محدودکننده‌های جریان خطا | تأثیر فناوری و پایداری شبکه

1 معرفی فناوری محدودکننده جریان خطا (FCL)

روش‌های سنتی غیرفعال محدودکننده جریان خطا - مانند استفاده از ترانسفورماتورهای با امپدانس بالا، رآکتورهای ثابت یا عملیات با شین دو بخشی - دارای عیوب ذاتی هستند، از جمله مختل کردن ساختار شبکه، افزایش امپدانس سیستم در حالت پایدار و کاهش امنیت و پایداری سیستم. این رویکردها به طور گسترده‌ای برای شبکه‌های قدرت پیچیده و بزرگ مقیاس امروزی مناسب نیستند.

به طور متقابل، فناوری‌های محدودکننده جریان خطا فعال، نماینده محدودکننده‌های جریان خطا (FCLs)، در حالت عادی عملیات شبکه امپدانس پایینی دارند. هنگام وقوع خطا، FCL به سرعت به حالت امپدانس بالا تغییر وضعیت می‌دهد و جریان خطا را به سطح پایین‌تری محدود می‌کند، بدین ترتیب کنترل پویای جریان خطا را امکان‌پذیر می‌سازد. FCLs از مفهوم سنتی محدودکننده جریان مبتنی بر رآکتور سری با تلفیق فناوری‌های پیشرفته‌ای مانند الکترونیک قدرت، ابررسانا و کنترل مدار مغناطیسی تکامل یافته‌اند.

اصل بنیادی یک FCL می‌تواند به مدلی ساده‌شده نشان داده شود که در آن، در حالت عادی عملیات سیستم، سوئیچ K بسته است و FCL هیچ امپدانس محدودکننده جریانی اضافه نمی‌کند. فقط هنگامی که خطا رخ می‌دهد، K به سرعت باز می‌شود و رآکتور را وارد می‌کند تا جریان خطا را محدود کند.

بیشتر FCLs بر اساس این مدل بنیادی یا تغییرات گسترده‌تر آن بنا شده‌اند. تفاوت‌های اصلی بین انواع مختلف FCLs در ماهیت امپدانس محدودکننده جریان، پیاده‌سازی سوئیچ K و استراتژی‌های کنترل مربوطه وجود دارد.

2 طرح‌های پیاده‌سازی FCL و وضعیت کاربرد

2.1 محدودکننده‌های جریان خطا ابررسانا (SFCLs)

SFCLs می‌توانند بر اساس اینکه آیا از انتقال ابررسانا به حالت عادی (S/N) برای محدود کردن جریان استفاده می‌کنند یا خیر، به دو نوع quench-type یا non-quench-type تقسیم‌بندی شوند. از لحاظ ساختاری، آنها به عنوان مقاومتی، پلی، محافظ مغناطیسی، ترانسفورماتوری یا هسته‌ای اشباع‌شده طبقه‌بندی می‌شوند. SFCLs نوع quench-type از انتقال S/N (که زمانی که دما، میدان مغناطیسی یا جریان از مقادیر بحرانی فراتر می‌رود، تحریک می‌شود) استفاده می‌کنند، جایی که ابررسانا از مقاومت صفر به مقاومت بالا تغییر وضعیت می‌دهد و جریان خطا را محدود می‌کند.

SFCLs نوع non-quench-type با ترکیب کویل‌های ابررسانا با مولفه‌های دیگر (مانند الکترونیک قدرت یا المان‌های مغناطیسی) و کنترل حالت‌های عملیاتی، جریان‌های کوتاه مدار را محدود می‌کنند. کاربرد عملی SFCLs با چالش‌های مشترک ابررسانا مواجه است، از جمله هزینه و کارایی خنک‌سازی. علاوه بر این، زمان بازیابی طولانی SFCLs نوع quench-type ممکن است با بستن مجدد سیستم تضاد داشته باشد، در حالی که تغییرات امپدانس SFCLs نوع non-quench-type ممکن است تنظیم هماهنگی حفاظت رله را نیاز داشته باشد.

2.2 محدودکننده‌های جریان خطا المان مغناطیسی

این محدودکننده‌ها به دو نوع لغو فلوکس و سوئیچ مغناطیسی اشباع‌شده تقسیم‌بندی می‌شوند. در نوع لغو فلوکس، دو پیچه با قطبیت مخالف بر همان هسته پیچیده می‌شوند. در شرایط عادی، فلوکس‌های مساوی و مخالف یکدیگر را لغو می‌کنند و امپدانس تسربیختگی پایینی ایجاد می‌کنند.

در هنگام خطا، یک پیچه دور می‌شود و تعادل فلوکس را مختل می‌کند و امپدانس بالایی ارائه می‌دهد. سوئیچ مغناطیسی اشباع‌شده از طریق بایاس کردن پیچه محدودکننده به حالت اشباع (از طریق بایاس DC و غیره) در شرایط عادی، امپدانس پایینی ایجاد می‌کند. در هنگام خطا، جریان خطا هسته را از حالت اشباع خارج می‌کند و امپدانس بالایی برای محدود کردن جریان ایجاد می‌کند. به دلیل نیاز به کنترل پیچیده، محدودکننده‌های المان مغناطیسی کاربرد محدودی دارند.

2.3 محدودکننده‌های جریان خطا مقاومت PTC

مقاومت‌های PTC (Positive Temperature Coefficient) غیرخطی هستند؛ آنها در شرایط عادی مقاومت پایین و گرمایش کمی دارند. در هنگام کوتاه مدار، دما آنها به سرعت افزایش می‌یابد و مقاومت آنها در چند میلی‌ثانیه به ۸-۱۰ مرتبه افزایش می‌یابد. FCLs مبتنی بر مقاومت‌های PTC در کاربردهای ولتاژ پایین تجاری شده‌اند.