Ограничители на дефектни токове | Технология и въздействие върху стабилността на мрежата

1 Въведение в технологията на ограничителите на тока при дефект (FCL)

Традиционните пасивни методи за ограничаване на тока при дефект - като използването на трансформатори с висок импеданс, фиксирани реактори или разделяне на шината - имат вродени недостатъци, включително нарушаване на структурата на мрежата, увеличение на стабилния импеданс на системата и намалена сигурност и стабилност на системата. Тези подходи все повече се оказват неподходящи за днешните сложни и голяма мащабна електроенергийни мрежи.

В сравнение, активните технологии за ограничаване на тока при дефект, представени от ограничителите на тока при дефект (FCLs), показват нисък импеданс по време на нормална работа на мрежата. Когато се появи дефект, FCL бързо преминава в състояние с висок импеданс, което ефективно ограничава тока при дефект до по-ниско ниво, позволявайки динамично управление на тока при дефект. FCLs са еволюирали от традиционната концепция за ограничаване на тока чрез сериен реактор, интегрирайки напредълни технологии като силова електроника, свръхпроводимост и контрол на магнитната верига.

Основният принцип на FCL може да бъде опростен до модела, показан на Фигура 1: по време на нормална работа на системата, ключ K е затворен и FCL не въвежда ограничаващ импеданс. Само когато се появи дефект, K бързо се отваря, вмъквайки реактора, за да ограничи тока при дефект.

Повечето FCLs са основани на този основен модел или неговите разширени варианти. Основните различия между различните FCLs се коренят в природата на ограничаващия импеданс, реализацията на ключа K и съответните стратегии за управление.

2 Схеми за приложение на FCL и текущо състояние

2.1 Свръхпроводящи ограничители на тока при дефект (SFCLs)

SFCLs могат да бъдат класифицирани като типа "квенч" или нетип "квенч", в зависимост от това дали използват прехода на свръхпроводника от свръхпроводещо до нормално състояние (S/N преход) за ограничаване на тока. Структурно те са подразделени на резистивни, мостови, магнитно-екранирани, трансформаторни или насыщени типове. Тип "квенч" SFCLs зависят от S/N преход (изтеглен, когато температурата, магнитното поле или токът надвишават критични стойности), когато свръхпроводникът преминава от нулево съпротивление до високо съпротивление, ограничавайки тока при дефект.

Нетип "квенч" SFCLs комбинират свръхпроводящи обмотки с други компоненти (например, силова електроника или магнитни елементи) и контролират операционните режими, за да ограничат краткосрочните токове. Практичното приложение на SFCLs се сблъсква с общи предизвикателства на свръхпроводимостта, като цена и ефективност на охлаждането. Освен това, тип "квенч" SFCLs имат дълги времена на възстановяване, потенциално се противопоставят на повторното затваряне на системата, докато изменението на импеданса на нетип "квенч" SFCLs може да засегне координацията на реле защитата, изискваща ново задаване.

2.2 Магнитни елементи ограничители на тока

Тези са разделени на типове с отмена на потока и магнитно-наситен тип переключвател. В тип с отмена на потока, две обмотки с противоположна полярност са намотани на един и същ ядро. По време на нормална работа, равни и противоположни потоци се анулират, резултиращо в нисък утечен импеданс.

По време на дефект, една обмотка е обикаляна, нарушавайки баланса на потока и предлагайки висок импеданс. Магнитно-наситеният тип переключвател работи, като насочва ограничителната обмотка към наситено състояние (чрез DC bias, и т.н.) по време на нормална работа, давайки нисък импеданс. По време на дефект, токът при дефект извежда ядрото от наситено състояние, създавайки висок импеданс за ограничаване на тока. Заслужаващо внимание, магнитните елементи ограничители са ограничени в приложението си поради сложните изисквания за управление.

2.3 Ограничители на тока с PTC резистори

Резисторите с положителен температурен коефициент (PTC) са нелинейни; те показват ниско съпротивление и минимално затопляне по време на нормална работа. По време на краткосрочно замыкание, техната температура бързо се увеличава, увеличавайки съпротивлението с 8-10 порядъка на величина в милисекунди. FCLs, основани на PTC резистори, са намерили комерсиално приложение в нисковолтови приложения.

Обаче, недостатъците включват: високи надвoltage, генерирали по време на ограничаване на индуктивния ток (изискващи паралелна защита от надвoltage); механическо напрежение, причинено от разширяването на резистора по време на работа; ограничен рейтинг на напрежение/ток (стотици волта, няколко ампера), изискващ серийни-паралелни връзки и ограничаващ приложението високоволтови; и дълги времена на възстановяване (няколко минути) с кратък срок на служба, затрудняващи голямомащабното приложение.

2.4 Твърдотелни ограничители на тока (SSCLs)

SSCLs са нов тип ограничител на краткосрочния ток, основан на силова електроника, обикновено състоящи се от конвенционални реактори, силови електронни устройства и контролери. Те предлагат различни топологии, бърз отговор, висока оперативна издръжливост и прост контрол. Чрез контролиране на състоянието на силовите електронни устройства, еквивалентният импеданс на SSCL се изменя, за да ограничи тока при дефект. Разглеждани като нов FACTS устройство, SSCLs привличат все повече внимание. Обаче, по време на дефекти, силовите електронни устройства трябва да носят целия ток при дефект, изискващ високо производствено изпълнение и капацитет. Координацията между много SSCLs или с други FACTS системи за управление остава критично предизвикателство.

2.5 Икономични ограничители на тока

Тези предлагат зрелата технология, висока надеждност, ниска цена и автоматично превключване без външен контрол. Те са главно разделени на типове с преход на дъгов ток и сериен резонанс. Тип с преход на дъгов ток се състои от вакуумен ключ в паралел с ограничителен резистор. По време на нормална работа, нагрузъчният ток протича през ключа. При краткосрочно замыкание, ключът се отваря, принуждавайки тока да премине към резистора за ограничаване на тока.

Проблемите включват: токът на преход, засегнат от напрежението на дъга и страя индуктивност; времето на преход, зависещо от скоростта на ключа; и трудността в прехода на тока при ниско напрежение на дъга, изискващо допълнителни устройства, за да увеличи напрежението на дъга и да принуди нулево пресичане на тока. Серийните резонансни FCLs използват наситени реактори или ограничители на вълните като ключове. По време на нормална работа, кондензаторът и индукторът са в серийен резонанс с нисък импеданс. По време на дефект, високият ток наситява реактора или активира ограничителя на вълните, деструниращ резонанса и вмъква реактора в линията за ограничаване на тока. Електромагнитните репулсивни бързи ключове могат също бързо да обикалят кондензатора.

2.6 Текущо състояние на инженерните приложения на FCL

За практическа стойност, FCLs трябва не само бързо да вмъкват импеданс по време на дефекти, но също така да разполагат с автоматично възстановяване, многократни последователни операции, ниско генериране на хармоники и приемливи инвестиции и разходи за експлоатация. В момента, ограничени от технически предизвикателства и икономическа ефективност, въпреки различни експериментални прототипи, разработени по света, реалните приложения в мрежите са малобройни, главно ограничени до нисковолтови, малки щетови пилотни проекти.

Полето започна по-рано в чужбина, с значителен напредък в комерсиализацията на твърдотелни и свръхпроводящи FCL. През 1993 г., 6.6 MW твърдотелен прекъсвач, използващ антипаралелни GTO, беше инсталиран на 4.6 kV фидер в Армейския център за енергия в Ню Джърси, САЩ, способен да изчисти дефекти в рамките на 300 μs. През 1995 г., 13.8 kV/675 A твърдотелен FCL от EPRI и Westinghouse беше въведен в експлоатация в подстанция на PSE&G. За свръхпроводящи FCL, хибридни AC/DC FCL бяха разработени от ACEC-Transport и GEC-Alsthom през 1998 г., достигайки комерсиализация. През 1999 г., 15 kV/1200 A SFCL, развит общо от General Atomics и други, беше инсталиран в подстанция на Southern California Edison (SCE).

Домашните изследвания на FCL започнаха по-късно, но напреднаха бързо. През 2007 г., 35 kV свръхпроводящ насищен FCL, разработен от Tianjin Electromechanical Holdings и Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd., беше подключен към пробна експлоатация в подстанцията Puji, Юньнан - тогава най-високоволтовият, най-големият по капацитет свръхпроводящ ограничител в пробна експлоатация. За сериен резонансен FCL, първият 500 kV устройство в Китай, разработено общо от China Electric Power Research Institute, Zhongdian Puri и East China Grid, беше въведено в експлоатация в подстанцията 500 kV Bingyao към края на 2009 г., намалявайки тока при дефект до под 47 kA.

Глобално, приложенията на FCL все още са ограничени до отделни проекти, но привличат все повече внимание. Значителен потенциал остава в изследванията за увеличаване на капацитета, издръжливостта на напрежението, подобрения на материалите, разсейването на топлината, контрола на цените и оптимизацията на топологията.

3 Въздействие на интеграцията на FCL върху сигурността и стабилността на електроенергийната система

Бързото вмъкване на импеданса на FCL по време на дефекти, макар и ефективно да ограничава тока, променя параметрите на мрежата, влияйки върху преходната стабилност, стабилността на напрежението, настройките на реле защитата и повторното затваряне. Лошо управление може да доведе до неблагоприятни ефекти. Координираното управление и оптималната конфигурация са необходими за многобройни FCL, за да постигнат оптимално изпълнение.

3.1 Въздействие върху настройките на реле защитата и повторното затваряне

За насищени SFCL, дългото време за възстановяване означава, че значителен импеданс продължава да съществува след дефекта, потенциално изискващ ново задаване на автоматичното повторно затваряне и реле защитата. Литературата предлага установяване на тип "квенч" SFCL на генераторни и главни трансформаторни разклонения; въпреки, че е необходимо ново задаване на защитата, постоянният висок импеданс по време на възстановяване може да действа като тормозен резистор, полезен за преходната стабилност. Предложени са различни методи за настройка на дистанционната защита, взимайки предвид SFCL. Твърдотелните FCL могат да използват сигнали за тригеринг на тиристори, контакти на обикалящ прекъсвач, позиции на ключовете на FCL и GAP цепи, за да превключат настройките на защитата от нулев ток, решавайки проблеми с чувствителността след вмъкването на FCL.

3.2 Въздействие върху преходната мощност-ъглова стабилност

Макар FCL обикновено да работят с нисък импеданс по време на нормална работа и висок импеданс по време на дефекти, специфичната им операция и структура водят до различни въздействия върху преходната мощност-ъглова стабилност. Твърдотелни и свръхпроводящи FCL, като вмъкват висок импеданс по време на дефекти, могат да увеличат електромагнитната мощност на генератора и да подобрят преходната стабилност.

Резистивните FCL подобряват стабилността повече от индуктивните, като предоставят демпфиращо съпротивление, което изразходва повече мощност от генератора. Обаче, неправилни стойности на съпротивлението могат да причинят обратен поток на мощност към генератора, засилвайки недостига на мощност. Анализът показва, че при дефекти, далеч от генератора, индуктивните SFCL стават по-полезни, тъй като общата прехвърляща реактивност намалява. Резистивните SFCL също показват подобни характеристики след определена граница на съпротивлението.

Въздействието зависи от местоположението и типа на дефекта; FCL засягат мощност-ъгловата стабилност само когато дефектите се появят на техните инсталирани линии. За асиметрични дефекти в началото на линията, индуктивността на FCL благоприятства стабилността, увеличавайки се със стойността на индуктивността. На края на линията, ако дефектът бъде изчистен бързо, индуктивността на FCL може да вреди на стабилността, но отрицателното въздействие намалява с повишаването на индуктивността за фазно-фазни и двуфазни-до-земя дефекти. За еднофазни или фазно-фазни дефекти близо до края на линията, леко удължаване на времето за изчистване на дефекта прави малката индуктивност на FCL полезна, значително намалявайки амплитудата на кривата на колебанията в сравнение с бързо изчистване.

3.3 Въздействие върху преходната напрежение-стабилност

Краткосрочните дефектни токове причиняват спадове на напрежението, засягайки функционирането на оборудването и причинявайки икономически загуби. Анализът, основан на PSCAD, показва, че по-голямата индуктивност на FCL подобрява подаването на спадовете на напрежението в определен диапазон. Вродената способност на FCL да подобрява напрежението при дефект се променя със структурата на мрежата. На радиални фидери, реактивността на FCL >0.5 pu може да поддържа напрежението над 0.8 pu по време на дефекти. Локалното генериране или реактивна подкрепа близо до шината на дефекта намалява зависимостта от FCL.

3.4 Координация с традиционни ограничаващи мерки

Координацията на FCL с традиционни мерки (например, реактори, трансформатори с висок импеданс) е ключова за практическия приложение. Автоматизиран метод за оптимизация, използвайки 0-1 променливи за разпределение на мерките и целочислени променливи за капацитет, формира задача за миксирано целочислено програмиране, решавана чрез метода на разклоняване и ограничаване, за да направи координираната конфигурация.

3.5 Оптимизация на конфигурацията

С много FCL, оптимизиране на местоположението, броя и параметрите за икономически ефективно изпълнение е гореща точка в изследванията. За малки мрежи, изброените или методи, базирани на скоростта на промяна/изгуба на мощност, са достатъчни. За големи мрежи с много възли, надвишаващи границите за краткосрочни дефектни токове, изброяването става изчислително интензивно и недостатъчно за многомерни задачи (импеданс, брой, местоположение).

Многоцелева оптимизация с тегла, използвайки генетични или алгоритми на рояд частици, е обикновена, но резултатите зависят тежко от избора на тегла. Методи, базирани на чувствителност, изчисляващи промяната на краткосрочния ток относно импеданса на възли, избягват зависимостта от тегла и помагат за определянето на оптималното местоположение, брой и импеданс на FCL. Тъй като основната цел е ограничаване на тока, оптимизацията може да се фокусира върху ефективността на ограничаването, осигурявайки, че избраните местоположения на FCL засягат всички възли с недостатъчна маржа за краткосрочни дефектни токове. Разходите и операционните загуби също са критични фактори в реалната оптимизация.

4 Развитие и тенденции в приложението на FCL

4.1 Тенденции в изследванията на технологията FCL

За да се използват предимствата и да се намалят слабостите, възникват нови посоки на изследвания. Комбинирането на свръхпроводящи FCL с акумулиращи устройства е гореща точка - абсорбиране на енергия по време на дефекти и доставяне на енергия, за да подобри качеството на енергията по време на нормална работа, постигайки двойни предимства. Ключовият елемент е дизайнът на системата за регулиране на мощността.

За да се справят с високите изисквания за капацитет, разходи и хармоники в твърдотелните ограничители, са предложени подобрени топологии, като трансформаторно-свързани трифазни мостови SSCL с обикалящи индуктори. Конвенционалните FCL липсват динамична подправяемост и стабилна компенсация.

Е многофункционален FCL с динамична сериена компенсация е предложен: нормалната работа използва комутация на банка от кондензатори за стъпкова компенсация на линията; по време на дефекти, GTO или IGCT контролират степента на ограничаване чрез сериен индуктор, позволявайки многобройни приложения. Сериената компенсация трябва да бъде избрана внимателно, за да се избегнат подсинхронни колебания.

4.2 Тенденции в приложението на FCL

FCL не само ограничават краткосрочните токове, но и, при подходящи условия, могат да подобрят мощност-ъгловата и напрежение-стабилност, разширявайки