelkedik, ami jelentős kihívást jelent a hálózatok építésére és üzemeltetésére. A túlzott rövidzárlékos áramok problémájának kezelése érdekében a szupervezetési elvre alapuló szupervezető hibajárási korlátozók (SFCL) egyre nagyobb figyelmet kapnak. Az SFCL-k a magfeszültség-állapotba kerülés során mutatott lecsengési jellemzők alapján oszthatók hőtársúlásos és induktív típusúakra.

Ezek közül a hőtársúlásos szupervezető hibajárási korlátozó egyszerű szerkezetű, kompakt méretű, könnyű, és világos működési elvű. Amint a magfeszültség-állapotba kerül, az áramkorlátozó impedanciája drasztikusan növekszik, erős hibajárási áram-leküldő képességet biztosítva. Továbbá, a berendezés kapacitását rugalmasan lehet beállítani a szupervezető anyagok sorozatszeres vagy párhuzamos konfigurációin keresztül. Az utóbbi években a szobahőmérsékletű szupervezető anyagok terén történt áttörések miatt mind az akadémiai, mind az ipari körök széles körben tekintik a hőtársúlásos SFCL-t a jövő fejlesztési irányának.

A kritikus áram, a kritikus mágneses tér, és a kritikus hőmérséklet a legfontosabb fizikai paraméterek, amelyek meghatározzák, hogy a szupervezető anyag szupervezető állapotban van-e. Ha bármely ezekből a paraméterekből valamelyik túllépi a kritikus értékét, a szupervezető anyag átmenetet végzhet a szupervezető állapotból a quench-állapotba. A quench-folyamat két szakaszból áll: először a fluxus-folyós állapot, majd a normál ellenállásos állapot. Ha a szupervezető anyagon áthaladó áram sűrűsége meghaladja a kritikus áramsűrűséget, a szupervezető anyag a fluxus-folyós állapotba lép.

Ahol: E az elektromos mező ereje; EC a kritikus elektromos mező ereje; J az áramsűrűség; JCT a kritikus áramsűrűség; α egy állandó; Tt1 és Tt2 a szupervezető anyag hőmérséklete az időpillanatok t1 és t2 között; QRS az Rs ellenállás által t1-től t2-ig termelt hő; QC a szupervezető anyag és a környezete közötti hőcserének mennyisége a t1–t2 időintervallumban; Cm a szupervezető anyag specifikus hőkapacitása; JCT(77) a kritikus áramsűrűség 77 K-nál (77 K a nitrogén folyékony hőmérséklete); TC a kritikus hőmérséklet; T a szupervezető anyag hőmérséklete.

Az (1) egyenlet szerint, ahogy az áramsűrűség J növekszik, a szupervezető anyag elektromos mező ereje E gyorsan emelkedik, ami a rezisztenciának növekedését eredményezi. A rezisztencia növekedése megerősíti a hőhatást, és ahogyan az (2) egyenletben látható, a szupervezető anyag hőmérséklete ennek megfelelően emelkedik.

Az (3) egyenletből ismert, hogy a hőmérséklet emelkedése csökkenti a kritikus áramsűrűséget, továbbra is növelve az elektromos mező erejét E, ami a szupervezető anyag rezisztenciájának folyamatos növekedését okozza. Ahogy a rezisztencia növekszik, a szupervezető anyag által termelt hő lassan egyensúlyba kerül a környezetbe leadott hővel, és a hőmérséklet stabilizálódik, végül állandó ellenállású normál állapotot érve.

1.2 R-SFCL alkalmazása rugalmas DC rendszerekben

A rugalmas DC átviteli rendszerekben a DC áram nem rendelkezik természetes nullaszemlétes pontokkal. Amennyiben rövidzárlékos hiba bekövetkezik, a hibajárási áram gyorsan emelkedik, jelentős veszélyt jelentve a rendszer elektromos eszközeire. A rendszer megbízhatóságának biztosítása érdekében a vezeték-választóknek gyorsan el kell szeparálniuk a hibás vonalat. Jelenleg a DC vezeték-választók még nem teljesítik teljes mértékben a gyakorlati alkalmazási követelményeket.

Amikor a DC oldalon hiba bekövetkezik, általában az AC oldali vezeték-választókat állítják ki, de ezen felül a konverziós állomány leáll, és a hatásidőben a hatalmi elektronikus eszközök sérülhetnek túlmelegen. A DC védelemnek a teljes védelmi sorozatot néhány milliszekundum alatt el kell végeznie, míg az AC vezeték-választók leggyorsabb működési ideje általában 50 ms, ami nem elegendő a rendszer hatalmi elektronikus eszközeinek hatékony védelméhez.

A jelenlegi technológia lehetővé teszi, hogy az R-SFCL-ek 3 ms alatt elérjék a normál ellenállásos állapotot. A hőtársúlásos szupervezető hibajárási korlátozó sokkal gyorsabban lép át a korlátozó állapotba, mint a relé védelem, és a hibaelhárítás előtt eléri a magfeszültség-állapotot, így hatékonyan csökkentve a rövidzárlékos áramot.

2 DC hibajellemzők rugalmas DC rendszerekben

A hibapont helyzete csak a rendszer impedanciáját befolyásolja, nem pedig az áramút vagy a rövidzárlékos hiba alapvető jellemzőit. A modellezés egyszerűsítése érdekében a hibát a DC vonal közepén helyezzük el, és metálos rövidzárlékúnak tekintjük. PSCAD/EMTDC segítségével kétvégű rugalmas DC rendszer szimulációs modelljét és egy R-SFCL modellt készítünk, a rendszer nominális feszültsége ±110 kV, a nominális teljesítménye 75 MW. Az R-SFCL telepítési helye a 1. ábrán látható.

Amikor DC rövidzárlékos hiba bekövetkezik, az IGBT blokkoló funkcióval azonnal blokkolódik, amint érzékelte a hibajárási áramot. Azonban az IGBT-vel párhuzamosan csatlakoztatott diodák és a vezetékvonalak egy irányíthatatlan hídglemléstermet formálnak, ami lehetővé teszi a kommutáció folytatását, még az IGBT blokkolása után is. A DC pólpólról-pólpólra történő rövidzárlékos hiba három fázisra osztható: az első fázis a hiba bekövetkezése után kezdődik, amikor a DC oldali kondenzátor gyorsan letörik, és a DC áram néhány milliszekundum alatt csúcserőssé emelkedik.

A második fázisban, amikor a kondenzátor feszültsége nulla lesz, a diodákon áthaladó áram többszörösére növekszik a nominális értéknél, ami a hatalmi elektronikus eszközök sérülésének nagy kockázatát jelenti. A harmadik fázisban, amikor a DC rövidzárlékos áram alacsonyabb lesz, mint az AC hálózati áram, az AC hálózat kezd rövidzárlékos áramot beszállítani a DC hibapontba. A DC földkapcsolás esetén nincs második fázis; különben a jellemzői hasonlóak a pólpólra történő hiba jellemzőihez.

Az AC áram beszállítása során a diodákon áthaladó áram tízszerese a nominális értéknél. Ezek két típusú DC rövidzárlékos hiba áramutai a rugalmas DC rendszerben a 2. és 3. ábrán láthatók. Az R-SFCL telepítése a hibajárási áram útján gyorsan növeli a rövidzárlékos hurok ellenállását, így több időt ad a hibaelhárításra, és csökkenti a DC vezeték-választók saját nyitási idejére és átmeneti kapacitására támaszkodó követelményeket.

3 Szimulációs elemzés

A PSCAD/EMTDC szimulációs szoftver segítségével a fejlesztett R-SFCL modellt integráljuk a kétvégű, 75 MW-os rugalmas DC rendszer szimulációs modelljébe ellenőrzés céljából. A DC pólpólra történő hiba esetén a korlátozó teljesítmény a 4. ábrán, a DC vonal-földkapcsolás esetén a 5. ábrán látható. A 4. és 5. ábra alapján látható, hogy a csúcshibajárási áram csökken, ahogy a normál ellenállás növekszik. Nyilvánvaló, hogy az R-SFCL ellenállása és a telepítés utáni csúcshibajárási áram bizonyos csökkenő függvénykapcsolatban áll.

A használati tartomány kiterjesztése érdekében az eredeti modellt fokozatosan skálázottuk három rendszerkapacitás alapján: 75 MW, 150 MW, és 300 MW. DC pólpólra történő rövidzárlékos hiba és DC vonal-földkapcsolás esetén a R-SFCL normál ellenállásának és a csúcshibajárási áram közötti összefüggést vizsgáltuk, a rövidzárlékos áram csúcserősségének meghatározásával. Az eredmények a 6. és 7. ábrán láthatók.

A MATLAB görbefittelő funkciójának segítségével a 6. és 7. ábrán látható görbékhez illesztettünk f(x) = ae⁻ᵇˣ + c alakú függvényeket, a konkrét paraméterek listázva a 1. táblázatban. A fityelt függvény deriváltja f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. A 1. táblázatból látható, hogy ugyanazon hiba típusa esetén a b paraméter majdnem állandó, míg az a paraméter növekszik a rendszer kapacitásával. Mivel b relatíve kicsi, a görbék meredekségi kifejezései ugyanazon hiba típusa esetén majdnem azonosak.Tehát ugyanazon normál ellenállású R-SFCL-ek esetén a csúcshibajárási áram változásának aránya ugyanazon hiba típusa esetén különböző rendszerkapacitásoknál megegyező, ami konzisztens korlátozó teljesítményt jelent.

Továbbá, ahogy az R-SFCL normál ellenállása lineárisan növekszik, a korlátozó hatékonysága fokozatosan csökken. A 6. és 7. ábrán látható görbék meredekségének alapján az R-SFCL normál ellenállásának optimális tartománya a csúcshibajárási áram legnagyobb csökkenési arányának elérése érdekében 0–10 Ω.

4 Következtetés

Egy rugalmas DC átviteli rendszer konvertáló állományának DC kimeneti oldalán található R-SFCL telepítése hatékonyan csökkentheti a DC rövidzárlékos hibajárási áramokat. Ahogy az R-SFCL ellenállása lineárisan növekszik, a korlátozó hatékonysága fokozatosan csökken. A jelenlegi kutatási állapot, mérnöki költségek, és területigények figyelembe vételével ajánlott, hogy az R-SFCL optimális normál ellenállásának tartománya 0–10 Ω legyen.