Ограничители тока короткого замыкания | Влияние технологии и стабильности сети

1 Введение в технологию ограничителей тока короткого замыкания (FCL)

Традиционные пассивные методы ограничения тока короткого замыкания, такие как использование трансформаторов с высоким сопротивлением, фиксированных реакторов или разделенных шин, имеют врожденные недостатки, включая нарушение структуры сети, увеличение постоянного сопротивления системы и снижение безопасности и устойчивости системы. Эти подходы становятся все менее подходящими для современных сложных и крупномасштабных энергосистем.

В противоположность этому активные технологии ограничения тока короткого замыкания, представленные ограничителями тока короткого замыкания (FCL), демонстрируют низкое сопротивление во время нормальной работы сети. При возникновении короткого замыкания FCL быстро переходит в состояние высокого сопротивления, эффективно ограничивая ток короткого замыкания до более низкого уровня, что позволяет осуществлять динамическое управление током короткого замыкания. FCL развивались из традиционной концепции ограничения тока серийным реактором, интегрируя передовые технологии, такие как силовая электроника, сверхпроводимость и управление магнитными цепями.

Основной принцип работы FCL можно упростить до модели, показанной на рисунке 1: во время нормальной работы системы переключатель K закрыт, и FCL не вводит ограничивающее сопротивление. Только при возникновении короткого замыкания K быстро открывается, вводя реактор для ограничения тока короткого замыкания.

Большинство FCL основаны на этой базовой модели или ее расширенных вариантах. Основные различия между различными FCL заключаются в природе ограничивающего сопротивления, реализации переключателя K и связанных с этим стратегий управления.

2 Схемы реализации FCL и текущее состояние применения

2.1 Сверхпроводящие ограничители тока короткого замыкания (SFCL)

SFCL можно классифицировать как квент-типа или неквент-типа в зависимости от того, используют ли они переход сверхпроводника из сверхпроводящего состояния в нормальное (S/N) для ограничения тока. По конструкции они дополнительно разделяются на резистивные, мостовые, магнитозащищенные, трансформаторные или насыщенные типы. Ограничители тока квент-типа полагаются на S/N переход (запускаемый, когда температура, магнитное поле или ток превышают критические значения), где сверхпроводник переходит от нулевого сопротивления к высокому сопротивлению, тем самым ограничивая ток короткого замыкания.

Ограничители тока неквент-типа сочетают сверхпроводящие катушки с другими компонентами (например, силовой электроникой или магнитными элементами) и управляют режимами работы для ограничения токов короткого замыкания. Практическое применение SFCL сталкивается с общими проблемами сверхпроводимости, такими как стоимость и эффективность охлаждения. Кроме того, у ограничителей тока квент-типа длительное время восстановления, что может конфликтовать с повторным включением системы, тогда как изменения сопротивления у ограничителей тока неквент-типа могут влиять на координацию релейной защиты, требуя перенастройки.

2.2 Ограничители тока на основе магнитных элементов

Эти устройства делятся на типы с компенсацией потока и с магнитным насыщением. В устройствах с компенсацией потока две обмотки с противоположной полярностью наматываются на одном сердечнике. В нормальных условиях равные и противоположные потоки компенсируют друг друга, создавая низкое утечное сопротивление.

При коротком замыкании одна из обмоток обходится, нарушая баланс потоков и создавая высокое сопротивление. Тип с магнитным насыщением работает за счет смещения ограничивающей обмотки в насыщение (например, с помощью постоянного тока) в нормальных условиях, что обеспечивает низкое сопротивление. При коротком замыкании ток короткого замыкания выводит сердечник из насыщения, создавая высокое сопротивление для ограничения тока. Из-за сложных требований к управлению ограничители тока на основе магнитных элементов находят ограниченное применение.

2.3 Ограничители тока на основе PTC-резисторов

Резисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC) являются нелинейными; они демонстрируют низкое сопротивление и минимальный нагрев в нормальных условиях. При коротком замыкании их температура быстро повышается, увеличивая сопротивление на 8–10 порядков величины в течение миллисекунд. Ограничители тока на основе PTC-резисторов нашли коммерческое применение в низковольтных установках.

Однако недостатки включают: высокие перенапряжения, возникающие при ограничении индуктивного тока (что требует параллельной защиты от перенапряжений); механические напряжения, вызываемые расширением резистора во время работы; ограниченные номинальные напряжения и токи (сотни вольт, несколько ампер), что требует последовательно-параллельных соединений и ограничивает применение в высоковольтных системах; и длительное время восстановления (несколько минут) с коротким сроком службы, что препятствует масштабному внедрению.

2.4 Твердотельные ограничители тока (SSCL)

SSCL — это новый тип ограничителя короткого замыкания, основанный на силовой электронике, обычно состоящий из обычных реакторов, силовых электронных устройств и контроллеров. Они предлагают различные топологии, быстрый отклик, высокую эксплуатационную надежность и простое управление. Управляя состоянием силовых электронных устройств, эквивалентное сопротивление SSCL изменяется, чтобы ограничить ток короткого замыкания. Рассматриваемые как новое FACTS-устройство, SSCL привлекают все больше внимания. Однако при коротких замыканиях силовые электронные устройства должны выдерживать полный ток короткого замыкания, что требует высоких характеристик и мощности устройств. Координация между несколькими SSCL или с другими системами управления FACTS остается ключевой задачей.

2.5 Экономичные ограничители тока

Эти устройства предлагают зрелую технологию, высокую надежность, низкую стоимость и автоматическое переключение без внешнего управления. Они в основном классифицируются на типы с переносом тока дуги и резонансные. Тип с переносом тока дуги состоит из вакуумного выключателя, подключенного параллельно ограничивающему резистору. В нормальном режиме нагрузочный ток проходит через выключатель. При коротком замыкании выключатель открывается, заставляя ток перейти на резистор для ограничения.

Проблемы включают: влияние напряжения дуги и паразитной индуктивности на ток переноса; зависимость времени переноса от скорости выключателя; и трудности в переносе тока при низком напряжении дуги, что требует вспомогательных устройств для повышения напряжения дуги и принудительного перехода тока через ноль. Резонансные FCL используют насыщенные реакторы или грозозащитные разрядники в качестве выключателей. В нормальных условиях конденсатор и индуктор находятся в резонансной связи с низким сопротивлением. При коротком замыкании высокий ток насыщает реактор или активирует разрядник, нарушает резонанс и вводит реактор в линию для ограничения тока. Быстрые выключатели с электромагнитным отталкиванием также могут быстро обходить конденсатор.

2.6 Текущее состояние инженерных применений FCL

Для практической ценности FCL должны не только быстро вводить сопротивление при коротких замыканиях, но и иметь функцию автоматического сброса, возможность многократных операций, низкую генерацию гармоник и приемлемые затраты на инвестиции и эксплуатацию. В настоящее время, ограниченные техническими трудностями и экономической целесообразностью, несмотря на разработку различных экспериментальных прототипов по всему миру, реальные сетевые применения остаются редкими, в основном ограничиваясь пилотными проектами с низким напряжением и малой мощностью.

Это направление началось раньше за рубежом, с заметным прогрессом в коммерциализации твердотельных и сверхпроводящих FCL. В 1993 году 6,6 МВт твердотельный выключатель, использующий антипараллельные GTO, был установлен на 4,6 кВ фидере в Армейском энергетическом центре в Нью-Джерси, США, способный очищать короткие замыкания в течение 300 мкс. В 1995 году 13,8 кВ/675 А твердотельный FCL, разработанный EPRI и Westinghouse, был введен в эксплуатацию на подстанции PSE&G. Для сверхпроводящих FCL гибридный AC/DC FCL был разработан ACEC-Transport и GEC-Alsthom в 1998 году, достигнув коммерциализации. В 1999 году 15 кВ/1200 А SFCL, разработанный совместно General Atomics и другими, был развернут на подстанции Southern California Edison (SCE).

Исследования FCL в Китае начались позже, но прогрессировали быстро. В 2007 году 35 кВ сверхпроводящий FCL насыщенного типа, разработанный Tianjin Electromechanical Holdings и Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd., прошел пробную работу в сети на подстанции Puji, Yunnan — тогда это был самый высоковольтный и мощный сверхпроводящий ограничитель, работающий в пробном режиме. Для резонансных FCL первый в Китае 500 кВ прибор, разработанный совместно China Electric Power Research Institute, Zhongdian Puri и East China Grid, был введен в эксплуатацию на 500 кВ подстанции Bingyao в конце 2009 года, снижая ток короткого замыкания до менее 47 кА.

Глобально, применение FCL по-прежнему ограничено отдельными проектами, но привлекает все больше внимания. Значительный потенциал остается в исследованиях по увеличению мощности, выдерживанию напряжения, улучшению материалов, теплоотводу, контролю затрат и оптимизации топологии.

3 Влияние интеграции FCL на безопасность и устойчивость энергосистемы

Быстрое введение сопротивления FCL при коротких замыканиях, хотя и эффективно ограничивает ток, изменяет параметры сети, влияя на переходную устойчивость, устойчивость напряжения, настройки релейной защиты и повторное включение. Недостаточное управление может привести к негативным эффектам. Координированное управление и оптимальная конфигурация необходимы для нескольких FCL, чтобы достичь оптимальной производительности.

3.1 Влияние на настройки релейной защиты и повторного включения

Для SFCL насыщенного типа длительное время восстановления означает, что значительное сопротивление сохраняется после короткого замыкания, что может потребовать перенастройки автоматического повторного включения и релейной защиты. Литература предлагает устанавливать SFCL квент-типа на ветвях генераторов и главных трансформаторов; хотя требуется перенастройка защиты, постоянное высокое сопротивление во время восстановления может действовать как тормозной резистор, благоприятствуя переходной устойчивости. Предложены различные методы настройки дистанционной защиты, учитывающие SFCL. Твердотельные FCL могут использовать сигналы триггеров тиристоров, контакты обходных выключателей, положения переключателей FCL и GAP-цепи для переключения настроек защиты нулевой последовательности, решая проблемы чувствительности после введения FCL.

3.2 Влияние на переходную устойчивость мощности-угла

Хотя FCL обычно работают с низким сопротивлением в нормальных условиях и высоким сопротивлением при коротких замыканиях, их конкретная работа и структура приводят к различным влияниям на переходную устойчивость мощности-угла. Твердотельные и сверхпроводящие FCL, вводя высокое сопротивление при коротких замыканиях, могут улучшить выход электромагнитной мощности генератора и повысить переходную устойчивость.

Ограничители тока резистивного типа улучшают устойчивость больше, чем индуктивные, предоставляя демпфирующее сопротивление, которое потребляет больше мощности генератора. Однако неправильные значения сопротивления могут вызвать обратный поток мощности к генератору, ухудшая дефицит мощности. Анализ показывает, что при коротких замыканиях, удаленных от генератора, индуктивные SFCL становятся более выгодными, поскольку общая передачная реактивность уменьшается. Резистивные SFCL также показывают аналогичные характеристики за пределами порогового сопротивления.

Влияние зависит от места и типа короткого замыкания; FCL влияют на устойчивость мощности-угла только при коротких замыканиях на их установленных линиях. Для несимметричных коротких замыканий в начале линии индуктивность FCL благоприятствует устойчивости, увеличиваясь с ростом значения индуктивности. На конце линии, если короткое замыкание быстро устраняется, индуктивность FCL может препятствовать устойчивости, но отрицательное влияние уменьшается с увеличением индуктивности для фазно-фазных и двухфазно-земельных коротких замыканий. Для однофазных или фазно-фазных коротких замыканий, близких к концу линии, небольшое продление времени устранения короткого замыкания делает малую индуктивность FCL полезной, значительно уменьшая амплитуду колебательной кривой по сравнению с быстрым устранением.

3.3 Влияние на переходную устойчивость напряжения

Короткие замыкания вызывают просадки напряжения, влияющие на работу оборудования и вызывающие экономические потери. Анализ, проведенный с использованием PSCAD, показывает, что большая индуктивность FCL улучшает подавление просадок напряжения в определенных пределах. Врожденная способность FCL улучшать напряжение при коротком замыкании варьируется в зависимости от структуры сети. На радиальных линиях индуктивность FCL >0,5 pu может поддерживать напряжение выше 0,8 pu при коротких замыканиях. Локальная генерация или реактивная поддержка вблизи аварийной шины снижают зависимость от FCL.

3.4 Координация с традиционными мерами ограничения

Координация FCL с традиционными мерами (например, реакторами, трансформаторами с высоким сопротивлением) является ключом к практическому применению. Автоматический метод оптимизации, использующий переменные 0–1 для развертывания мер и целочисленные переменные для емкости, формирует задачу смешанного целочисленного программирования, решаемую методом ветвей и границ, для руководства координацией конфигурации.

3.5 Оптимизация конфигурации

При наличии нескольких FCL оптимизация местоположения, числа и параметров для экономически эффективной производительности является горячей темой исследований. Для малых сетей перечисление или методы, основанные на изменении мощности/скорости потерь, достаточны. Для больших сетей с множеством узлов, превышающих пределы короткого замыкания, перечисление становится вычислительно интенсивным и недостаточным для многокритериальных задач (сопротивление, число, местоположение).

Многокритериальная оптимизация с весами, использующая генетические или алгоритмы роя частиц, является распространенной, но результаты сильно зависят от выбора весов. Методы, основанные на чувствительности, вычисляющие изменения тока короткого замыкания относительно сопротивления ветви, избегают зависимости от весов и помогают определить оптимальное расположение, число и сопротивление FCL. Поскольку основная цель — ограничение тока, оптимизация может сосредоточиться на эффективности ограничения, обеспечивая, чтобы выбранные местоположения FCL влияли на все узлы с недостаточным запасом по короткому замыканию. Затраты и эксплуатационные потери также являются ключевыми факторами в реальной оптимизации.

4 Развитие и тенденции применения FCL

4.1 Тенденции исследований технологии FCL

Для использования преимуществ и смягчения недостатков появляются новые направления исследований. Комбинация сверхпроводящих FCL с системами хранения энергии является актуальной темой — поглощение энергии при коротких замыканиях и ее подача для улучшения качества электроэнергии в нормальных условиях, обеспечивая двойные преимущества. Ключевым моментом является проектирование системы управления мощностью.

Для решения проблем высокой мощности, стоимости и гармоник в твердотельных ограничителях предлагаются улучшенные топологии, такие как трехфазные мостовые SSCL с обходными индукторами, связанные трансформатором. Традиционные FCL не имеют динамической регулировки и стационарной компенсации.

Предлагается многофункциональный FCL с динамической последовательной компенсацией: в нормальном режиме используется переключение конденсаторного банка для ступенчатой компенсации линии; при коротких замыканиях GTO или IGCT контролируют степень ограничения через последовательный индуктор, позволяя использовать устройство для нескольких целей. Выбор последовательной компенсации должен быть осторожным, чтобы избежать субсинхронных колебаний.

4.2 Тенденции применения FCL

FCL не только ограничивают ток короткого замыкания, но и, при подходящих условиях, могут улучшать устойчивость мощности-угла и напряжения, расширяя область их применения. Актуальные тенденции включают улучшение передачи мощности на стороне приема постоянного тока, снижение риска несоответствия коммутации, улучшение качества электроэнергии и поддержку интеграции крупномасштабных возобновляемых источников.

В многотерминальных системах постоянного тока FCL могут ограничивать ток без влияния на нормальную работу. Для сетей на стороне приема постоянного тока FCL, установленные на путях распространения аварий, могут изолировать области, блокировать распространение аварий, сокращать продолжительность несоответствия коммутации, ускорять восстановление мощности постоянного тока и снижать дисбалансы мощности и переносы мощности при одновременных отказах многопитающих систем постоянного тока, улучшая общую переходную устойчивость. Для крупных асинхронных двигателей интеграция SFCL в статорную цепь позволяет выполнять мягкий пуск и подавлять вклад тока короткого замыкания, снижая просадки напряжения и улучшая переходную устойчивость напряжения.

Для крупномасштабной интеграции ветроэнергетики FCL на точках подключения ветропарков могут улучшать способность прохождения аварий и снижать риск отключения. Резистивные FCL требуют меньшего сопротивления, чем индуктивные, для обеспечения устойчивости при одинаковой длительности аварии, но индуктивные FCL обеспечивают лучшее улучшение вблизи критической устойчивости.

По мере созревания технологии FCL эти быстродействующие, многофункциональные устройства, ограничивающие аварии, улучшающие устойчивость и изолирующие аварии, найдут более широкое применение.

5 Заключение

FCL эффективно ограничивают ток короткого замыкания, но могут влиять на устойчивость мощности-угла и напряжения, настройки релейной защиты и повторного включения. Оптимизированная конфигурация и координация управления несколькими FCL или с устройствами FACTS обещают значительные преимущества. Будущие FCL будут выходить за рамки ограничения тока, улучшая передачу постоянного тока, снижая несоответствия коммутации, улучшая качество электроэнергии и поддерживая интеграцию возобновляемых источников.

Однако технические и экономические барьеры задерживают массовое применение высоковольтных, высокомощных FCL. Твердотельные ограничители, ограниченные мощностью и напряжением устройств, в настоящее время ограничены распределительными сетями. Прогресс в развитии высокомощных самокоммутируемых устройств может преодолеть эти барьеры и снизить затраты.

Сверхпроводящие FCL предлагают быстрый отклик и самопуск, но сталкиваются с высокими затратами на охлаждение, проблемами рассеивания тепла и длительным временем восстановления после квента. Учитывая ближайшую осуществимость и экономическую целесообразность, экономичные FCL на основе традиционного оборудования являются предпочтительным решением. Твердотельные ограничители, имеющие меньшие технические барьеры и зрелость, представляют собой основное направление будущего развития.