Áramkorlátítók | Technológia & Hálózati Stabilitás Hatása

1 A hibajárási korlátozó (FCL) technológia bemutatása

A hagyományos passzív hibajárási korlátozási módszerek – például a magas-ellenállású transzformátorok, rögzített reaktorok vagy szakaszolt fővezeték használata – természetes hátrányokkal járnak, beleértve a hálózati struktúra megszakadását, a rendszer állandó ellenállásának növekedését, és a rendszer biztonságának és stabilitásának csökkenését. Ezek a megoldások egyre kevésbé alkalmasak a mai összetett és nagy léptékű villamos hálózatok számára.

Ellenben az aktív hibajárási korlátozási technológiák, amelyeket a Hibajárási Korlátozók (FCL-ek) képviselnek, alacsony ellenállást mutatnak normál hálózati működés közben. Amikor hiba történik, a FCL gyorsan áttér magas-ellenállású állapotba, hatékonyan korlátozva a hibajárást, így lehetővé téve a hibajárási szintek dinamikus vezérlését. A FCL-ek a hagyományos sorozatszerű reaktor-alapú korlátozástól eltérően integrálják a fejlett technológiákat, mint a teljesítményelektronika, a szupravezetés és a mágneses körvezérlés.

Egy FCL alapvető elvét egyszerűsíthetjük a 1. ábrán látható modellre: normál rendszerműködés közben a K kapcsoló zárva van, és a FCL nem ad be korlátozó ellenállást. Csak akkor, amikor hiba történik, nyílik a K kapcsoló, és beilleszti a reaktort a hibajárási korlátozás érdekében.

A legtöbb FCL ezen alapmodellből vagy annak bővített változataiból indul ki. A különböző FCL-ek közötti fő különbségek a korlátozó ellenállás jellege, a K kapcsoló végrehajtása és a hozzá tartozó irányítási stratégiákban rejlenek.

2 FCL implementációs sémák és alkalmazási állapot

2.1 Szupravezető Hibajárási Korlátozók (SFCL-ek)

Az SFCL-ek két típusúra oszthatók: quench-típusú és nem-quench-típusú, attól függően, hogy a szupravezető anyag S/N-átmenetét (szupravezető-normális állapotot) használják-e a hibajárási korlátozáshoz. Strukturálisan tovább oszthatók ellenállásos, hidgéri, mágnesesen védelmezett, transzformátoros vagy telített magú típusokra. A quench-típusú SFCL-ek a S/N-átmeneten (amikor a hőmérséklet, a mágneses mező vagy a folyamatos áram meghaladja a kritikus értékeket) alapulnak, ahol a szupravezető anyag null-ellenállásból magas-ellenállású állapotba vált, ezzel korlátozva a hibajárást.

A nem-quench-típusú SFCL-ek kombinálják a szupravezető cirkuitteket más komponensekkel (pl. teljesítményelektronikai vagy mágneses elemekkel), és irányítják a működési módokat a rövidzárlat-járási korlátozás érdekében. Az SFCL-ek gyakorlati alkalmazása közös szupravezető kihívásokkal küzd, mint például a költség és a hűtés hatékonysága. Emellett a quench-típusú SFCL-ek hosszú helyreállási idővel rendelkeznek, ami potenciálisan konfliktusba kerülhet a rendszer újracsatlakoztatásával, míg a nem-quench-típusú SFCL-ek ellenállás-változásai befolyásolhatják a relévédelem koordinációját, ami új beállítást igényel.

2.2 Mágneses elemek alapú korlátozók

Ezek két típusúra oszthatók: fluxusszakító és mágneses telítési kapcsoló típusú. A fluxusszakító típusnál két ellentétes polaritású tekercs van feltekerve ugyanazon a mágneses aljzaton. Normál működés közben a két tekercs egyenlő és ellentétes fluxusa kiejti egymást, eredményezve alacsony lecsapódó ellenállást.

Hibakor egyik tekercset kikerülnek, megzavarva a fluxus egyensúlyt, és magas ellenállást mutat. A mágneses telítési kapcsoló típus DC-bias segítségével (stb.) normál működés közben a korlátozó tekercset telített állapotba hozza, ami alacsony ellenállást eredményez. Hiba esetén a hibajárást a mágneses aljzatot kiváltja a telítésből, így magas ellenállást hoz létre a hibajárási korlátozás érdekében. A komplex irányítási követelmények miatt a mágneses elemek korlátozói korlátozott alkalmazásban vannak.

2.3 PTC ellenállás alapú korlátozók

A pozitív hőmérsékleti együtthatójú (PTC) ellenállások nemlineárisak; normál működés közben alacsony ellenállásuk és minimális melegedésük van. Rövidzárlatkor gyorsan melegszik, és néhány milliszekundumon belül 8-10 rendben növeli ellenállását. A PTC ellenállások alapján működő FCL-ek kereskedelmi alkalmazásban vannak a nyalábizomos hálózatokban.

Azonban a hátrányok között szerepel: a induktív hibajárási korlátozás során generált nagy túlfeszültségek (ami párhuzamos túlfeszültségvédelmet igényel); a rezisztor kiterjesztése során fellépő mechanikai terhelés; korlátozott feszültség/áramerősségek (száz volt, pár ampér), ami sorozatpárhuzamos kapcsolást igényel, és korlátozza a magasfeszültségi alkalmazásokat; és hosszú helyreállási idő (néhány perc), rövid élettartam, ami gátolja a nagy léptékű üzembe helyezést.

2.4 Szilárdtestes korlátozók (SSCL-ek)

Az SSCL-ek új típusú rövidzárlat-korlátozók, amelyek a teljesítményelektronikai alapokon alapulnak, tipikusan hagyományos reaktorok, teljesítményelektronikai eszközök és irányítók. Sokféle topológia, gyors válaszidő, magas működési ellenállás és egyszerű irányítás. A teljesítményelektronikai eszközök állapotának irányításával az SSCL ekvivalens ellenállása megváltozik, hogy korlátozza a hibajárást. Az SSCL-ek új FACTS eszközként egyre nagyobb figyelmet kapnak. Ugyanakkor hiba esetén a teljesítményelektronikai eszközöknek a teljes hibajárást kell viselniük, ami magas eszközminőséget és kapacitást igényel. Több SSCL-ek vagy más FACTS-irányító rendszerek közötti koordináció továbbra is kritikus kihívás.

2.5 Gazdaságos korlátozók

Ezek kínálnak érettségi technológiát, magas megbízhatóságot, alacsony költséget és automatikus váltást, anélkül, hogy külső irányítást igényelnének. Főleg izomhoz kapcsolódó és sorozatrezonanciás típusokra oszthatók. Az izomhoz kapcsolódó típus vacuumkapcsolót és korlátozó ellenállást tartalmaz. Normál működés közben a terhelési áram a kapcsolón keresztül halad. Rövidzárlatkor a kapcsoló kinyílik, és a rezisztorra kényszeríti az áramot a hibajárási korlátozás érdekében.

Problémák között szerepel: a vakuumizom-feszültség és a szóródó induktancia befolyásolja a váltási áramot; a váltási idő a kapcsoló sebességétől függ; alacsony izomfeszültség esetén nehéz az áramátvitelet, ami segédberendezéseket igényel, hogy növelje az izomfeszültséget, és kényszerítse az áram nullátkelését. A sorozatrezonanciás FCL-ek telített reaktorokat vagy impulzuskitöltőket használnak kapcsolóként. Normál működés közben a kondenzátor és a reaktor sorozatrezonanciát alakít, ami alacsony ellenállást eredményez. Hiba esetén a magas áram a reaktort telíteti, vagy aktiválja a kitöltőt, kiesik a rezonancia, és a reaktort beilleszti a vonalba a hibajárási korlátozás érdekében. Elektromágneses repulziós gyors kapcsolók is gyorsan kikerülhetik a kondenzátort.

2.6 FCL mérnöki alkalmazások jelenlegi állapota

A gyakorlati értékhez a FCL-eknek gyorsan be kell illeszteniük ellenállást a hibák során, valamint automatikus visszaállítás, többszörös egymásutási működés, alacsony harmonikus generálás, és elfogadható beruházási és üzemeltetési költségekkel kell rendelkezniük. Jelenleg a technikai kihívások és a gazdaságosság miatt, bár világszerte különböző kísérleti prototípusok készültek, a tényleges hálózati alkalmazások ritkák, főleg alacsony feszültségű, kis kapacitású pilotprojektjeire korlátozódnak.

A terület korábban külföldön indult, a szilárdtestes és szupravezető FCL-ek kereskedelmi bevezetésében jelentős előrelépés történt. 1993-ban egy 6,6 MW-os szilárdtestes törölő GTO-antiparallelak elhelyezték egy 4,6 kV fővezetéken az USA-i New Jersey-i Army Power Centeren, ami képes volt 300 μs alatt törölni a hibákat. 1995-ben egy 13,8 kV/675 A szilárdtestes FCL-et az EPRI és a Westinghouse telepítette egy PSE&G aláállományban. A szupravezető FCL-ek esetében az ACEC-Transport és a GEC-Alsthom 1998-ban fejlesztettek ki egy hibrid AC/DC FCL-t, amit kereskedelmesítettek. 1999-ben egy 15 kV/1200 A SFCL-t a General Atomics és mások közösen fejlesztettek ki, és a Southern California Edison (SCE) aláállományban helyezték el.

A hazai FCL-kutatás később indult, de gyorsan fejlődött. 2007-ben Kínában a Tianjin Electromechanical Holdings és a Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd. által kifejlesztett 35 kV szupravezető telített magú FCL grid-kapcsolódó próbaüzemben működött a Yunnan-i Puji Aláállományban – akkoriban a világ legmagasabb feszültségű, legnagyobb kapacitású szupravezető korlátozója. A sorozatrezonanciás FCL-ek esetében Kínában az első 500 kV-es berendezést a China Electric Power Research Institute, a Zhongdian Puri és a Délkeleti Villamos Hálózat közösen fejlesztettek ki, és 2009 végén a 500 kV Bingyao Aláállományban helyezték el, csökkentve a rövidzárlat-áramot 47 kA alá.

Globálisan a FCL-alkalmazások még mindig korlátozottak egyedi projektekre, de egyre nagyobb figyelmet kapnak. Jelentős potenciál marad a kapacitás, a feszültségkiállítás, a anyagok javítása, a hővezetés, a költségkontroll és a topológia optimalizálása terén.

3 A FCL-integráció hatása a villamos rendszer biztonságára és stabilitására

A FCL-ek gyors ellenállás-beillesztése a hibák során, bár hatékonyan korlátozza a hibajárást, a hálózati paramétereket módosítja, befolyásolva a tranzienstabil, feszültségstabil, relévédelmi beállításokat és a visszacsatlakoztatást. Gyenge irányítás negatív hatásokhoz vezethet. A koordinált irányítás és optimális konfiguráció kulcsfontosságú több FCL-ek optimális teljesítményének eléréséhez.

3.1 Hatás a relévédelmi és visszacsatlakoztatási beállításokra

A telített magú SFCL-ek esetében a hosszú helyreállási idő azt jelenti, hogy a hiba után jelentős ellenállás marad, ami a visszacsatlakoztatási és relévédelmi beállítások újraszámítását igényli. A irodalom javasolja, hogy quench-típusú SFCL-eket telepítsenek a generátor és a főtranszformátor ágakon; bár a védelem újraszámítását igényli, a helyreállási idő során a fennmaradó magas ellenállás lassító ellenállásként működik, ami a tranzienstabilnak kedvez. Számos távolságvédelmi beállítási módszert javasoltak, amelyek figyelembe veszik az SFCL-eket. A szilárdtestes FCL-ek thyristor-triggereinek, párhuzamos törölőkapcsoló kontakta, FCL kapcsoló pozíciója és GAP áramkörök segítségével változtathatják a nulla-sorozat áramvédelmi beállításokat, kezelve a FCL beillesztés utáni érzékenységi problémákat.

3.2 Hatás a tranzienstávolság-stabilitásra

Bár a FCL-ek általában alacsony ellenállással működnek normális működés közben, és magas ellenállással a hibák során, az adott működés és szerkezetük különböző hatást gyakorol a tranzienstávolság-stabilitásra. A szilárdtestes és szupravezető FCL-ek a hibák során beillesztett magas ellenállással növelhetik a generátor elektromos teljesítményét, és javíthatják a tranzienstabilitást.

Az ellenállásos típusú FCL-ek jobban javítják a stabilizációt, mint az induktív típusú, mivel nagyobb generátorteljesítményt fogyasztanak. Azonban rossz ellenállás-értékek fordított áramot okozhatnak a generátornak, rombolva a teljesítményhiányt. Az elemzések azt mutatják, hogy a generátortól távoli hibák esetén az induktív SFCL-ek hasznosabbak, ahogy a teljes átmeneti reaktancia csökken. Az ellenállásos SFCL-ek hasonló jellemzőket mutatnak a küszöb-ellenállás felett.

A hatás a hiba helyétől és típusától függ; a FCL-ek csak akkor befolyásolják a távolság-stabilitást, ha a hibák a telepített vonalon történnek. Aszimmetrikus hibák esetén a vonal elején a FCL induktanciája a stabilizációnak kedvez, és növekszik az induktanciával. A vonal végén, ha a hiba gyorsan megszűnik, a FCL induktanciája károsíthatja a stabilizációt, de a negatív hatás csökken, ha magasabb a induktanciája, két fázis és föld közötti hibák esetén. Egy fázis vagy két fázis közötti hibák a vonal végén, ha a hiba megszűnését kissé meghosszabbítják, a kis FCL induktanciája hasznos, jelentősen csökkentve a hengerek amplitúdját a gyors megszűnéshez képest.

3.3 Hatás a tranzienstávolság-stabilitásra

A rövidzárlat-hibák feszültség-lehullást okoznak, ami befolyásolja a berendezések működését, és gazdasági veszteségeket okoz. A PSCAD alapú elemzések azt mutatják, hogy a nagyobb FCL induktanciával a feszültség-lehullás bizonyos határon belül jobban korlátozható. A FCL-ek inherent hibafeszültség javító képessége a hálózati struktúrától függ. A sugárzó vezetéken a FCL reaktancia >0,5 pu fenntartja a feszültséget 0,8 pu felett a hibák során. A helyi generáció vagy reaktív támogatás a hiba busz közelében csökkenti a FCL-ek függőségét.

3.4 Koordináció a hagyományos korlátozási intézkedésekkel

A FCL-ek koordinálása a hagyományos intézkedésekkel (pl. reaktorok, magas-ellenállású transzformátorok) kulcsfontosságú a gyakorlati alkalmazás szempontjából. Egy automatikus optimalizálási módszer, amely 0-1 változókat használ az intézkedések telepítésére, és egész számú változókat a kapacitásra, egy vegyes-egész számú programozási problémát formál, amely ág- és határ-módszerekkel megoldható, hogy irányszerű koordinált konfigurációt adjon.

3.5 Konfiguráció optimalizálása

Több FCL esetén a hely, a szám és a paraméterek optimalizálása a költséghatékonyság érdekében kutatási fókusz. Kis hálózatoknál a számlálás vagy a teljesítmény-változás/veszteség arány alapján származtatott módszerek elegendőek. Nagy hálózatoknál, ahol több csomópont is túllépi a rövidzárlat-határértéket, a számlálás számítási igényes és nem megfelelő többcélos problémákra (ellenállás, szám, hely).

Súlyozott többcélos optimalizálás genetikai vagy részecskacsapda algoritmusokkal gyakori, de az eredmények nagyban függnek a súlyok kiválasztásától. Érzékenység alapú módszerek, amelyek a rövidzárlat-áram változásokat számítják a ág-ellenállás relatív értékeihez, elkerülik a súlyfüggőséget, és segítenek meghatározni a FCL optimális elhelyezését, számát és ellenállását. Mivel a fő cél a hibajárási korlátozás, az optimalizálás a korlátozó hatékonyságra koncentrálhat, biztosítva, hogy a kiválasztott FCL helyei minden csomópontra hatással legyenek, ahol a rövidzárlat-margó hiányzik. A költségek és a működési veszteségek is fontos tényezők a valós optimalizálásban.

4 FCL-ek fejlesztési és alkalmazási trendjei

4.1 FCL technológiai kutatási trendjei

A előnyök kihasználása és a hátrányok enyhítése érdekében új kutatási irányok jelennek meg. A szupravezető FCL-ek kombinálása energiatárolóval egy aktuális témakör – energiaabszorbálás a hibák során, és energia-biztosítás normál működés közben, a minőség javítása érdekében, két célt egyszerre elérve. A kulcs a teljesítményfeldolgozó rendszer tervezése.

A szilárdtestes korlátozók magas kapacitás, költség és harmonikus követelményeinek kezelése érdekében javasoltak fejlett topológiák, például transzformátorral csatlakoztatott háromfázis híd alapú SSCL-ek, párhuzamos reaktorral. A hagyományos FCL-ek nem rendelkeznek dinamikus beállíthatósággal és állandó kompenzációval.

Egy többcélos FCL-t javasoltak, amely dinamikus soros kompenzációval rendelkezik: normál működés közben kondenzátorbankokat használ a lépcsős vonal-kompenzációra; hiba esetén GTO- vagy IGCT-ek vezérlésével a soros reaktor segítségével korlátozzák a hibajárást, lehetővé téve a többcélos használatot. A soros kompenzáció gondosan kiválasztandó, hogy elkerülje a sub-szinkron rezgések kialakulását.

4.2 FCL-ek alkalmazási trendjei

A FCL-ek nem csak a rövidzárlat-áram korlátozását teszik lehetővé, hanem alkalmas körülmények között