Pētījums par Optisko Pretestības Izvēli Rezistīvo Superveidošo Defekta Strāvas Ierobežotāju Gūstamajām DC Pārvades Sistēmām

1 Rezistīvais superprovoļu strāvas robežsagriezis

1.1 Darbības princips

Kā elektrības tīklu mērogi turpina izaugt, mājdzīves enerģijas sistēmu īsā ceļa spēja strauji pieaug, rādīt nopietnas izaicinājumu tīkla būvniecībai un darbībai. Lai risinātu problēmu ar pārāk lielu īsā ceļa strāvu, superprovoļu strāvas robežsagrieži (SFCL), kas balstīti uz superprovodības principiem, iegūst aizvien lielāku uzmanību. Atkarībā no to dempfējošajām raksturlielumām, kad tie pāriet augstresistīvā stāvoklī, SFCL var tikt klasificēti kā rezistīvie un induktīvie tipi.

No šiem rezistīvais superprovoļu strāvas robežsagriezis ir ar vienkāršu struktūru, kompakts izmērs un maza svara, ar skaidru darbības principu. Kad tas nonāk augstresistīvā stāvoklī, tā strāvas robežējošais impedances palielinās strauji, nodrošinot stipru īsā ceļa strāvas apjukuma spēju. Tāpat ierīces jauda var tikt elastīgi pielāgota, izmantojot superprovodītāju virknes vai paralēlas konfigurācijas. Pēdējos gados ir notikušas pārsteidzošas progreses kamerām temperatūras superprovodības materiālos, kas gan akadēmiskajā, gan rūpnieciskajā vidē plaši vērtē kā galveno attīstības virzienu nākotnē.

Kritiskā strāva, kritiskais magnētiskais lauks un kritiskā temperatūra ir galvenie fizikālie parametri, kas nosaka, vai superprovodītājs atrodas superprovodības stāvoklī. Ja kaut viens no šiem parametriem pārsniedz savu kritisko vērtību, superprovodītājs pāriet no superprovodības stāvokļa uz izbalnošanās stāvokli. Izbalnošanās process sastāv no diviem posmiem: pirmkārt, flukss plūsmas stāvoklis, pēc tam normāls resistīvā stāvoklis. Ja caur superprovodītāju ejotā strāvas blīvība pārsniedz tā kritisko strāvas blīvību, superprovodītājs pāriet flukss plūsmas stāvoklī.

Kur: E ir elektromagnētiskā lauka stipruma; EC ir kritiskais elektromagnētiskā lauka stipruma; J ir strāvas blīvība; JCT ir kritiskā strāvas blīvība; α ir konstante; Tt1 un Tt2 ir superprovodītāja temperatūras laikā t1 un t2; QRS ir cildinājums, ko radījis resistors Rs no t1 līdz t2; QC ir cildinājums, ko mainījuši starp superprovodītāju un tā apkārtējo vidi laika intervālā t1–t2; Cm ir superprovodītāja specifiskā cildinājuma spēja; JCT(77) ir kritiskā strāvas blīvība 77 K (77 K ir šķidrā gāzes vides temperatūra); TC ir kritiskā temperatūra; T ir superprovodītāja temperatūra.

Saskaņā ar vienādojumu (1), kad strāvas blīvība J palielinās, superprovodītāja elektromagnētiskā lauka stipruma E strauji palielinās, veidojot tā resistences palielināšanos. Palielinātais resistence palielina termiskā efekta, un kā redzams no vienādojuma (2), superprovodītāja temperatūra atbilstoši palielinās.

No vienādojuma (3) zināms, ka temperatūras palielināšanās samazina kritisko strāvas blīvību, vēl vairāk palielinot elektromagnētiskā lauka stipruma E, kas rada superprovodītāja resistences nepārtrauktu pieaugumu. Kad resistence palielinās, superprovodītāja radītais cildinājums strauji saskaņojas ar apkārtējā vides cildinājumu, un temperatūra stabilizējas, galu galā sasniedzot pastāvīgu resistences normālo stāvokli.

1.2 R-SFCL lietošana elastīgajos GZ sistēmās

Elastīgajās GZ pārraides sistēmās GZ strāvai trūkst dabiskiem nulles punktiem. Kad notiek īsā ceļa kļūda, kļūdas strāva strauji palielinās, rādot nopietnu draudu sistēmas elektrotehniskajām ierīcēm. Lai nodrošinātu sistēmas uzticamību, līknes pārtraukuma ierīces jāizolē strauji. Pašreizējā situācijā GZ līknes pārtraukuma ierīces vēl nav pilnībā atbilstošas praktiskajām prasībām.

GZ puses kļūdās parasti tiek izsiltas AK puses pārtraukuma ierīces, bet tas neizbēgami izsilt converteru staciju, un enerģijas elektronikas ierīces var tikt bojātas pārstrāvas laikā. GZ aizsardzība jāveic vesels aizsardzības process dažos milisekundēs, savukārt AK līknes pārtraukuma ierīču straujākā darbības laiks parasti ir 50 ms, padarot tos neefektīvi aizsargājot sistēmas enerģijas elektronikas ierīces.

Pašreizējā tehnoloģija ļauj R-SFCL sasniedzēt normālo resistīvo stāvokli aptuveni 3 ms laikā. Rezistīvais superprovoļu strāvas robežsagriezis pāriet strāvas robežējošā stāvoklī daudz straujāk nekā releja aizsardzība, un sasniedz augsto impedanci pirms kļūdas novēršanas, efektīvi samazinot īsā ceļa strāvu.

2 GZ kļūdu raksturojumi elastīgajās GZ sistēmās

Kļūdas punkta atrašanās vieta ietekmē tikai sistēmas impedanci, nevis strāvas ceļu vai īsā ceļa kļūdas pamatraksturlielus. Modeļa veidošanas labad kļūda tiek ieviesta GZ līnijas viduspunktā un tiek pieņemts, ka tā ir metāliska īsā ceļa kļūda. Divpuse elastīgas GZ sistēmas simulācijas modelis un R-SFCL modelis tiek izveidots, izmantojot PSCAD/EMTDC, ar sistēmas nominālo spriegumu ±110 kV un nominālo jaudu 75 MW. R-SFCL instalācijas vieta ir parādīta Attēlā 1.

Kad notiek GZ īsā ceļa kļūda, IGBT tiek detektēts un tūlīt bloķēts, izmantojot tā bloķēšanas funkciju, uzsverot kļūdas strāvu. Tomēr, diodi, kas savienoti paralēli ar IGBT, un pārraides līnijas veido nekontrolējamu mostu, ļaujot komutācijai turpināties pat pēc IGBT bloķēšanas. GZ pola-pola īsā ceļa kļūda var tikt galvenokārt sadalīta trīs posmos: Pirmajā posmā, tieši pēc kļūdas, GZ puses kondensators strauji izsirdzina, un GZ strāva palielinās līdz savam maksimālam vērtībai dažos milisekundēs.

Otrajā posmā, kad kondensatora spriegums samazinās līdz nullei, strāva, kas plūst cauri diodiem, var pārsniegt desmitreizes to nominālo strāvu, padarot enerģijas elektronikas ierīces ļoti neskartas bojājumiem. Trešajā posmā, kad GZ īsā ceļa strāva samazinās zemāk par AK tīkla strāvu, AK tīkls sāk plūstot īsā ceļa strāvu GZ kļūdas punktam. GZ zemes kļūda netiek sadalīta otrajā posmā; citādi tās raksturojumi ir līdzīgi pola-pola kļūdai.

AK strāvas plūdes laikā strāva, kas plūst cauri diodiem, ir aptuveni desmitreizes to nominālo strāvu. Šīs divas GZ īsā ceļa kļūdas elastīgajā GZ sistēmā ir parādītas Attēlā 2 un Attēlā 3. Uzstādījot R-SFCL pa kļūdas strāvas ceļu, var strauji palielināt īsā ceļa kontūras resistenci, sniedzot vairāk laika kļūdas novēršanai un samazinot prasības uz GZ līknes pārtraukuma ierīču inerču atvēršanas laiku un pārtraukuma jaudu.

3 Simulācijas analīze

Izmantojot PSCAD/EMTDC simulācijas programmatūru, izstrādātais R-SFCL modelis tiek integrēts iekš esamos divpuse elastīgas GZ sistēmas simulācijas modeli ar jaudu 75 MW, lai to verificētu. Strāvas robežējošā spēja GZ pola-pola kļūdas gadījumā ir parādīta Attēlā 4, un GZ līnijas-zemes kļūdas gadījumā Attēlā 5. No Attēla 4 un Attēla 5 redzams, ka maksimālā kļūdas strāva samazinās, kā palielinās normālā stāvokļa resistence. Ir acīmredzams, ka R-SFCL resistence un maksimālā kļūdas strāva pēc instalācijas parāda noteiktu samazināšanās funkcijas attiecību.

Lai paplašinātu lietošanas jomu, sākotnējais modelis tika palielināts, balstoties uz trim sistēmas jaudām: 75 MW, 150 MW un 300 MW. GZ pola-pola īsā ceļa un GZ līnijas-zemes īsā ceļa nosacījumos tika pētītas R-SFCL normālā stāvokļa resistences vērtības un maksimālās īsā ceļa strāvas attiecības, iegūstot maksimālās īsā ceļa strāvas vērtības. Rezultāti ir parādīti Attēlā 6 un Attēlā 7.

Izmantojot MATLAB krivu piesaistes funkciju, Attēla 6 un Attēla 7 krivās tika piesaistītas, iegūstot funkcijas izteiksmes formā f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, ar konkrētajiem parametriem, kas norādīti Tabulā 1. Atvasinot piesaisto funkciju, iegūst f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. No Tabulas 1 redzams, ka vienādām kļūdas tipiem parametrs b paliek gandrīz nemainīgs, bet parametrs a palielinās ar sistēmas jaudu. Tā kā b ir salīdzinoši mazs, vienādu kļūdas tipu krivu slīpumu izteiksmes ir gandrīz identiskas.Tātad, R-SFCL ar vienādu normālā stāvokļa resistenci parāda vienādu maksimālās kļūdas strāvas maiņas tempu dažādās sistēmas jaudās vienādām kļūdas tipiem, norādīdams konsekventu strāvas robežējošo spēju.

Turklāt, kā R-SFCL normālā stāvokļa resistence lineāri palielinās, tā strāvas robežējošā efektivitāte strauji samazinās. Balstoties uz Attēla 6 un Attēla 7 krivu slīpumiem, optimālais R-SFCL normālā stāvokļa resistences diapazons, lai maksimizētu maksimālās kļūdas strāvas samazināšanās tempu, ir 0–10 Ω.

4 Secinājums

Uzstādījot R-SFCL elastīgās GZ pārraides sistēmas konvertera stacijas GZ izvades pusē, var efektīvi samazināt GZ īsā ceļa kļūdu strāvas. Kā R-SFCL normālā stāvokļa resistence lineāri palielinās, tā strāvas robežējošā efektivitāte strauji samazinās. Ņemot vērā pašreizējo pētniecības stāvokli, inženierzinātniskās izmaksas un zemes platības prasības, ieteikts, ka optimālais R-SFCL normālā stāvokļa resistences diapazons ir 0–10 Ω.