سیم‌های محدودکننده جریان خطا | تأثیر فناوری و پایداری شبکه

1 معرفی تکنولوژی محدودکننده جریان خطا (FCL)

روش‌های سنتی محدودکننده جریان خطا غیرفعال-مانند استفاده از ترانسفورماتورهای با مقاومت بالا، رآکتورهای ثابت یا عملیات با دو شین-مشکلات ذاتی دارند که شامل اختلال در ساختار شبکه، افزایش مقاومت سیستم در حالت پایدار، و کاهش امنیت و پایداری سیستم می‌باشد. این رویکردها برای شبکه‌های برق پیچیده و بزرگ امروزی به تدریج مناسب نمی‌شوند.

به طور مخالف، تکنولوژی‌های محدودکننده جریان خطا فعال، مانند محدودکننده‌های جریان خطا (FCL)، در حالت عادی عملیات شبکه مقاومت کمی دارند. هنگام وقوع خطا، FCL به سرعت به وضعیت مقاومت بالا تغییر می‌کند و به طور مؤثر جریان خطا را به سطح کمتری محدود می‌کند، بدین ترتیب کنترل پویای جریان خطا ممکن می‌شود. FCL‌ها از مفهوم سنتی محدودکننده جریان سری با استفاده از تکنولوژی‌های پیشرفته مانند الکترونیک قدرت، ابررسانایی و کنترل مدار مغناطیسی توسعه یافته‌اند.

اصل کار یک FCL می‌تواند به مدل ساده‌شده‌ای که در شکل 1 نشان داده شده تبدیل شود: در حالت عادی عملیات سیستم، کلید K بسته است و FCL هیچ مقاومت محدودکننده جریانی اضافه نمی‌کند. فقط زمانی که خطا رخ می‌دهد، K به سرعت باز می‌شود و رآکتور را به داخل مدار می‌گذارد تا جریان خطا محدود شود.

بیشتر FCL‌ها بر اساس این مدل اساسی یا نسخه‌های گسترده آن بنا شده‌اند. تفاوت‌های اصلی بین انواع مختلف FCL‌ها در نوع مقاومت محدودکننده جریان، پیاده‌سازی کلید K و استراتژی‌های کنترل مربوطه قرار دارد.

2 طرح‌های پیاده‌سازی FCL و وضعیت کاربرد

2.1 محدودکننده‌های جریان خطا ابررسانا (SFCLs)

SFCL‌ها می‌توانند بر اساس اینکه آیا از تغییر حالت ابررسانا به حالت عادی (S/N) برای محدود کردن جریان استفاده می‌کنند یا نه، به عنوان نوع خنثی یا غیر خنثی طبقه‌بندی شوند. از لحاظ ساختاری، آنها به عنوان مقاومتی، پلی، محافظ مغناطیسی، ترانسفورماتوری یا هسته اشباع‌شده تقسیم‌بندی می‌شوند. SFCL‌های خنثی از تغییر حالت S/N (که زمانی رخ می‌دهد که دما، میدان مغناطیسی یا جریان از مقادیر بحرانی عبور کنند) استفاده می‌کنند، جایی که ابررسانا از مقاومت صفر به مقاومت بالا تغییر می‌کند و بنابراین جریان خطا محدود می‌شود.

SFCL‌های غیر خنثی ابررسانایی را با اجزای دیگر (مانند الکترونیک قدرت یا المان‌های مغناطیسی) ترکیب می‌کنند و مد های عملیاتی را برای محدود کردن جریان کوتاه می‌کنند. کاربرد عملی SFCL‌ها با چالش‌های مشترک ابررسانایی مواجه است مانند هزینه و کارایی خنک‌سازی. علاوه بر این، زمان بازیابی طولانی SFCL‌های خنثی ممکن است با بازپیوند سیستم در تضاد باشد، در حالی که تغییرات مقاومت SFCL‌های غیر خنثی ممکن است تنظیم هماهنگی حفاظت رله را نیازمند بازنگری کند.

2.2 محدودکننده‌های جریان با المان‌های مغناطیسی

این دسته‌ها به دو نوع لغو شار مغناطیسی و سوئیچ مغناطیسی اشباع‌شده تقسیم می‌شوند. در نوع لغو شار مغناطیسی، دو پیچک با قطبیت مخالف روی همان هسته پیچیده می‌شوند. در شرایط عادی، شارهای مساوی و مخالف یکدیگر را لغو می‌کنند که نتیجه آن مقاومت نشتی کم است.

در زمان خطا، یکی از پیچک‌ها دور می‌شود و تعادل شار مغناطیسی مختل می‌شود و مقاومت بالایی ارائه می‌کند. نوع سوئیچ مغناطیسی اشباع‌شده با بایاس کردن پیچک محدودکننده جریان به حالت اشباع (از طریق بایاس مستقیم و غیره) در شرایط عادی، مقاومت کمی ارائه می‌دهد. در زمان خطا، جریان خطا هسته را از حالت اشباع خارج می‌کند و مقاومت بالایی برای محدود کردن جریان ایجاد می‌کند. به دلیل نیاز به کنترل پیچیده، محدودکننده‌های المان مغناطیسی کاربرد محدودی دارند.

2.3 محدودکننده‌های جریان مقاومت PTC

مقاومت‌های ضریب دمایی مثبت (PTC) غیرخطی هستند؛ آنها در شرایط عادی مقاومت کم و گرمایش کمی دارند. در زمان کوتاه شدن مدار، دما آنها به سرعت افزایش می‌یابد و مقاومت آنها در چند میلی‌ثانیه به ۸-۱۰ مرتبه افزایش می‌یابد. FCL‌های مبتنی بر مقاومت‌های PTC در کاربردهای ولتاژ پایین به کار گرفته شده‌اند.

اما نقاط ضعف شامل: ایجاد ولتاژ بالا در محدود کردن جریان القایی (که نیاز به محافظی موازی برای محافظت از ولتاژ بالا دارد)؛ تنش مکانیکی ناشی از انبساط مقاومت در طول عملیات؛ محدودیت‌های ولتاژ/جریان (صدها ولت، چند آمپر)، که نیاز به اتصال سری-موازی دارد و کاربرد در ولتاژ بالا را محدود می‌کند؛ و زمان بازیابی طولانی (چند دقیقه) با عمر کوتاه، که مانع از استفاده گسترده می‌شود.

2.4 محدودکننده‌های جریان حالت جامد (SSCLs)

SSCL‌ها یک نوع جدید محدودکننده کوتاه مدار مبتنی بر الکترونیک قدرت هستند که معمولاً شامل رآکتورهای سنتی، دستگاه‌های الکترونیک قدرت و کنترلرهای می‌شوند. آنها توپولوژی‌های مختلف، پاسخ سریع، تحمل عملیات بالا و کنترل ساده را ارائه می‌دهند. با کنترل وضعیت دستگاه‌های الکترونیک قدرت، مقاومت معادل SSCL تغییر می‌کند تا جریان خطا محدود شود. به عنوان یک دستگاه FACTS جدید، SSCL‌ها توجه بیشتری را جلب می‌کنند. اما در زمان خطا، دستگاه‌های الکترونیک قدرت باید کل جریان خطا را تحمل کنند، که نیاز به عملکرد و ظرفیت بالای دستگاه دارد. هماهنگی بین چندین SSCL یا با سیستم‌های کنترل FACTS دیگر چالش مهمی است.

2.5 محدودکننده‌های جریان اقتصادی

این دسته‌ها تکنولوژی رسیده، قابلیت اطمینان بالا، هزینه کم و تغییر خودکار بدون کنترل خارجی را ارائه می‌دهند. آنها عمدتاً به دو نوع انتقال جریان قوسی و سری-رزونانس تقسیم‌بندی می‌شوند. نوع انتقال جریان قوسی شامل یک سوئیچ خلاء که موازی با یک مقاومت محدودکننده جریان است. در حالت عادی، جریان بار از طریق سوئیچ می‌گذرد. در زمان کوتاه شدن مدار، سوئیچ باز می‌شود و جریان را مجبور می‌کند تا به مقاومت منتقل شود تا جریان محدود شود.

مشکلات شامل: جریان انتقال تحت تأثیر ولتاژ قوسی خلاء و القای جانبی؛ زمان انتقال وابسته به سرعت سوئیچ؛ و دشواری در انتقال جریان در ولتاژ‌های قوسی کم، که نیاز به دستگاه‌های کمکی برای افزایش ولتاژ قوسی و اجبار صفر شدن جریان دارد. FCL‌های سری-رزونانس از رآکتورهای اشباع‌شده یا محافظ‌های ضد اصابت به عنوان سوئیچ استفاده می‌کنند. در شرایط عادی، خازن و القاء در رزونانس سری با مقاومت کم هستند. در زمان خطا، جریان بالا رآکتور را اشباع می‌کند یا محافظ ضد اصابت را فعال می‌کند، که رزونانس را خارج از تنظیم می‌کند و رآکتور را به خط اضافه می‌کند تا جریان محدود شود. سوئیچ‌های سریع بازتاب مغناطیسی نیز می‌توانند خازن را به سرعت دور بزنند.

2.6 وضعیت فعلی کاربرد مهندسی FCL

برای ارزش عملی، FCL‌ها باید نه تنها در زمان خطا مقاومت را به سرعت اضافه کنند، بلکه همچنین بازیابی خودکار، عملیات متوالی متعدد، تولید هارمونیک کم و هزینه‌های سرمایه‌گذاری و عملیات قابل قبول داشته باشند. در حال حاضر، با توجه به محدودیت‌های فنی و کارایی هزینه، با وجود توسعه انواع پروتاتایپ‌های آزمایشی در سراسر جهان، کاربردهای واقعی شبکه به شدت محدود است و عمدتاً به پروژه‌های آزمایشی با ولتاژ پایین و ظرفیت کوچک محدود می‌شود.

این حوزه در خارج از کشور زودتر شروع شد و پیشرفت‌های قابل توجهی در تجاری‌سازی FCL‌های حالت جامد و ابررسانا داشته است. در سال 1993، یک برش‌کننده حالت جامد 6.6 MW با استفاده از GTO‌های ضد‌پاره‌ای در یک فیدر 4.6 kV در مرکز برق ارتش در نیوجرسی، آمریکا نصب شد که قادر به پاکسازی خطاها در 300 μs بود. در سال 1995، یک FCL حالت جامد 13.8 kV/675 A توسط EPRI و Westinghouse در یک زیرстанیون PSE&G نصب شد. برای FCL‌های ابررسانا، یک FCL AC/DC ترکیبی توسط ACEC-Transport و GEC-Alsthom در سال 1998 توسعه یافت و تجاری شد. در سال 1999، یک FCL ابررسانا 15 kV/1200 A که توسط General Atomics و دیگران توسعه یافته بود در یک زیرستانیون Southern California Edison (SCE) نصب شد.

تحقیقات FCL داخلی شروع شدند، اما به سرعت پیشرفت کردند. در سال 2007، یک FCL ابررسانا 35 kV با هسته اشباع‌شده که توسط Tianjin Electromechanical Holdings و Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd. توسعه یافته بود، در زیرستانیون Puji در یوننان عملیات آزمایشی مشترک را آغاز کرد-که در آن زمان بالاترین ولتاژ و بزرگترین ظرفیت FCL ابررسانا در عملیات آزمایشی بود. برای FCL‌های سری-رزونانس، اولین دستگاه 500 kV چینی که توسط China Electric Power Research Institute، Zhongdian Puri و East China Grid توسعه یافته بود، در پایان سال 2009 در زیرستانیون 500 kV Bingyao نصب شد و جریان کوتاه مدار را به زیر 47 kA کاهش داد.

در سطح جهانی، کاربردهای FCL هنوز به پروژه‌های فردی محدود است اما توجه بیشتری را جلب می‌کند. پتانسیل قابل توجهی در تحقیقات برای افزایش ظرفیت، تحمل ولتاژ، بهبود مواد، تخلیه حرارتی، کنترل هزینه و بهینه‌سازی توپولوژی وجود دارد.

3 تأثیر یکپارچه‌سازی FCL بر امنیت و پایداری سیستم برق

درج مقاومت سریع FCL‌ها در زمان خطا، در حالی که به طور مؤثر جریان را محدود می‌کند، پارامترهای شبکه را تغییر می‌دهد و بر پایداری موقت، پایداری ولتاژ، تنظیمات حفاظت رله و بازپیوند تأثیر می‌گذارد. کنترل ضعیف می‌تواند به اثرات منفی منجر شود. کنترل هماهنگ و بهینه‌سازی کنفیگوراسیون برای چندین FCL برای دستیابی به عملکرد بهینه ضروری است.

3.1 تأثیر بر تنظیمات حفاظت رله و بازپیوند

برای FCL‌های اشباع‌شده، زمان بازیابی طولانی به این معنی است که مقاومت قابل توجهی پس از خطا وجود دارد که ممکن است نیاز به تنظیم مجدد بازپیوند خودکار و حفاظت رله باشد. ادبیات پیشنهاد می‌کند که FCL‌های خنثی را روی شاخه‌های ژنراتور و ترانسفورماتور اصلی نصب کنند؛ اگرچه نیاز به تنظیم مجدد حفاظت وجود دارد، اما مقاومت بالای مداوم در طول بازیابی می‌تواند به عنوان مقاومت مکانیکی عمل کند و به پایداری موقت کمک کند. روش‌های تنظیم حفاظت فاصله مختلفی که FCL‌ها را در نظر می‌گیرند پیشنهاد شده‌اند. FCL‌های حالت جامد می‌توانند از سیگنال‌های تحریک تایریستور، تماس‌های بخش‌بندی، موقعیت سوئیچ FCL و مدارهای GAP برای تنظیم حفاظت جریان صفر استفاده کنند، که مسائل حساسیت بعد از وارد شدن FCL را حل می‌کند.

3.2 تأثیر بر پایداری زاویه قدرت موقت

در حالی که FCL‌ها معمولاً با مقاومت کم در حالت عادی و مقاومت بالا در زمان خطا عمل می‌کنند، عملکرد و ساختار خاص آنها تأثیرات متفاوتی بر پایداری زاویه قدرت موقت دارند. FCL‌های حالت جامد و ابررسانا با وارد کردن مقاومت بالا در زمان خطا می‌توانند خروجی قدرت الکترومغناطیسی ژنراتور را افزایش داده و پایداری موقت را بهبود بخشند.

FCL‌های مقاومتی بیشتر از FCL‌های القایی با ارائه مقاومت دمپینگ که بیشتر قدرت ژنراتور را مصرف می‌کند، پایداری را بهبود می‌بخشند. اما مقادیر مقاومت نامناسب ممکن است باعث جریان معکوس به ژنراتور شود و کمبود قدرت را بدتر کند. تحلیل نشان می‌دهد که برای خطاها دور از ژنراتور، FCL‌های القایی ابررسانا با کاهش کل واکنش انتقالی مفیدتر می‌شوند. FCL‌های مقاومتی ابررسانا نیز ویژگی‌های مشابهی را فراتر از یک حد مقاومت نشان می‌دهند.

تأثیر بستگی به محل و نوع خطا دارد؛ FCL‌ها فقط زمانی تأثیری بر پایداری زاویه قدرت دارند که خطاها در خطوط نصب شده آنها رخ دهند. برای خطاها نامتقارن در ابتدا خط، FCL القایی برای پایداری مفید است و با افزایش مقاومت القایی افزایش می‌یابد. در انتهای خط، اگر خطا به سرعت پاک شود، FCL القایی ممکن است پایداری را مختل کند، اما تأثیر منفی با افزایش مقاومت برای خطاها دو فاز به زمین و دو فاز به دو فاز کاهش می‌یابد. برای خطاها تک فاز یا فاز به فاز نزدیک انتهای خط، تمدید کوچکی در زمان پاکسازی خطا باعث می‌شود که FCL القایی کوچک مفید باشد و دامنه منحنی تغییر زاویه را به طور قابل توجهی نسبت به پاکسازی سریع کاهش دهد.

3.3 تأثیر بر پایداری ولتاژ موقت

خرابی‌های کوتاه مدار باعث دیپ ولتاژ می‌شوند که عملکرد تجهیزات را مختل می‌کند و باعث زیان‌های اقتصادی می‌شود. تحلیل مبتنی بر PSCAD نشان می‌دهد که مقاومت FCL بالاتر در محدوده معینی دیپ ولتاژ را بهبود می‌بخشد. توانایی ذاتی FCL‌ها برای بهبود ولتاژ خطا با ساختار شبکه متفاوت است. در فیدرهای شعاعی، مقاومت FCL >0.5 pu می‌تواند ولتاژ را در طول خطا بالاتر از 0.8 pu حفظ کند. تولید محلی یا پشتیبانی راکتیو نزدیک به باس ایجاد خطا وابستگی به FCL‌ها را کاهش می‌دهد.

3.4 هماهنگی با اقدامات محدودکننده سنتی

هماهنگی FCL‌ها با اقدامات سنتی (مانند رآکتورها، ترانسفورماتورهای با مقاومت بالا) کلیدی برای کاربرد عملی است. یک روش بهینه‌سازی خودکار با استفاده از متغیرهای 0-1 برای نصب اقدامات و متغیرهای صحیح برای ظرفیت یک مسئله برنامه‌ریزی عدد صحیح مختلط را تشکیل می‌دهد که با روش‌های شاخه و کران قابل حل است و به هماهنگی کنفیگوراسیون هدایت می‌کند.

3.5 بهینه‌سازی کنفیگوراسیون

با چندین FCL، بهینه‌سازی مکان، تعداد و پارامترها برای عملکرد هزینه‌ای است یک نقطه داغ تحقیق است. برای شبکه‌های کوچک، شمارش یا روش‌های مبتنی بر نرخ تغییر/کاهش توان کافی است. برای شبکه‌های بزرگ با گره‌های متعددی که از حدود خطا کوتاه مدار فراتر می‌روند، شمارش محاسباتی سنگین و برای مسائل چندهدفه (مقاومت، تعداد، مکان) کافی نیست.

بهینه‌سازی چندهدفه وزن‌دار با استفاده از الگوریتم‌های ژنتیک یا ازدحام ذرات معمول است، اما نتایج به شدت به انتخاب وزن‌ها بستگی دارد. روش‌های مبتنی بر حساسیت که تغییرات جریان کوتاه مدار نسبت به مقاومت شاخه را محاسبه می‌کنند، وابستگی به وزن را اجتناب می‌کنند و به تعیین مکان، تعداد و مقاومت بهینه FCL کمک می‌کنند. چون هدف اصلی محدود کردن جریان است، بهینه‌سازی می‌تواند بر روی اثربخشی محدود کردن تمرکز کند و مطمئن شود که مکان‌های FCL انتخاب شده بر تمام گره‌هایی که حاشیه کوتاه مدار کافی ندارند تأثیر می‌گذارند. هزینه و کاهش عملیاتی نیز عوامل مهمی در بهینه‌سازی واقعی هستند.

4 روندهای توسعه و کاربرد FCL‌ها

4.1 روندهای تحقیق تکنولوژی FCL

برای به