Περιοριστικά Συστήματα Φαύλου Ρεύματος | Τεχνολογία & Επίδραση στη Σταθερότητα του Δικτύου

1 Εισαγωγή στην Τεχνολογία των Περιοριστών Ρεύματος Σφάλματος (FCL)

Οι παραδοσιακές μεθόδοι περιορισμού ρεύματος σφάλματος - όπως η χρήση μετατροπέας με υψηλή αντίσταση, σταθερών αντιδραστών ή διαιρεμένης λεωφορίας - παρουσιάζουν εγγενείς μειονεκτήματα, συμπεριλαμβανομένης της διαταραχής της δομής του δικτύου, της αύξησης της σταθερής αντίστασης του συστήματος και της μείωσης της ασφάλειας και σταθερότητας του συστήματος. Αυτές οι προσεγγίσεις γίνονται όλο και πιο ανάρμοστες για τα σύγχρονα περίπλοκα και μεγάλης κλίμακας ηλεκτρικά δίκτυα.

Αντίθετα, οι ενεργές τεχνολογίες περιορισμού ρεύματος σφάλματος, όπως οι Περιοριστές Ρεύματος Σφάλματος (FCL), παρουσιάζουν χαμηλή αντίσταση κατά την κανονική λειτουργία του δικτύου. Κατά την εμφάνιση σφάλματος, ο FCL μεταβάλλει γρήγορα σε κατάσταση υψηλής αντίστασης, περιορίζοντας αποτελεσματικά το ρεύμα σφάλματος σε χαμηλότερο επίπεδο, επιτρέποντας τον δυναμικό έλεγχο του ρεύματος σφάλματος. Οι FCL έχουν εξελιχθεί από την παραδοσιακή έννοια του περιορισμού ρεύματος με σειριακούς αντιδραστές, ενσωματώνοντας προηγμένες τεχνολογίες όπως ηλεκτρονική ενέργεια, υπερηχητικότητα και έλεγχο μαγνητικών κυκλών.

Η βασική αρχή ενός FCL μπορεί να απλοποιηθεί στο μοντέλο που εμφανίζεται στο Σχήμα 1: κατά την κανονική λειτουργία του συστήματος, το τελεστήριο K είναι κλειστό και ο FCL δεν εισάγει καμία περιοριστική αντίσταση. Μόνο όταν εμφανίζεται σφάλμα, το K ανοίγει γρήγορα, εισάγοντας τον αντιδραστή για τον περιορισμό του ρεύματος σφάλματος.

Οι περισσότεροι FCL βασίζονται σε αυτό το βασικό μοντέλο ή σε επεκτάσεις του. Οι βασικές διαφορές μεταξύ των διαφόρων FCL βρίσκονται στη φύση της περιοριστικής αντίστασης, στην εφαρμογή του τελεστηρίου K και στις συναφείς στρατηγικές ελέγχου.

2 Σχέδια Εφαρμογής FCL και Κατάσταση Εφαρμογής

2.1 Υπερηχητικοί Περιοριστές Ρεύματος Σφάλματος (SFCLs)

Οι SFCLs μπορούν να ταξινομηθούν ως τύποι quench-type ή non-quench-type, με βάση το αν χρησιμοποιούν τη μετάβαση του υπερηχητικού από την κατάσταση υπερηχητικότητας στην κανονική (S/N μετάβαση) για τον περιορισμό του ρεύματος. Στρουκτουρικά, χωρίζονται σε αντιστατικούς, γεφυρωτικούς, μαγνητικά αποστολισμένους, μετατροπευτικούς ή κεντροποιημένους τύπους. Οι τύποι quench-type SFCLs βασίζονται στη S/N μετάβαση (που εκτελείται όταν η θερμοκρασία, το μαγνητικό πεδίο ή το ρεύμα υπερβαίνουν κρίσιμες τιμές), όπου ο υπερηχητικός μεταβάλλεται από μηδενική αντίσταση σε υψηλή αντίσταση, περιορίζοντας έτσι το ρεύμα σφάλματος.

Οι τύποι non-quench-type SFCLs συνδυάζουν υπερηχητικές σπειρές με άλλα συσταδικά (π.χ., ηλεκτρονική ενέργεια ή μαγνητικά στοιχεία) και ελέγχουν τις λειτουργικές καταστάσεις για τον περιορισμό των ρευμάτων σύνδεσης. Η πρακτική εφαρμογή των SFCLs αντιμετωπίζει κοινά προβλήματα υπερηχητικότητας, όπως κόστος και αποτελεσματικότητα ψύξης. Επιπλέον, οι τύποι quench-type SFCLs έχουν μεγάλα χρόνια ανάκαμψης, που μπορεί να είναι σε αντίθεση με την ανασύνδεση του συστήματος, ενώ οι αλλαγές αντίστασης των τύπων non-quench-type SFCLs μπορεί να επηρεάσουν τη συντονισμένη προστασία, απαιτώντας επαναρύθμιση.

2.2 Περιοριστές Ρεύματος με Μαγνητικά Στοιχεία

Αυτοί χωρίζονται σε τύπους ακύρωσης ροής και μαγνητικού κεντροποιημένου τελεστηρίου. Στον τύπο ακύρωσης ροής, δύο περιτταίες με αντίθετη πολικότητα είναι εγκατεστημένες στον ίδιο πυρήνα. Κατά την κανονική λειτουργία, ίσες και αντίθετες ροές ακυρώνονται, αποδίδοντας χαμηλή διάρροη αντίσταση.

Κατά την εμφάνιση σφάλματος, μία περιτταία παρακαμπτεί, διαταράσσοντας την ισορροπία της ροής και παρουσιάζοντας υψηλή αντίσταση. Ο τύπος μαγνητικού κεντροποιημένου τελεστηρίου λειτουργεί με την προσανατολισμή της περιοριστικής περιτταίας σε κεντροποίηση (μέσω DC bias, κλπ.) κατά την κανονική λειτουργία, παρέχοντας χαμηλή αντίσταση. Κατά την εμφάνιση σφάλματος, το ρεύμα σφάλματος οδηγεί τον πυρήνα εκτός κεντροποίησης, δημιουργώντας υψηλή αντίσταση για τον περιορισμό του ρεύματος. Λόγω των πολύπλοκων απαιτήσεων ελέγχου, οι περιοριστές με μαγνητικά στοιχεία έχουν περιορισμένη εφαρμογή.

2.3 Περιοριστές Ρεύματος με Αντιστάτες PTC

Οι αντίστατες Positive Temperature Coefficient (PTC) είναι μη γραμμικοί, παρουσιάζοντας χαμηλή αντίσταση και ελάχιστη θέρμανση κατά την κανονική λειτουργία. Κατά την εμφάνιση σύνδεσης, η θερμοκρασία τους αυξάνεται γρήγορα, αυξάνοντας την αντίσταση κατά 8-10 τάξεις μέγεθους εντός λίγων χιλιοστών δευτερολέπτων. Οι FCLs με βάση αντίστατες PTC έχουν εφαρμογή σε εμπορικά προϊόντα χαμηλής τάσης.

Ωστόσο, τα μειονεκτήματα περιλαμβάνουν: υψηλές υπερτάσεις που παράγονται κατά τον περιορισμό μαγνητικού ρεύματος (που απαιτούν παράλληλη προστασία υπερτάσεων), μηχανική ένταση λόγω της διεύρυνσης των αντιστάτων κατά τη λειτουργία, περιορισμένες τιμές τάσης/ρεύματος (εκατοντάδες βολτ, λίγα αμπέρ), που απαιτούν σειριακές-παράλληλες συνδέσεις και περιορίζουν την εφαρμογή υψηλής τάσης, και μεγάλα χρόνια ανάκαμψης (πολλά λεπτά) με μικρή διάρκεια ζωής, που εμποδίζουν τη μεγάλης κλίμακας εφαρμογή.

2.4 Στερεοί Περιοριστές Ρεύματος (SSCLs)

Οι SSCLs είναι ένα νέο είδος περιοριστή σύνδεσης με βάση την ηλεκτρονική ενέργεια, συνήθως αποτελούμενοι από συνηθισμένους αντιδραστές, ηλεκτρονικά συσταδικά και ελεγκτές. Προσφέρουν διάφορες τοπολογίες, γρήγορη ανταπόκριση, υψηλή διάρκεια λειτουργίας και απλόν ελεγκτικό σύστημα. Ελέγχοντας την κατάσταση των ηλεκτρονικών συσταδικών, το ισοδύναμο εμπόδιο του SSCL μεταβάλλεται για τον περιορισμό του ρεύματος σφάλματος. Θεωρούνται ένα νέο FACTS συστηματικό, και οι SSCLs προσελκύουν ολοένα και μεγαλύτερη προσοχή. Ωστόσο, κατά την εμφάνιση σφάλματος, τα ηλεκτρονικά συσταδικά πρέπει να φέρουν το πλήρες ρεύμα σφάλματος, απαιτώντας υψηλή απόδοση και δυναμικότητα των συσταδικών. Η συντονισμένη λειτουργία πολλών SSCLs ή με άλλα συστήματα ηλεκτρονικής ενέργειας παραμένει ένα κρίσιμο πρόβλημα.

2.5 Οικονομικοί Περιοριστές Ρεύματος

Αυτοί προσφέρουν ώριμη τεχνολογία, υψηλή αξιοπιστία, χαμηλό κόστος και αυτόματη σύνδεση χωρίς εξωτερικό έλεγχο. Χωρίζονται κυρίως σε τύπους μεταφοράς ρεύματος τόξου και σειριακής συντονίας. Ο τύπος μεταφοράς ρεύματος τόξου αποτελείται από έναν βακουομικό τελεστή σε παράλληλη σύνδεση με έναν περιοριστικό αντίστατο. Κατά την κανονική λειτουργία, το φορτίο ρέει μέσω του τελεστηρίου. Κατά την εμφάνιση σύνδεσης, το τελεστήριο ανοίγει, αναγκάζοντας το ρεύμα να μεταφέρεται στον αντίστατο για περιορισμό.

Τα προβλήματα περιλαμβάνουν: το μεταφερόμενο ρεύμα επηρεάζεται από την τάση τόξου και την παράλληλη αντίσταση, ο χρόνος μεταφοράς εξαρτάται από την ταχύτητα του τελεστηρίου, και είναι δύσκολη η μεταφορά ρεύματος σε χαμηλές τάσεις τόξου, απαιτούμενα αξυστά συσταδικά για την αύξηση της τάσης τόξου και την εξαναγκασμό της μηδενικής διαστάσης. Οι FCLs σειριακής συντονίας χρησιμοποιούν κεντροποιημένους αντιδραστές ή προστατευτικά συσταδικά ως τελεστηρίους. Κατά την κανονική λειτουργία, ο πυκνωτής και ο αντιδραστής είναι σε σειριακή συντονία με χαμηλή αντίσταση. Κατά την εμφάνιση σφάλματος, το υψηλό ρεύμα κεντροποιεί τον αντιδραστή ή ενεργοποιεί το προστατευτικό συσταδικό, ακαταστάσια τη συντονία και εισάγει τον αντιδραστή στη γραμμή για περιορισμό. Οι γρήγοροι τελεστηρίες μεγνητικής απώθησης μπορούν επίσης να παρακάμψουν γρήγορα τον πυκνωτή.

2.6 Τρέχουσα Κατάσταση Εφαρμογών FCL στην Μηχανική

Για πρακτική αξία, οι FCLs πρέπει να εισάγουν γρήγορα εμπόδιο κατά την εμφάνιση σφάλματος, αλλά και να διαθέτουν αυτόματη επαναφορά, πολλαπλές συνεχείς λειτουργίες, χαμηλή παραγωγή αρμονικών και αποδεκτά επενδυτικά και λειτουργικά κόστη. Σήμερα, λόγω τεχνικών προκλήσεων και οικονομικής αποδοτικότητας, παρά τις διάφορες πειραματικές πρωτότυπες που έχουν αναπτυχθεί παγκοσμίως, οι πραγματικές εφαρμογές στα δίκτυα παραμένουν σπάνιες, περιοριζόμενες κυρίως σε πιλοτικά έργα χαμηλής τάσης και μικρής δυναμικότητας.

Το πεδίο ξεκίνησε νωρίτερα στο εξωτερικό, με σημαντική πρόοδο στην εμπορική εφαρμογή των στερεών και υπερηχητικών FCL. Το 1993, ένας 6.6 MW στερεός αναστατωτής με GTOs σε αντίπαραλληλισμό εγκατεστάθηκε σε ένα 4.6 kV εφοδιαστικό στο Army Power Center στο New Jersey, USA, με δυνατότητα εκκαθάρισης σφαλμάτων εντός 300 μικροδευτερολέπτων. Το 1995, ένας 13.8 kV/675 A στερεός FCL από το EPRI και το Westinghouse εγκαταστάθηκε σε έναν υποσταθμό PSE&G. Για υπερηχητικούς FCL, ένας υβριδικός AC/DC FCL αναπτύχθηκε από την ACEC-Transport και την GEC-Alsthom το 1998, επιτυγχάνοντας εμπορική εφαρμογή. Το 1999, ένας 15 kV/1200 A SFCL αναπτύχθηκε σε συνεργασία με τη General Atomics και άλλους, εγκαταστάθηκε σε έναν υποσταθμό της Southern California Edison (SCE).

Η ερευνητική δραστηριότητα FCL στην Κίνα ξεκίνησε α