Utafiti kuhusu Chaguo Bora la Ukatili wa Vifuniko vya Kufunga Mzunguko wa Umeme wa DC Yenye Ubunifu

1 Mwambao wa Kuzuia Kasi ya Hitimisho wa Mzunguko wa Umeme wa Kutokana na Uchunguzi

1.1 Sifa za Kifaa

Kwa sababu ya ukuaji wa mitandao ya umeme, uwezo wa kasi ya hitimisho katika misystemi ya umeme ya nchi yanaongezeka haraka, kutathmini changamoto kubwa kwenye ujenzi na uendeshaji wa mitandao. Ili kukabiliana na tatizo la kasi za hitimisho zinazozidi, mwambao wa kuzuia kasi ya hitimisho wa mzunguko (SFCLs) unayejengwa kulingana na sifa za superconductivity zinaelekea kuwa zaidi. Kulingana na sifa zao za kuzuia wakati wanapoingia hali ya upimaji mkubwa, SFCLs zinaweza kugawanyika kati ya aina za resistance na inductive.

Katika haya, mwambao wa kuzuia kasi ya hitimisho wa mzunguo una msimbo rahisi, ukuta ndogo, na uzito mdogo, na sifa za kifaa yenye maana. Mara tu inapofika hali ya upimaji mkubwa, uzuia wake unongezeka haraka, kunatolea uwezo mkubwa wa kuzuia kasi ya hitimisho. Zaidi na hivyo, uwezo wa kifaa linaweza kurudianishwa kwa urahisi kupitia ufunguzi au ushirikiano wa superconductors. Katika miaka ya hivi karibuni, mapokelezo yanayohusiana na viundu vya superconductivity vinavyoweza kutumika kwenye joto cha chumba yamejulikana, na kwa hiyo watu wa elimu na biashara wamekubali kwamba SFCLs za resistance ni njia muhimu ya maendeleo ya baadaye.

Kiasi cha kritical, magnetic field cha kritical, na joto cha kritical ni parameta fiziki muhimu kwa ajili ya kupata taarifa kama superconductor ana hali ya superconductivity. Waktu chochote chenye parameta hayo hutoa thamani zake za kritical, superconductor anategemea kutoka hali ya superconductivity hadi hali ya quench. Mchakato wa quench unajumuisha mfululizo wa mbili: kwanza, hali ya flux flow, halafu hali ya resistance asili. Waktu density ya current ambayo inaenda kwa superconductor inaongezeka zaidi ya density ya current ya kritical, superconductor anategemea kutoka hali ya superconductivity hadi hali ya flux flow.

Hapa: E ni nguvu ya electric field; EC ni nguvu ya critical electric field; J ni density ya current; JCT ni density ya current ya kritical; α ni constant; Tt1 na Tt2 ni majoto ya superconductor katika muda t1 na t2, kwa mtazamo rasmi; QRS ni heat iliyotengenezwa kutoka kwa resistance Rs kutoka t1 hadi t2; QC ni heat iliyowezekana kati ya superconductor na mazingira yake yaliyomo katika muda t1–t2; Cm ni specific heat capacity ya superconductor; JCT(77) ni density ya current ya kritical kwenye 77 K (77 K ni joto la mazingira ya nitrogen liquid); TC ni joto cha kritical; T ni joto la superconductor.

Kulingana na Eq. (1), wakati density ya current J inaongezeka, nguvu ya electric field E ya superconductor inaongezeka haraka, kufanya resistance lake iongezike. Resistance iliyongezeka inaongeza tabasamu ya moto, na kama inavyoelezwa kwa Eq. (2), joto la superconductor linaongezeka pia.

Kutoka Eq. (3), tunajua kuwa ongezeko la joto linachukua density ya current ya kritical, kuboresha nguvu ya electric field E, kufanya resistance ya superconductor iongezike kidogo kidogo. Waktu resistance inaongezeka, moto uliotengenezwa na superconductor unaelekea kuelekea kwa moto unaopotezea kwenye mazingira, na joto linafikia ustawi, hasa kufika hali ya resistance ya asili.

1.2 Matumizi ya R-SFCL katika Misystemi ya DC Flexible

Katika misystemi ya DC flexible, current ya DC haijasema na zero-crossings ya asili. Mara tu kasi ya hitimisho inafika, kasi ya hitimisho inaongezeka haraka, kutathmini hatari kubwa kwa vyombo vya umeme katika system. Ili kupata uhakika wa system, circuit breakers yanapaswa kutekeleza kwa haraka kutetea line ya hitimisho. Hivi sasa, DC circuit breakers hawajafanikiwa kwa kutosha kwa matumizi ya asili.

Wakati kasi ya hitimisho inafika kwenye AC, circuit breakers za AC zinapaswa kutetea, lakini hii inatafsiriwa kwa kufunga station ya converter, na devices za electronics za power zinaweza kuharibika kwa sababu ya overcurrent katika muda huo. DC protection inapaswa kufanya mchakato mzima wa protection kwenye milisekundi kadhaa, na operation time ya AC circuit breakers ni mara nyingi 50 ms, kufanya hawawezi kujitetea devices za electronics za power katika system.

Tecnologia ya sasa inaweza kufanya R-SFCL zirejevu hali ya resistance asili kwenye mikoseko minne. Resistive superconducting fault current limiter anategemea kwenye hali ya kuzuia kasi zaidi ya relay protection, na anafikia hali ya upimaji mkubwa kabla ya kasi ya hitimisho, kufanya kuongeza uwezo wa kuzuia kasi ya hitimisho.

2 Sifa za Kasi ya DC katika Misystemi ya DC Flexible

Nneko la kasi ya hitimisho linaweza kuchanganya tu impedance ya system, si njia ya current au sifa asili za kasi ya hitimisho. Kwa ajili ya modeling rahisi, kasi ya hitimisho inaelekezwa katika midpoint ya DC line na inachanganuliwa kuwa metallic short circuit. Model ya simulation ya DC system flexible ya two-terminal na model ya R-SFCL zimejenga kwa kutumia PSCAD/EMTDC, na rated voltage ya ±110 kV na rated power ya 75 MW. Nneko la R-SFCL linavyoitwa liko katika Fig. 1.

Wakati kasi ya hitimisho ya DC inafika, IGBT inachukua na ikishtuka mara tu itafuta kasi ya hitimisho. Lakini, diodes zinazojirudia na IGBT na transmission lines zinajenga bridge rectifier circuit isiyoweza kudhibiti, kufanya commutation ikafanya endelea hata baada ya IGBT kushindwa. Kasi pole-to-pole ya DC inaweza kugawanyika katika taratibu tatu: Taratibu ya kwanza inafanyika mara tu baada ya kasi, wakati capacitor ya DC anafungua haraka na kasi ya DC inaongezeka hadi kwenye peak value kwenye mikoseko kadhaa.

Katika taratibu ya pili, baada ya voltage ya capacitor kukua hadi sifuri, kasi inayopita kwa diodes inaweza kufika mara tano au zaidi ya rated current, kufanya devices za electronics za power zinaweza kuharibika. Katika taratibu ya tatu, wakati kasi ya hitimisho ya DC inasalia chini ya kasi ya grid ya AC, grid ya AC inafanya kasi ya hitimisho kuanza kufika kwenye neko la kasi ya hitimisho. Kasi ya ground ya DC haijasema na taratibu ya pili; vinginevyo, sifa zake ni sawa na za pole-to-pole.

Wakati kasi ya AC inafika, kasi inayopita kwa diodes inaweza kufika mara tano au zaidi ya rated current. Njia za kasi hizi mbili za hitimisho ya DC katika system ya DC flexible zimeonyeshwa katika Fig. 2 na Fig. 3. Kuweka R-SFCL kwenye njia ya kasi ya hitimisho inaweza kusababisha resistance ya loop ya hitimisho kwa haraka, kutoa muda zaidi kwa kasi ya hitimisho na kureduka mahitaji ya opening time na interrupting capacity ya DC circuit breakers.

3 Uchanganuzi wa Simulation

Kutumia software ya simulation ya PSCAD/EMTDC, model ya R-SFCL imetengeneza imegawanyika kwenye model ya simulation ya DC system flexible ya two-terminal imetengeneza na uwezo wa 75 MW kwa ajili ya uthibitishaji. Uwezo wa kuzuia kasi wakati wa kasi ya hitimisho pole-to-pole inaonekana katika Fig. 4, na wakati wa kasi ya hitimisho line-to-ground inaonekana katika Fig. 5. Kama inavyoonekana katika Fig. 4 na Fig. 5, peak fault current inasalia chini kama resistance ya hali ya normal inaongezeka. Ni wazi kwamba resistance ya R-SFCL na peak fault current baada ya installation yanapatikana kwa uhusiano wa decay function.

Kupanua utaratibu wa matumizi, model ya awali imeongezeka kwa undani kwa kutumia uwezo wa system tatu: 75 MW, 150 MW, na 300 MW. Kwa masharti ya kasi ya hitimisho pole-to-pole na kasi ya hitimisho line-to-ground, uhusiano wa resistance value ya hali ya normal ya R-SFCL na peak short-circuit current alikuwa kutathmini kutokuwa na peak values za kasi za hitimisho. Matokeo yameonekana katika Fig. 6 na Fig. 7.

Kutumia curve-fitting function katika MATLAB, curves katika Fig. 6 na Fig. 7 zimefitiwa kwa kila moja, kutokana na functional expressions ya f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, na parameters zenye maana zimeorodheshwa katika Table 1. Kuchukua differential ya fitted function inatoa f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. Kutoka Table 1, inaweza kutambuliwa kuwa kwa aina tofauti za kasi, parameter b unaweza kuwa wa kila wakati, na parameter a unaweza kuzidi kwa uwezo wa system. Kwa sababu b ni ndogo, slope expressions za curves za aina tofauti za kasi zinaweza kuwa sawa.Kwa hiyo, R-SFCLs wenye resistance ya hali ya normal sawa wanaweza kufanya rate of change ya peak fault current kuwa sawa kwa uwezo tofauti wa system kwa aina tofauti za kasi, inaonyesha performance ya kuzuia kasi sawa.

Zaidi na hivyo, kama resistance ya hali ya normal ya R-SFCL inaongezeka kwa undani, uwezo wake wa kuzuia kasi unaanza kuanguka. Kulingana na slopes za curves katika Fig. 6 na Fig. 7, range optimal ya resistance ya hali ya normal ya R-SFCL kwa ajili ya kukuza rate of reduction ya peak fault current ni 0–10 Ω.

4 Mwisho

Kuweka R-SFCL kwenye output side ya DC ya station ya converter katika system ya DC flexible inaweza kusaidia kusalia kasi za hitimisho ya DC. Kama resistance value ya R-SFCL inaongezeka kwa undani, uwezo wake wa kuzuia kasi unaanza kuanguka. Kulingana na hali ya utafiti, gharama za engineering, na mahitaji ya ardhi, inapatikana kuwa range optimal ya resistance ya hali ya normal ya R-SFCL ni 0–10 Ω.