Ograniczniki prądu zwarciowego | Wpływ technologii i stabilności sieci

1 Wprowadzenie do technologii ograniczników prądu przewodowego (FCL)

Tradycyjne metody pasywnej limitacji prądu przewodowego, takie jak użycie transformatorów o wysokim oporze, stałe reaktory lub podział szyn, mają wrodzone wady, w tym zakłócanie struktury sieci, zwiększenie stałego oporu systemu i obniżenie bezpieczeństwa i stabilności systemu. Te podejścia stają się coraz mniej odpowiednie dla dzisiejszych skomplikowanych i dużych sieci energetycznych.

W przeciwieństwie do tego, aktywne technologie ograniczania prądu przewodowego, reprezentowane przez Ograniczniki Prądu Przewodowego (FCL), mają niski opór podczas normalnej pracy sieci. Gdy wystąpi awaria, FCL szybko przechodzi do stanu wysokiego oporu, efektywnie ograniczając prąd przewodowy do niższego poziomu, umożliwiając dynamiczną kontrolę prądu przewodowego. FCL ewoluowały od tradycyjnego pojęcia ograniczania prądu przy użyciu reaktora szeregowego poprzez integrację zaawansowanych technologii, takich jak elektronika mocy, nadprzewodnictwo i sterowanie obwodem magnetycznym.

Podstawowe zasady działania FCL mogą być uproszczone do modelu pokazanego na Rysunku 1: podczas normalnej pracy systemu przełącznik K jest zamknięty, a FCL nie wprowadza żadnego ograniczającego oporu. Tylko gdy wystąpi awaria, K szybko otwiera, wstawiając reaktor, aby ograniczyć prąd przewodowy.

Większość FCL opiera się na tym podstawowym modelu lub jego rozszerzeniach. Podstawowe różnice między różnymi FCL leżą w naturze ograniczającego oporu, implementacji przełącznika K i związanych strategiach sterowania.

2 Schematy realizacji FCL i status ich zastosowania

2.1 Nadprzewodzące ograniczniki prądu przewodowego (SFCL)

SFCL można klasyfikować jako typu quench lub niestandardowego, w zależności od tego, czy wykorzystują one przejście nadprzewodnika ze stanu nadprzewodzącego do normalnego (S/N) do ograniczania prądu. Strukturalnie są dalej kategoryzowane jako oporne, mostkowe, ekranowane magnetycznie, typu transformatora lub nasycenia rdzenia. SFCL typu quench polegają na przejściu S/N (wywołanym, gdy temperatura, pole magnetyczne lub prąd przekraczają wartości krytyczne), gdzie nadprzewodnik przechodzi z oporu zerowego do wysokiego, ograniczając prąd przewodowy.

SFCL niestandardowe łączą cewki nadprzewodzące z innymi komponentami (np. elektroniką mocy lub elementami magnetycznymi) i kontrolują tryby pracy, aby ograniczyć prądy przewrotne. Praktyczne zastosowanie SFCL napotyka wspólne problemy związane z nadprzewodzeniem, takie jak koszt i efektywność chłodzenia. Ponadto, SFCL typu quench mają długie czasy odzyskiwania, co może konfliktować z ponownym zamknięciem systemu, podczas gdy zmiany impedancji SFCL niestandardowych mogą wpływać na koordynację ochrony relacyjnej, wymagając ponownego ustawienia.

2.2 Ograniczniki prądu z elementami magnetycznymi

Dzielą się na typ anulacji przepływu magnetycznego i typ przełącznika nasyceniowego. W typie anulacji przepływu magnetycznego dwie zwitki o przeciwnych polaryzacjach są nawinięte na tym samym rdzeniu. W normalnych warunkach równe i przeciwnie skierowane przepływy magnetyczne wzajemnie się anulują, powodując niski opór przecieku.

Podczas awarii jedna zwitka jest omijana, zaburzając równowagę przepływu magnetycznego i prezentując wysoki opór. Typ przełącznika nasyceniowego działa poprzez wprowadzenie bieżącej ograniczającej zwitki do nasycenia (poprzez prąd stały itp.) w normalnych warunkach, co daje niski opór. Podczas awarii prąd przewodowy wyprowadza rdzeń z nasycenia, tworząc wysoki opór do ograniczenia prądu. Ze względu na złożone wymagania sterowania, ograniczniki z elementami magnetycznymi mają ograniczone zastosowanie.

2.3 Ograniczniki prądu z opornikami PTC

Oporniki o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC) są nieliniowe; podczas normalnej pracy mają niski opór i minimalne grzanie. Podczas krótkiego spięcia ich temperatura szybko rośnie, zwiększając opór o 8-10 rzędów wielkości w ciągu milisekund. FCL oparte na opornikach PTC znalazły zastosowanie komercyjne w niskonapięciowych aplikacjach.

Jednakże, wady obejmują: generowanie wysokich napięć przetrwałych podczas ograniczania prądu indukcyjnego (wymagające równoległej ochrony przed przetrwałym napięciem); naprężenia mechaniczne spowodowane rozszerzaniem się opornika podczas pracy; ograniczone parametry napięcia/prądu (setki woltów, kilka amperów), wymagające połączeń szeregowo-równoległych i ograniczające zastosowanie w wysokim napięciu; oraz długie czasy odzyskiwania (kilka minut) i krótki okres użytkowania, utrudniające szerokie zastosowanie.

2.4 Stałe ograniczniki prądu (SSCL)

SSCL to nowy typ ogranicznika krótkiego spięcia opartego na elektronice mocy, zwykle składający się z konwencjonalnych reaktorów, urządzeń elektronicznych mocy i regulatorów. Ofiarują różne topologie, szybką reakcję, wysoką wytrzymałość operacyjną i proste sterowanie. Poprzez sterowanie stanem urządzeń elektronicznych mocy, równoważny opór SSCL jest modyfikowany, aby ograniczyć prąd przewodowy. Uważane za nowe urządzenia FACTS, SSCL zyskują coraz większą uwagę. Jednak podczas awarii urządzenia elektroniczne mocy muszą przenosić pełny prąd przewodowy, co wymaga wysokiej wydajności i zdolności urządzeń. Koordynacja między wieloma SSCL lub z innymi systemami sterowania FACTS pozostaje kluczowym wyzwaniem.

2.5 Ekonomiczne ograniczniki prądu

Ofiarują dojrzałą technologię, wysoką niezawodność, niski koszt i automatyczne przełączanie bez zewnętrznego sterowania. Głównie dzielą się na typ transferu prądu łukowego i typ rezonansowy szeregowy. Typ transferu prądu łukowego składa się z przekaźnika próżniowego równoległego do ograniczającego prąd opornika. W normalnych warunkach prąd obciążenia płynie przez przekaźnik. Podczas krótkiego spięcia przekaźnik otwiera, zmuszając prąd do przeniesienia się na opornik, aby ograniczyć prąd.

Problemy obejmują: prąd transferu wpływany przez napięcie łuku próżniowego i indukcyjność poboczna; czas transferu zależny od szybkości przekaźnika; trudności w transferze prądu przy niskim napięciu łuku, wymagające urządzeń pomocniczych, aby zwiększyć napięcie łuku i zmusić prąd do przekroczenia zera. Ograniczniki prądu typu rezonansowego szeregowego używają nasyconych reaktorów lub arresterów jako przełączników. W normalnych warunkach kondensator i induktor są w szeregowym rezonansie z niskim oporem. Podczas awarii wysoki prąd nasyci reaktor lub aktywuje arrester, detunując rezonans i wprowadzając reaktor do linii, aby ograniczyć prąd. Szybkie przełączniki z elektromagnetycznym odrzuceniem mogą również szybko ominąć kondensator.

2.6 Obecny stan zastosowań inżynierskich FCL

Aby mieć praktyczną wartość, FCL muszą nie tylko szybko wprowadzać opór podczas awarii, ale także posiadać automatyczne resetowanie, wielokrotne kolejne operacje, niską generację harmonicznych oraz akceptowalne koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Obecnie, ograniczone przez techniczne wyzwania i rentowność, pomimo różnych eksperymentalnych prototypów opracowanych na całym świecie, rzeczywiste zastosowania w sieciach pozostają rzadkie, głównie ograniczone do małych projektów pilotażowych o niskim napięciu i małej pojemności.

Ta dziedzina rozpoczęła się wcześniej za granicą, z notowalnym postępem w komercjalizacji stało-stanowych i nadprzewodzących FCL. W 1993 roku, 6,6 MW stało-stanowy przerywacz korzystający z antyparallel GTO został zainstalowany na linii 4,6 kV w Centrum Energetycznym Armii w New Jersey, USA, zdolny do usuwania awarii w ciągu 300 μs. W 1995 roku, 13,8 kV/675 A stało-stanowy FCL opracowany przez EPRI i Westinghouse został uruchomiony w podstacji PSE&G. Dla nadprzewodzących FCL, hybrydowy FCL AC/DC został opracowany przez ACEC-Transport i GEC-Alsthom w 1998 roku, osiągając komercjalizację. W 1999 roku, 15 kV/1200 A SFCL opracowany wspólnie przez General Atomics i inne firmy został zainstalowany w podstacji Southern California Edison (SCE).

Badania FCL w Chinach rozpoczęły się później, ale postępowały szybko. W 2007 roku, chiński 35 kV nadprzewodzący FCL typu nasyceniowego, opracowany przez Tianjin Electromechanical Holdings i Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd., przeszedł próbne działanie w sieci w podstacji Puji, Yunnan – wówczas najwyższy napięciowo i najmocniejszy nadprzewodzący ogranicznik w działaniu próbno-eksperymentalnym na świecie. Dla ograniczników typu rezonansowego szeregowego, pierwszy chiński urządzenie 500 kV, opracowane wspólnie przez Chiński Instytut Badawczy Elektroenergetyki, Zhongdian Puri i East China Grid, zostało uruchomione w podstacji 500 kV Bingyao w końcu 2009 roku, redukując prąd przewodowy poniżej 47 kA.

Globalnie, zastosowania FCL są nadal ograniczone do indywidualnych projektów, ale zyskują coraz większą uwagę. Istnieje znaczny potencjał w badaniach nad zwiększeniem pojemności, wytrzymałości napięciowej, poprawy materiałów, odprowadzania ciepła, kontroli kosztów i optymalizacji topologii.

3 Wpływ integracji FCL na bezpieczeństwo i stabilność systemu energetycznego

Szybkie wprowadzanie oporu przez FCL podczas awarii, choć efektywnie ogranicza prąd, zmienia parametry sieci, wpływając na stabilność przemiennej, stabilność napięciową, ustawienia ochrony relacyjnej i ponowne zamknięcie. Błędne sterowanie może prowadzić do negatywnych skutków. Koordynowane sterowanie i optymalna konfiguracja są niezbędne, aby wiele FCL osiągnęło optymalne działanie.

3.1 Wpływ na ustawienia ochrony relacyjnej i ponownego zamknięcia

Dla SFCL typu nasyceniowego, długi czas odzyskiwania oznacza, że istotny opór pozostaje po awarii, co może wymagać ponownego ustawienia automatycznego ponownego zamknięcia i ochrony relacyjnej. Literatura sugeruje instalację SFCL typu quench na gałęziach generatora i głównego transformatora; pomimo potrzeby ponownego ustawienia ochrony, trwały wysoki opór podczas odzyskiwania może działać jako opornik hamujący, korzystny dla stabilności przemiennej. Zostały zaproponowane różne metody ustawień ochrony odległościowej uwzględniające SFCL. Stałe ograniczniki prądu mogą używać sygnałów wyzwalających thyristorów, kontaktów omijających przekaźników, pozycji przełączników FCL i obwodów GAP, aby przełączać ustawienia ochrony prądu zerowego, rozwiązując problemy wrażliwości po wprowadzeniu FCL.

3.2 Wpływ na stabilność przemiennej kąta mocy

Chociaż FCL ogólnie działają z niskim oporem w normalnych warunkach i wysokim oporem podczas awarii, ich specyficzne działanie i struktura prowadzą do różnorodnych wpływów na stabilność przemiennej kąta mocy. Stałe ograniczniki prądu i nadprzewodzące FCL, wprowadzając wysoki opór podczas awarii, mogą zwiększać wydajność elektromagnetyczną generatora i poprawiać stabilność przemiennej.

Ograniczniki typu opornikowego bardziej poprawiają stabilność niż typy indukcyjne, dostarczając opór tłumienia, który zużywa więcej mocy generatora. Jednak nieodpowiednie wartości oporu mogą powodować odwrotny przepływ mocy do generatora, pogarszając deficyty mocy. Analiza pokazuje, że dla awarii oddalonych od generatora, indukcyjne SFCL stają się bardziej korzystne, ponieważ suma przepływu reaktywnego maleje. Ograniczniki typu opornikowego SFCL również pokazują podobne cechy powyżej pewnej progu oporu.

Wpływ zależy od lokalizacji i rodzaju awarii; FCL wpływa na stabilność przemiennej kąta mocy tylko wtedy, gdy awarie występują na liniach, na których są zainstalowane. Dla asymetrycznych awarii na początku linii, indukcyjność FCL sprzyja stabilności, zwiększając się wraz z wartością indukcyjności. Na końcu linii, jeśli awaria zostanie szybko usunięta, indukcyjność FCL może hamować stabilność, ale negatywny wpływ maleje wraz ze wzrostem indukcyjności dla awarii fazowych i dwóch-fazowych do ziemi. Dla pojedynczych fazowych lub fazowych awarii blisko końca linii, lekkie przedłużenie czasu usuwania awarii sprawia, że mała indukcyjność FCL jest korzystna, znacznie zmniejszając amplitudę krzywej wahadłowej w porównaniu z szybkim usuwaniem awarii.

3.3 Wpływ na stabilność przemiennej napięcia

Awarie krótkiego spięcia powodują spadek napięcia, wpływając na działanie sprzętu i powodując straty ekonomiczne. Analiza oparta na PSCAD pokazuje, że większa indukcyjność FCL poprawia tłumienie spadku napięcia w pewnym zakresie. Wewnętrzna zdolność FCL do poprawy napięcia awarii różni się w zależności od struktury sieci. Na promieniowych linach, reaktywność FCL >0,5 pu może utrzymywać napięcie powyżej 0,8 pu podczas awarii. Lokalne generowanie lub wsparcie reaktywne w pobliżu autobusu awaryjnego zmniejsza zależność od FCL.

3.4 Koordynacja z tradycyjnymi metodami ograniczania

Koordynacja FCL z tradycyjnymi metodami (np. reaktorami, transformatorami o wysokim oporze) jest kluczowa do praktycznego zastosowania. Automatyczna metoda optymalizacji, wykorzystująca zmienne 0-1 do wdrożenia środków i zmienne całkowite do pojemności, tworzy problem programowania mieszankowego, rozwiązany metodą branch-and-bound, aby przewodniczyć koordynowanej konfiguracji.

3.5 Optymalizacja konfiguracji

Z wieloma FCL, optymalizacja lokalizacji, liczby i parametrów dla kosztowo skutecznej wydajności jest gorącym tematem badań. Dla małych sieci, enumeracja lub metody oparte na tempie zmiany/zmiany strat mocy są wystarczające. Dla dużych sieci z wieloma węzłami przekraczającymi limity krótkiego spięcia, enumeracja staje się obliczeniowo intensywna i niewystarczająca dla problemów wieloobiektowych (impedancja, liczba, lokalizacja).

Powszechna jest ważona optymalizacja wieloobiektowa, wykorzystująca algorytmy genetyczne lub roju cząstek, ale wyniki silnie zależą od wyboru wag. Metody oparte na wrażliwości, obliczające zmiany prądu krótkiego spięcia względem impedancji gałęzi, unikają zależności od wag i pomagają określić optymalne umiejscowienie, liczbę i impedancję FCL. Skoro głównym celem jest ograniczanie prądu, optymalizacja może skupić się na skuteczności ograniczania, zapewniając, że wybrane lokalizacje FCL wpływają na wszystkie węzły z niewystarczającym marginesem krótkiego spięcia. Koszty i straty operacyjne są również kluczowymi czynnikami w realnej optymalizacji.

4 Trendy rozwoju i zastosowania FCL

4.1 Trendy badań technologii FCL

Aby wykorzystać zalety i złagodzić słabe strony, pojawiają się nowe kierunki badań. Połączenie FCL typu nadprzewodzącego z magazynowaniem energii jest gorącym tematem - absorbuje energię podczas awarii i dostarcza ją, aby poprawić jakość energii podczas normalnej pracy, osiągając podwójne korzyści. Kluczowe jest projektowanie systemu regulacji mocy.

Aby sprostać wysokim wymogom pojemności, kosztom i harmonicznych w stałe ograniczniki, zaproponowano ulepszone topologie, takie jak trójfazowe mostkowe SSCL sprzężone transformatorami z omijającymi induktorami. Konwencjonalne FCL brakuje dynamicznej regulacji i kompensacji w stanie ustalonym.

Zaproponowano wielofunkcyjny FCL z dynamiczną szeregową kompensacją: w normalnej pracy używa się przełączania banku kondensatorów do stopniowej kompensacji linii; podczas awarii GTO lub IGCT kontrolują stopień ograniczania przez szeregowy induktor, umożliwiając wielofunkcyjne zastosowanie. Szeregową kompensację należy wybrać ostrożnie, aby uniknąć podsyntonicznych drgań.

4.2 Trendy zastosowań FCL

FCL nie tylko ograniczają prądy krótkiego spięcia, ale, w odpowiednich warunkach, mogą zwiększać stabilność kąta mocy i napięcia, rozszerzając zakres ich zastosowania. Nowe trendy obejmują zwiększenie pojemności transmisji na końcówce DC, zmniejszenie ryzyka awarii komutacji, poprawę jakości energii i wsparcie dużej skali integracji odnawialnych źródeł energii.

W wieloterminowych systemach DC, FCL mogą ograniczać prąd bez wpływu na normalną pracę. Dla sieci na końcówce DC, FCL zainstalowane na ścieżkach propagacji awarii mogą izolować regiony, blokować propagację awarii, skrócać czas awarii komutacji, przyspieszać odzyskiwanie mocy DC i łagodzić nierówności mocy i przepływy mocy wynikające z jednoczesnej awarii wielu wejść DC, zwiększając ogólną stabilność przemiennej. Dla dużych asynchronicznych silników, integracja SFCL w obwodzie statora umożliwia miękkie startowanie i tłumienie wkładu prądu awaryjnego, zmniejszając spadek napięcia i poprawiając stabilność przemiennej napięcia.

Dla dużej integracji wiatrowej, FCL na punktach połączenia farm wiatrowych mogą poprawić zdolność przetrwania awarii i zmniejszyć ryzyko rozłączenia. Ograniczniki typu opornikowego wymagają mniejszej impedancji niż typy indukcyjne do stabilności podczas tego samego czasu awarii, ale typy indukcyjne oferują lepsze poprawy w pobliżu krytycznej stabilności.

Z mesurem dojrzewania technologii FCL, te szybko reagujące, wielofunkcyjne urządzenia - ograniczające awarie, zwiększające stabilność i izolujące awarie - znajdą szersze zastosowanie.

5 Podsumowanie

FCL efektywnie ograniczają prądy krótkiego spięcia, ale mogą wpływać na stabilność kąta mocy/napięcia, ustawienia ochrony relacyjnej i ponownego zamknięcia. Optymalna konfiguracja i koordynowane sterowanie wieloma FCL lub z urządzeniami FACTS obiecują znaczące korzyści. Przyszłe FCL będą rozszerzać swoje zastosowanie poza ograniczanie prądu, zwiększając transmisję DC, zmniejszając awarie komutacji, poprawiając jakość energii i wspierając integrację odnawialnych źródeł energii.

Jednak techniczne i ekonomiczne bariery opóźniają szerokie zastosowanie wysokonapięciowych, wysokopojemnościowych FCL. Stałe ograniczniki, ograniczone przez pojemność i klasy napięcia urządzeń, są obecnie ograniczone do sieci dystrybucyjnych. Postępy w wysokomocowych urządzeniach samokomutujących mogą przełamać te przeszkody i obniżyć koszty.

Nadprzewodzące FCL oferują szybką reakcję i samoaktywację, ale stykają się z wysokimi kosztami chłodzenia, problemami odprowadzania ciepła i długimi czasami odzyskiwania po quench. Z perspektywy krótkoterminowej wykonalności i ekonomii, ekonomiczne FCL oparte na konwencjonalnym sprzęcie są preferowanym rozwiązaniem. Stałe ograniczniki, o niższych barierach technologicznych i dojrzałości, reprezentują główny kierunek przyszłości.