Omezovače případových proudů | Vliv technologie a stability sítě

1 Úvod do technologie omezovače případového proud (FCL)

Tradiční pasivní metody omezení případového proudu – jako použití transformátorů s vysokým odporom, pevných reaktorů nebo provozu rozdělené sběrnice – trpí vrozenými nedostatky, včetně porušení struktury sítě, zvýšení stálého systémového impedance a snížení bezpečnosti a stability systému. Tyto přístupy se stávají čím dál méně vhodné pro dnešní komplexní a velké elektrické sítě.

Naopak aktivní technologie omezení případového proudu, reprezentované Omezovači Případového Proudu (FCL), mají nízkou impedanci během normálního provozu sítě. Když dojde k poruše, FCL rychle přechází do stavu s vysokou impedancí, efektivně omezující případový proud na nižší úroveň, což umožňuje dynamickou kontrolu případových proudů. FCL se vyvinuly z tradičního konceptu omezení proudu sériovým reaktorem integrací pokročilých technologií, jako jsou elektronika moci, nadvodiče a řízení magnetické obvodové.

Základní princip FCL lze zjednodušit do modelu znázorněného na obrázku 1: během normálního provozu systému je spínač K uzavřen a FCL nezavádí žádnou omezující impedanci. Pouze když dojde k poruše, rychle otevře K, vkládaje reaktor k omezení případového proudu.

Většina FCL je založena na tomto základním modelu nebo jeho rozšířených variantách. Hlavní rozdíly mezi různými FCL spočívají v charakteru omezující impedanční, implementaci spínače K a přidružených strategiích řízení.

2 Implementační schémata a stav aplikace FCL

2.1 Supravodičové omezovače případového proudu (SFCL)

SFCL lze rozdělit na typy s přechodem nebo bez přechodu podle toho, zda využívají přechod supravodiče ze stavu suprovodivosti do normálního stavu (S/N přechod) pro omezení proudu. Strukturně jsou dále kategorizovány jako rezistivní, mostové, magneticky chráněné, transformátorové nebo nasycené jádro. Typy s přechodem SFCL spoléhají na S/N přechod (aktivovaný, když teplota, magnetické pole nebo proud překročí kritické hodnoty), kdy supravodič přechází z nulového odporu na vysoký odpor, tedy omezují případový proud.

Typy SFCL bez přechodu kombinují cívečky z supravodiče s dalšími komponentami (např. elektronikou moci nebo magnetickými prvky) a řídí operační režimy k omezení krátkozávodných proudů. Praktické použití SFCL čelí běžným výzvám supravodičů, jako jsou náklady a efektivita chlazení. Navíc typy s přechodem SFCL mají dlouhé doby obnovy, což může být v rozporu s opětovným zapnutím systému, zatímco změny impedanční u typů bez přechodu mohou ovlivnit koordinaci ochrany relé, což vyžaduje nastavení znovu.

2.2 Magnetické prvky omezovačů proudu

Tyto jsou rozděleny na typy s rušením toku a typy s přepínačem magnetického nasycení. U typu s rušením toku jsou dvě cívečky s opačnou polaritou namotané na stejném jádře. Během normálního provozu se rovné a opačné toky ruší, což vede k nízkému únikovému odporu.

Během poruchy je jedna cívečka obejde, ruší rovnováhu toku a prezentuje vysokou impedanci. Typ s přepínačem magnetického nasycení funguje tak, že cívečku pro omezení proudu zvedá do nasycení (např. pomocí DC polarizace) během normálního provozu, což vede k nízké impedanci. Během poruchy vytlačuje proud jádro z nasycení, vytvářející vysokou impedanci pro omezení proudu. Vzhledem k složitým požadavkům na řízení má limitéry s magnetickými prvky omezené uplatnění.

2.3 Omezovače proudu s rezistory PTC

Rezistory s pozitivním teplotním koeficientem (PTC) jsou nelineární; během normálního provozu mají nízký odpor a minimální tepelné ztráty. Během krátkého spojení jejich teplota rychle stoupá, zvyšující odpor o 8-10 řádů velikosti během milisekund. FCL založené na rezistorích PTC najdou komerční použití v nízkonapěťových aplikacích.

Nicméně, nedostatky zahrnují: vysoké přetlaky generované během omezení induktivního proudu (vyžadující paralelní ochranu proti přetlaku); mechanické napětí způsobené roztažením rezistoru během provozu; omezené napěťové/proudové hodnoty (stovky voltů, několik amperů), což vyžaduje sériově-paralelní spojení a omezující použití vysokého napětí; a dlouhé doby obnovy (několik minut) s krátkou životností, bránící širokému nasazení.

2.4 Pevného stavu omezovače proudu (SSCL)

SSCL jsou nový typ omezovače krátkého spojení založený na elektronice moci, obvykle složený z tradičních reaktorů, elektronických zařízení a řadičů. Nabízejí různé topologie, rychlou odezvu, vysokou provozní odolnost a jednoduché řízení. Řízením stavu elektronických zařízení se mění ekvivalentní impedancí SSCL k omezení případového proudu. Považovány za nový FACTS zařízení, získávají SSCL rostoucí pozornost. Nicméně, během poruch musí elektronická zařízení nést celý případový proud, což vyžaduje vysokou výkonnost a kapacitu zařízení. Koordinace mezi více SSCL nebo s jinými systémy řízení FACTS zůstává klíčovým problémem.

2.5 Ekonomické omezovače proudu

Tyto nabízejí zralou technologii, vysokou spolehlivost, nízké náklady a automatické přepínání bez externího řízení. Jsou hlavně klasifikovány jako typ přenosu proudového oblouku a sériově rezonanční typ. Typ přenosu proudového oblouku se skládá z vakuumového spínače v paralelním spojení s omezujícím rezistorem. Během normálního provozu proud zatížení prochází skrz spínač. Po výskytu krátkého spojení se spínač otevře, nutí proud přenést na rezistor pro omezení proudu.

Problémy zahrnují: přenosový proud ovlivněný napětím vakuumového oblouku a okrajovou indukcí; doba přenosu závislá na rychlosti spínače; a obtížný přenos proudu při nízkém napětí oblouku, což vyžaduje pomocné zařízení pro zvýšení napětí oblouku a vynucení nulového průchodu proudu. Sériově rezonanční FCL používají nasycené reaktory nebo ochranné zařízení jako spínače. Během normálního provozu jsou kondenzátor a induktor v sériové rezonanci s nízkou impedancí. Během poruchy vysoký proud nasycuje reaktor nebo aktivuje ochranné zařízení, detunuje rezonanci a vkládá reaktor do linky pro omezení proudu. Rychlé spínače s elektromagnetickým odrazem mohou rychle obejít kondenzátor.

2.6 Současný stav inženýrských aplikací FCL

Pro praktickou hodnotu musí FCL nejen rychle vložit impedanci během poruch, ale také disponovat automatickým resetováním, možností opakovaného opakovaného provozu, nízkou generací harmonických, a přijatelnými investičními a provozními náklady. V současné době, omezené technickými výzvami a hospodárností, navzdory různým experimentálním prototypům vyvinutým po celém světě, skutečné síťové aplikace zůstávají vzácné, převážně omezené na pilotní projekty s nízkým napětím a malou kapacitou.

Tento obor začal dříve v zahraničí, s významným pokrokem v komercializaci pevného stavu a superkonduktivních FCL. V roce 1993 byl na 4,6 kV vedení v Army Power Center v New Jersey, USA, instalován 6,6 MW pevného stavu spínač s anti-paralelními GTO, schopný odstranit poruchy během 300 μs. V roce 1995 byl 13,8 kV/675 A pevného stavu FCL od EPRI a Westinghouse uveden do provozu na podsíti PSE&G. Pro superkonduktivní FCL byl v roce 1998 vyvinut hybridní AC/DC FCL společnostmi ACEC-Transport a GEC-Alsthom, dosahující komercializace. V roce 1999 byl 15 kV/1200 A SFCL vyvinutý společně s General Atomics a jinými firmami instalován na podsíti Southern California Edison (SCE).

Domácí výzkum FCL začal později, ale postupoval rychle. V roce 2007 byl v Puji Substation v Yunnanu proveden zkouškový provoz 35 kV superkonduktivního nasyceného jádra FCL vyvinutý Tianjin Electromechanical Holdings a Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd. - tehdy nejvyšší napětí a nejvyšší kapacita superkonduktivního limiteru ve zkouškovém provozu na světě. Pro sériově rezonanční FCL bylo v listopadu 2009 uvedeno do provozu první 500 kV zařízení v Číně, vyvinuté společně s China Electric Power Research Institute, Zhongdian Puri a East China Grid, na 500 kV Bingyao Station, snižující krátkozávodný proud pod 47 kA.

Globálně jsou aplikace FCL stále omezeny na individuální projekty, ale získávají rostoucí pozornost. Zbývá významný potenciál výzkumu na zvýšení kapacity, výdrže napětí, vylepšení materiálů, odvodu tepla, kontrole nákladů a optimalizaci topologie.

3 Důsledky integrace FCL na bezpečnost a stabilitu elektrického systému

Rychlé vložení impedancí FCL během poruch, ačkoli efektivně omezují proud, mění parametry sítě, ovlivňují přechodovou stabilitu, stabilitu napětí, nastavení ochrany relé a opětovného zapnutí. Špatné řízení může vést k negativním účinkům. Koordinované řízení a optimální konfigurace jsou nezbytné pro více FCL, aby dosáhly optimálního výkonu.

3.1 Důsledky na nastavení ochrany relé a opětovného zapnutí

Pro SFCL s nasyceným jádrem, dlouhá doba obnovy znamená, že po poruše zůstává významná impedancia, což může vyžadovat znovunastavení automatického opětovného zapnutí a ochrany relé. Literatura navrhuje instalaci typů s přechodem SFCL na větvích generátorů a hlavních transformátorů; i když je potřeba znovunastavit ochranu, trvalá vysoká impedancia během obnovy může působit jako brzdicí rezistor, přínosný pro přechodovou stabilitu. Byly navrženy různé metody nastavení vzdálené ochrany, které berou v úvahu SFCL. Pevného stavu FCL mohou použít signály pro spouštění thyristorů, kontakty obejdovacího spínače, polohy spínače FCL a GAP obvody k přepínání nastavení ochrany nulového proudu, řešení citlivosti po vložení FCL.

3.2 Důsledky na přechodovou stabilitu elektrického úhlu

I když FCL obecně fungují s nízkou impedancí během normálního provozu a vysokou impedancí během poruch, jejich specifický provoz a struktura vedou k různým dopadům na přechodovou stabilitu elektrického úhlu. Pevného stavu a superkonduktivní FCL, vkládáním vysoké impedancí během poruch, mohou zlepšit výkon elektromagnetického generátoru a zlepšit přechodovou stabilitu.

Rezistivní typy FCL zlepšují stabilitu více než induktivní typy poskytováním tlumičového odporu, který spotřebovává více výkonu generátoru. Nicméně, nesprávné hodnoty odporu mohou způsobit reverzní tok proudu k generátoru, zhoršující deficit výkonu. Analýza ukazuje, že pro poruchy vzdálené od generátoru, induktivní SFCL stávají se přínosnějšími s poklesem celkové přenosové reaktance. Rezistivní SFCL také ukazují podobné vlastnosti při překročení hranice odporu.

Dopad závisí na umístění a typu poruchy; FCL ovlivňují stabilitu elektrického úhlu pouze, když poruchy probíhají na jejich instalovaných linkách. Pro asymetrické poruchy na začátku linky, indukčnost FCL přínosně ovlivňuje stabilitu, zvyšující se s hodnotou indukčnosti. Na konci linky, pokud je porucha rychle odstraněna, může indukčnost FCL zhoršit stabilitu, ale negativní dopad klesá s vyšší indukčností pro fázové a dvoufázové poruchy na zemi. Pro jednofázové nebo fázové poruchy blízko konců linky, mírné prodloužení doby odstranění poruchy může malou indukčnost FCL udělat přínosnou, výrazně snižující amplitudu kmitavé křivky oproti rychlému odstranění.

3.3 Důsledky na přechodovou stabilitu napětí

Krátkozávodné poruchy způsobují poklesy napětí, ovlivňující provoz zařízení a způsobující ekonomické ztráty. Analýza založená na PSCAD ukazuje, že větší indukčnost FCL zlepšuje potlačení poklesu napětí v určitém rozsahu. Inherentní schopnost FCL zlepšit napětí při poruchách se liší podle struktury sítě. Na radiálních vedeních může reaktance FCL >0,5 pu udržovat napětí nad 0,8 pu během poruch. Lokální generace nebo reaktivní podpora poblíž poruchové sběrnice snižuje závislost na FCL.

3.4 Koordinace s tradičními omezovacími opatřeními

Koordinace FCL s tradičními opatřeními (např. reaktory, transformátory s vysokou impedancí) je klíčová pro praktické použití. Automatická optimalizační metoda používající 0-1 proměnné pro nasazení opatření a celočíselné proměnné pro kapacitu tvoří smíšené celočíselné programovací problémy, řešitelné metodou rozvětění a ohraničení, k vedení koordinované konfigurace.

3.5 Optimalizace konfigurace

S více FCL, optimalizace umístění, počtu a parametrů pro nákladově efektivní výkon je horkým tématem výzkumu. Pro malé sítě stačí enumerace nebo metody založené na změně/rychlosti ztráty výkonu. Pro velké sítě s více uzly překračujícími limity krátkozávodných proudů, enumerace stává se výpočetně náročná a nevhodná pro vícekriteriální problémy (impedance, počet, umístění).

Vážená vícekriteriální optimalizace pomocí genetických nebo hejových algoritmů je běžná, ale výsledky silně závisí na výběru váhy. Metody založené na citlivosti, vypočítávající změny krátkozávodných proudů vzhledem k impedanci větve, vyhýbají se závislosti na váze a pomáhají určit optimální umístění, počet a impedanci FCL. Protože hlavním cílem je omezení proudu, optimalizace může zaměřit na účinnost omezení, zajistí, aby vybraná umístění FCL ovlivňovala všechny uzly s nedostatečným marginem krátkozávodných proudů. Náklady a provozní ztráty jsou také klíčovými faktory v reálné optimalizaci.

4 Vývoj a trendy aplikací FCL

4.1 Trendy výzkumu technologie FCL

Pro využití výhod a minimalizaci slabých stránek, vznikají nové směry výzkumu. Kombinace superkonduktivních FCL s úložištěm energie je horkým tématem - absorbuje energii během poruch a dodává ji ke zlepšení kvality napájení během normálního provozu, dosahující dvojitého přínosu. Klíčem je návrh systému podmínění energie.

Pro řešení vysokých požadavků na kapacitu, náklady a harmonické v pevného stavu limiterch, byly navrženy vylepšené topologie, jako jsou transformátorově spojené třífázové mostové SSCL s obejdovacími induktory. Tradiční FCL chybí dynamická adaptabilita a stálá kompenzace.

Byl navržen multifunkční FCL s dynamickou sériovou kompenzací: během normálního provozu se používá přepínání kondenzátorové banky pro stupňovitou kompenzaci linky; během poruch řídí GTO nebo IGCT stupeň omezení prostřednictvím sériového induktoru, umožňující víceúčelové použití. Sériová kompenzace musí být pečlivě volena, aby se zabránilo subsynchrónním oscilacím.

4.2 Trendy aplikací FCL

FCL nejen omezují krátkozávodné proudy, ale v příhodných podmínkách mohou zlepšit stabilitu elektrického úhlu a napětí, rozšiřují tak své spektrum aplikací. Vznikající trendy zahrnují zlepšení kapacity příjemcového konce DC, snížení rizika selhání komutace, zlepšení kvality napájení a podporu velkéměřné integrace obnovitelných zdrojů.

V multi-terminalních DC systémech mohou FCL omezit proud bez ovlivnění normálního provozu. Pro síť příjemcového konce DC, FCL instalované na cestách šíření poruch mohou izolovat oblasti, blokovat šíření poruch, zkrátit dobu selhání komutace, urychlit obnovu DC výkonu a zmírnit nerovnováhy výkonu a přenosy výkonu z simultánních selhání multi-infeed DC, zlepšující celkovou přechodovou stabilitu. Pro velké asynchronní motory, integrování SFCL do statorového obvodu umožňuje jemné spouštění a potlačení příspěvku případového proudu, snižující poklesy napětí a zlepšující přechodovou stabilitu napětí.

Pro velkéměřnou integraci větrných farm, FCL na místech připojení větrných farm mohou zlepšit schopnost projít poruchou a snížit riziko odpojení. Rezistivní FCL vyžadují menší impedanci než induktivní typy pro stabilitu při stej