Strūma Defektu Ierobežotāji | Tehnoloģija un Tīkla Stabilitātes Ietekme

1 Ievads straumaierobežojuma (FCL) tehnoloģijā

Parastie pasīvās straumaierobežošanas metodes—piemēram, liela impedansa pārveidotāju, fiksēto reaktoru vai sadalītā mājaslādves izmantošana—ciet no būtiskām trūkumiem, tostarp tīkla struktūras pārtraukumu, pastāvīgā sistēmas impedansa pieaugumu un sistēmas drošības un stabilitātes samazināšanos. Šīs pieejas kļūst arvien mazāk piemērotas šodienas sarežģītajiem un lielapjoma enerģijas tīkliem.

Salīdzinājumā ar aktīvām straumaierobežošanas tehnoloģijām, ko pārstāv Fault Current Limiters (FCL), parāda zemu impedanci normālā tīkla darbībā. Kad notiek traucējums, FCL ātri pāriet uz augsta impedanca stāvokli, efektīvi ierobežojot traucējuma straumu līdz zemākam līmenim, tādējādi ļaujot dinamiski kontrolēt traucējuma straumu. FCL ir evoluējuši no tradicionālā sērijas reaktora balstītā straumaierobežošanas koncepts, integrējot pašreizējās tehnoloģijas, piemēram, enerģijas elektroniku, superprovadītājus un magnētiskās shēmas kontroli.

FCL pamatprincips var tikt vienkāršots līdz modelim, kas attēlots 1. diagrammā: normālā sistēmas darbībā slēdzene K ir aizvērta, un FCL neievieš neko straumaierobežojošu impedanci. Tikai kad notiek traucējums, K ātri atveras, ieviešot reaktoru, lai ierobežotu traucējuma straumu.

Lielākā daļa FCL balstās uz šo pamatmodeli vai tā paplašinātajām variantiem. Galvenās atšķirības starp dažādiem FCL ir straumaierobežojošā impedancē, slēdzenes K realizācijā un saistītajās kontroles stratēģijās.

2 FCL realizācijas shēmas un pielietojums

2.1 Superprovadītāju straumaierobežotāji (SFCL)

SFCL var tikt klasificēti kā quench tipa vai n-quench tipa atkarībā no tā, vai tie izmanto superprovadītāja pāreju no superprovadītāja uz normālo stāvokli (S/N pāreju) straumaierobežošanai. Strukturā tiem ir vēl divas kategorijas: rezistīva, mosta tipa, magnētiski aizsargāta, transformatora tipa vai satura kodolu tipa. Quench tipa SFCL balstās uz S/N pāreju (iespaidota, ja temperatūra, magnētiskais lauks vai straume pārsniedz kritiskos vērtības), kur superprovadītājs pāriet no nulles pretestības uz augstu pretestību, tādējādi ierobežojot traucējuma straumu.

N-quench tipa SFCL kombinē superprovadītāju spūles ar citiem komponentiem (piemēram, enerģijas elektronikas vai magnētiskiem elementiem) un kontrolē operāciju režīmus, lai ierobežotu īsslēguma straumes. Praktiskā pielietojuma laikā SFCL saskaras ar būtiskām superprovadītāju problēmām, piemēram, izmaksu un dzesēšanas efektivitāti. Turklāt, quench tipa SFCL ilgā atveseļošanās laiki var konfliktēt ar sistēmas atkalēšanos, savukārt n-quench tipa SFCL impedancēs izmaiņas var ietekmēt relē apsaugās koordināciju, prasājot atkaliestatīšanu.

2.2 Magnētiskie elementu straumaierobežotāji

Šie ir sadalīti fluxa anulēšanas un magnētiskā satura svītras tipos. Fluxa anulēšanas tipā divas virzienpretīgas spūles tiek novadītas uz viena un tā pat codola. Normālās apstākļos vienādas un pretējas fluxas anulējas, veidojot zemu cirkulācijas impedanci.

Traucējuma laikā viena spūle tiek apvedusi, pārtraucot fluxu līdzsvaru un radot augstu impedanci. Magnētiskā satura svītras tips darbojas, nobīdot straumaierobežojošo spūli satura stāvoklī (piemēram, ar GZ maiņstrāvu) normālās apstākļos, veidojot zemu impedanci. Traucējuma laikā traucējuma straume izveda kodolu no saturā, radot augstu impedanci straumaierobežošanai. Tā kā ir sarežģītas kontroles prasības, magnētiskie elementi ir ierobežoti pielietojumā.

2.3 PTC rezistoru straumaierobežotāji

Pozitīvā temperatūras koeficienta (PTC) rezistori ir nelineāri; tie rāda zemu pretestību un minimālu sildīšanos normālās apstākļos. Īsā slēguma laikā tos temperatūra strauji palielinās, paaugstinot pretestību par 8–10 grādiem magnitudi milisekundēs. PTC rezistoru balstīti FCL ir atraduši komerciālu pielietojumu zemspriegu aplikācijās.

Tomēr, trūkumi ietver: augsto pārspriegumu, kas rodas induktīvā straumaierobežošanā (prasīs paralēlu pārsprieguma aizsardzību); mehānisko spriedzi, ko rada rezistoru izplatīšanās darbā; ierobežoto spriegumu/straumes rādītājus (simti voltu, dažas amperes), kas prasa sērijveida paralēlas savienojumus un ierobežo augspriegumu lietojumu; un ilgu atveseļošanās laiku (dažas minūtes) ar īsu darbības laiku, kas ierobežo plašu pielietojumu.

2.4 Solid-state straumaierobežotāji (SSCL)

SSCL ir jauns veids no īsā slēguma ierobežotājiem, balstīts uz enerģijas elektroniku, parasti sastāvot no parastiem reaktoriem, enerģijas elektronikas ierīcēm un kontrolleriem. Tie piedāvā dažādas topoloģijas, ātru reakciju, augstu darbības izturību un vienkāršu kontrolēšanu. Kontroli par enerģijas elektronikas ierīču stāvokli, SSCL ekvivalentā impedancē tiek mainīta, lai ierobežotu traucējuma straumu. Ņemot vērā, ka tās ir jaunas FACTS ierīces, SSCL pievērša arvien lielāku uzmanību. Tomēr, traucējuma laikā enerģijas elektronikas ierīces jāuzņem pilna traucējuma straume, prasot augstu ierīču veiktspēju un kapacitāti. Daudzu SSCL vai ar citām FACTS kontroles sistēmām koordinācija joprojām ir būtiska problēma.

2.5 Ekonomiski straumaierobežotāji

Šie piedāvā pilnīgi izstrādātu tehnoloģiju, augstu uzticamību, zemu izmaksu un automātisku pārslēgšanu bez ārējas kontroles. Tie galvenokārt tiek sadalīti arc current transfer un series-resonant tipos. Arc current transfer tips sastāv no vakuuma slēdzenes paralēli ar straumaierobežojošu rezistoru. Normālā darbībā slodzes straume plūst caur slēdzeni. Traucējuma laikā slēdze atveras, piespiežot straumu pārvietoties uz rezistoru, lai ierobežotu straumu.

Problēmas ietver: pārnesuma straumes ietekmi vakuumārcu spriegumā un blakuse indukcijā; pārnesuma laika atkarību no slēdzenes ātruma; un grūtības straumes pārnestīšanā zemām arcu spriegumu, kas prasa palīgiem ierīcēm, lai paaugstinātu arcu spriegumu un piespiežot straumes nulles punktu. Series-resonant FCL izmanto satura reaktorus vai pārsprieguma aizsargus kā slēdzenes. Normālās apstākļos kondensators un induktors ir sērijā rezonansē ar zemu impedanci. Traucējuma laikā liela straume satura reaktoru vai aktivizē aizsargu, detunējot rezonanci un ieviešot reaktoru līnijā straumaierobežošanai. Elektromagnētiskās atstarpes ātras slēdzenes var arī ātri apvedēt kondensatoru.

2.6 FCL inženierijas pielietojumu pašreizējais statuss

Lai būtu praktiska vērtība, FCL ne tikai jāierobežo straume traucējuma laikā, bet arī jānodrošina automātiska resetēšana, vairākas secīgas operācijas, zema harmoniskās straumes ģenerēšana un pieņemami investīciju un darbības izmaksas. Pašlaik, ierobežotas tehniskās problēmas un rentabilitāte, neraugoties uz dažādiem eksperimentālajiem prototipiem, faktiskie tīkla pielietojumi joprojām ir reti, galvenokārt ierobežoti zemspriegu, mazkapacitātām pilotprojektiem.

Jomā sāka agrāk ārpus valsts, ar būtisku progresu solid-state un superprovadītāju FCL komercializācijā. 1993. gadā 6.6 MW solid-state breaker, izmantojot anti-paralēlos GTO, tika instalēts 4.6 kV vedējā New Jersey Armijas enerģijas centra, spējīgs izsekot traucējumiem 300 μs laikā. 1995. gadā 13.8 kV/675 A solid-state FCL, kas tika izstrādāts EPRI un Westinghouse, tika instalēts PSE&G substation. Superprovadītāju FCL, hybrid AC/DC FCL, tika izstrādāts ACEC-Transport un GEC-Alsthom 1998. gadā, sasniedzot komercializāciju. 1999. gadā 15 kV/1200 A SFCL, kas tika kopīgi izstrādāts General Atomics un citiem, tika instalēts Southern California Edison (SCE) substation.

Mājās FCL pētījumi sāka vēlāk, bet strauji progredēja. 2007. gadā Ķīnas 35 kV superprovadītāju satura kodolu FCL, kas tika izstrādāts Tiānjīn Electromechanical Holdings un Běijīng YúnDiàn YīngNà Superconductor Cable Co., Ltd., tika testēts Puji Substation, Yúnnán—tad bija visaugstākā sprieguma, vislielākā kapacitāte superprovadītāju ierobežotājs testēšanā. Series-resonant FCL, Ķīnas pirmā 500 kV ierīce, kas tika izstrādāta ķīniešu Elektriskās enerģijas pētījumu institūta, Zhōngdiàn Puri un East China Grid, tika instalēta 500 kV Bingyao Station beigu 2009. gada, samazinot īsā slēguma straumu zem 47 kA.

Globāli, FCL pielietojumi joprojām ir ierobežoti individuālajiem projektiem, bet tie saņem arvien lielāku uzmanību. Ievērojams potenciāls saglabājas pētniecībā, lai palielinātu kapacitāti, sprieguma izturību, materiālu uzlabojumus, sildīšanās, izmaksu kontrolēšanu un topoloģijas optimizāciju.

3 FCL integrācijas ietekme uz enerģijas sistēmas drošību un stabilitāti

FCL ātra impedancijas ieviešana traucējuma laikā, efektīvi ierobežojot straumu, maina tīkla parametrus, ietekmējot pagaidu stabilitāti, sprieguma stabilitāti, relē apsaugu iestatījumus un atkalēšanos. Sliktā kontrole var radīt negatīvas sekas. Koordinēta kontrole un optimāla konfigurācija ir būtiska, lai vairāki FCL sasniegtu optimālu veiktspēju.