Ograničivači strujnih grešaka | Uticaj tehnologije i stabilnosti mreže

1 Uvod u tehnologiju ograničivača strujnog prekida (FCL)

Tradicionalni pasivni metodi ograničenja strujnog prekida - kao što su upotreba transformatora visokog otpora, fiksnih reaktora ili rada na razdvojenim busovima - imaju inherentne nedostatke, uključujući narušavanje strukture mreže, povećanje postojanog impedansa sistema i smanjenje sigurnosti i stabilnosti sistema. Ovi pristupi postaju sve manje prihvatljivi za današnje kompleksne i velike električne mreže.

U suprotnosti, aktivne tehnologije ograničenja strujnog prekida, predstavljene ograničivačima strujnog prekida (FCL), pokazuju niski impedans tokom normalnog rada mreže. Kada se desi greška, FCL brzo prelazi u stanje visokog impedansa, efektivno ograničavajući strujni prekid na nižu razinu, omogućavajući dinamičku kontrolu strujnog prekida. FCL-ovi su se razvili iz tradicionalnog koncepta ograničenja struje serijalnim reaktorima integrisanjem naprednih tehnologija poput elektronike snage, superprovodnosti i kontrole magnetskih krugova.

Osnovni princip FCL-a može se pojednostaviti u model prikazan na Slici 1: tokom normalnog rada sistema, prekidnik K je zatvoren i FCL ne unosi ograničavajući impedans. Samo kada dođe do greške, K brzo otvara, ubacujući reaktor kako bi ograničio strujni prekid.

Većina FCL-ova temelji se na ovom osnovnom modelu ili njegovim proširenim varijantama. Glavne razlike između različitih FCL-ova leže u prirodi ograničavajućeg impedansa, implementaciji prekidnika K i povezanim strategijama kontrole.

2 Sheme implementacije FCL i status primene

2.1 Superprovodni ograničivači strujnog prekida (SFCL-ovi)

SFCL-ovi mogu biti klasifikovani kao tipovi koji koriste prelaz iz superprovodnog u normalno stanje (S/N prelaz) za ograničenje struje, ili oni koji to ne koriste. Strukturno, dalje se klasifikuju kao otporni, mostasti, magnetno štitni, transformatorski ili nasiteni tip. Tipovi SFCL-ova koji koriste S/N prelaz (koji se aktivira kada temperatura, magnetsko polje ili struja premaši kritične vrednosti) prelaze iz stanja nultog otpora u stanje visokog otpora, time ograničavajući strujni prekid.

SFCL-ovi koji ne koriste S/N prelaz kombiniraju superprovodne bobine sa drugim komponentama (npr. elektronikom snage ili magnetskim elementima) i kontrolisu operativne modele kako bi ograničili strujni prekid. Praktična primena SFCL-ova suočava se sa opštim izazovima superprovodnosti, uključujući cenu i efikasnost hlađenja. Takođe, tipovi SFCL-ova koji koriste S/N prelaz imaju duge vremena oporavka, što može da stupa u konflikt sa ponovnim zatvaranjem sistema, dok promene impedansa kod tipova SFCL-ova koji ne koriste S/N prelaz mogu uticati na koordinaciju reljnih zaštita, zahtevajući ponovnu postavku.

2.2 Ograničivači strujnog prekida bazirani na magnetskim elementima

Ovi su podijeljeni u tipove otkazivanja fluksa i tipove prekidnika magnetske nasitljivosti. U tipu otkazivanja fluksa, dve navijanja suprotne polariteta su namotana oko istog jezgra. Tokom normalnih uslova, jednaki i suproti fluksi se anuliraju, rezultujući niskim impedansom izbijanja.

Tokom greške, jedno navijanje se preskače, ruši se ravnoteža fluksa i pojavljuje se visoki impedans. Tip prekidnika magnetske nasitljivosti radi tako što ograničavajuće navijanje bira u stanje nasitljivosti (preko DC biasa itd.) tokom normalnih uslova, rezultujući niskim impedansom. Tokom greške, grešna struja ispunjava jezgro, stvarajući visoki impedans za ograničenje strujnog prekida. Zbog složenih zahteva za kontrolu, ograničivači bazirani na magnetskim elementima imaju ograničenu primenu.

2.3 Ograničivači strujnog prekida bazirani na PTC otpornicima

Pozitivni temperaturni koeficijent (PTC) otpornici su nelinearni; oni pokazuju niski otpor i minimalno zagrevanje tokom normalnih uslova. Tokom kratkog spoja, njihova temperatura brzo raste, povećavajući otpor za 8-10 redova veličine unutar milisekundi. FCL-ovi bazirani na PTC otpornicima pronašli su komercijalnu primenu u niskonaponskim aplikacijama.

Međutim, nedostaci uključuju: visoke prekomjerne napone generisane tokom ograničenja induktivne struje (zahtevaju paralelne prekomjerne zaštite); mehanički stres zbog širenja otpornika tokom rada; ograničene naponske/strujne karakteristike (stotine volti, nekoliko ampera), što zahteva serijalne-paralelne veze i ograničava visokonaponsku upotrebu; i dugi vremena oporavka (nekoliko minuta) sa kratkim vremenom života, onemogućavajući velikoplosnu primenu.

2.4 Solid-state ograničivači strujnog prekida (SSCL-ovi)

SSCL-ovi su novi tip ograničivača kratkog spoja baziran na elektronici snage, obično sastoje se od konvencionalnih reaktora, uređaja elektronike snage i kontrolera. Nudi različite topologije, brzi odgovor, visoku operativnu izdržljivost i jednostavnu kontrolu. Kontrolom stanja uređaja elektronike snage, ekvivalentni impedans SSCL-a se menja kako bi se ograničio strujni prekid. Smatrajući ga novim FACTS uređajem, SSCL-ovi privlače sve više pažnje. Međutim, tokom grešaka, uređaji elektronike snage moraju nositi celu grešnu struju, zahtevajući visoku performansu i kapacitet uređaja. Koordinacija između više SSCL-ova ili sa drugim sistemima FACTS kontrola ostaje ključni izazov.

2.5 Ekonomični ograničivači strujnog prekida

Ovi nude zrelu tehnologiju, visoku pouzdanost, niske cene i automatsko prebacivanje bez spoljnje kontrole. Pretežno se klasifikuju u tipove prenosa struje lukom i serijalno-resonantne. Tip prenosa struje lukom sastoji se od vakuumskog prekidnika paralelno sa ograničavajućim otpornikom. Tokom normalnog rada, radna struja prolazi kroz prekidnik. Kada dođe do kratkog spoja, prekidnik se otvara, prisiljavajući struju da se prenese na otpornik za ograničenje struje.

Problemi uključuju: prenos struje utiče na napon luka i stranu induktivnost; vreme prenosa zavisi od brzine prekidnika; i teškoća prenosa struje na niskim naponima luka, zahtevajući pomoćne uređaje za povećanje napona luka i prisiljavanje nule struje. Serijalno-resonantni FCL-ovi koriste nasitene reaktore ili zaštite od impulsa kao prekidnike. Tokom normalnih uslova, kondenzator i induktor su u serijalnoj resonanci sa niskim impedansom. Tokom greške, visoka struja nasitava reaktor ili aktivira zaštitu, detunirajući resonancu i ubacujući reaktor u liniju za ograničenje struje. Brzi prekidnici elektromagnetske repulzije mogu takođe brzo preskočiti kondenzator.

2.6 Trenutni status inženjerskih primena FCL

Da bi FCL-ovi imali praktičnu vrijednost, moraju ne samo brzo ubaciti impedans tokom grešaka, već i imati automatsko resetovanje, više uzastopnih operacija, niske harmonične emisije i prihvatljive investicione i operativne troškove. Trenutno, ograničeni tehničkim izazovima i ekonomskom efikasnošću, iako su razvijeni razni eksperimentalni prototipi širom sveta, stvarne primene u mrežama su rijetke, uglavnom ograničene na pilotne projekte niskog napona i male kapacitete.

Polje je započelo ranije u inozemstvu, sa značajnim napretkom u komercijalizaciji solid-state i superprovodnih FCL-ova. 1993. godine, 6.6 MW solid-state prekidnik koristeći anti-paralelne GTO-e je instaliran na 4.6 kV feederu u Army Power Centeru u New Jerseyu, SAD, sposoban da obradi greške unutar 300 µs. 1995. godine, 13.8 kV/675 A solid-state FCL razvijen od strane EPRI i Westinghouse-a bio je komisionisan u PSE&G podstanciji. Za superprovodne FCL-ove, hibridni AC/DC FCL razvijen od strane ACEC-Transporta i GEC-Alsthoma 1998. godine dostigao je komercijalizaciju. 1999. godine, 15 kV/1200 A SFCL razvijen zajedno od strane General Atomics i drugih bio je instaliran u SCE podstanciji.

Domaća istraživanja FCL-ova započela su kasnije, ali su brzo napredovala. 2007. godine, 35 kV superprovodni nasitni FCL razvijen od strane Tianjin Electromechanical Holdings i Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd. podvrgnut je probnom radu na Puji podstanciji, Yunnan - tada najviši napon i najveća kapacitet superprovodnog ograničivača u probnom radu na svetu. Za serijalno-resonantne FCL-ove, prvi 500 kV uređaj u Kini, razvijen zajedno od strane China Electric Power Research Institute, Zhongdian Puri i East China Grid, bio je komisionisan na 500 kV Bingyao stanciji kasne 2009. godine, smanjujući strujni prekid na ispod 47 kA.

Globalno, primene FCL-ova još su ograničene na pojedinačne projekte, ali dobijaju sve više pažnje. Postoji značajan potencijal u istraživanju povećanja kapaciteta, otpornosti na napon, poboljšanja materijala, odsipa toplote, kontrole troškova i optimizacije topologije.

3 Uticaj integracije FCL na sigurnost i stabilnost električnog sistema

Brzo ubacivanje impedansa FCL-ova tokom grešaka, iako efektivno ograničava struju, menja parametre mreže, utičući na transijentnu stabilnost, stabilnost napona, postavke reljnih zaštita i ponovno zatvaranje. Loša kontrola može dovesti do negativnih efekata. Koordinisana kontrola i optimalna konfiguracija su ključne za više FCL-ova kako bi se dostigla optimalna performansa.

3.1 Uticaj na postavke reljnih zaštita i ponovnog zatvaranja

Za nasitne SFCL-ove, dugi period oporavka znači da značajan impedans ostaje nakon greške, potencijalno zahtevajući ponovnu postavku automatskog ponovnog zatvaranja i reljnih zaštita. Literatura predlaže instalaciju SFCL-ova tipa quench na granama generatora i glavnog transformatora; iako je potrebno ponovo postaviti zaštitu, trajni visoki impedans tokom oporavka može poslužiti kao brzinski otpornik, koristeći se transijentnom stabilnošću. Predloženo je nekoliko metoda postavljanja udaljenosti zaštita uzimajući u obzir SFCL-ove. Solid-state FCL-ovi mogu koristiti signale za paljenje tiristora, kontakti za prebacivanje prekidnika, položaj prekidnika FCL-a i GAP krugove kako bi prebacili postavke nula-sekvencijske strujne zaštite, rešavajući problem osjetljivosti nakon ubacivanja FCL-a.

3.2 Uticaj na transijentnu stabilnost snaga-kuta

Iako FCL-ovi obično rade sa niskim impedansom tokom normalnog rada i visokim impedansom tokom grešaka, njihov specifični rad i struktura dovode do različitih uticaja na transijentnu stabilnost snaga-kuta. Solid-state i superprovodni FCL-ovi, ubacujući visok impedans tokom grešaka, mogu povećati izlaznu elektromagnetnu snagu generatora i poboljšati transijentnu stabilnost.

Otporni tipovi FCL-ova više poboljšavaju stabilnost nego induktivni tipovi, pružajući otpor otpornika koji potroši više snage generatora. Međutim, nepravilne vrednosti otpora mogu dovesti do obrnutog toka snage ka generatoru, pogoršavajući deficite snage. Analiza pokazuje da za greške daleko od generatora, induktivni SFCL-ovi postaju korisniji kako ukupni transferni reaktansi opadaju. Otporni SFCL-ovi takođe pokazuju slične karakteristike iznad određene granice otpora.

Uticaj zavisi od lokacije i vrste greške; FCL-ovi utiču na stabilnost snaga-kuta samo kada se greška desi na njihovim instaliranim linijama. Za asimetrične greške na početku linije, induktivnost FCL-a koristi stabilnost, povećavajući se sa vrednošću induktivnosti. Na kraju linije, ako se greška brzo otkloni, induktivnost FCL-a može sprječiti stabilnost, ali negativni uticaj opada sa većom induktivnošću za greške fazno-fazno i dvofazno-na-zemlju. Za jednofazne ili fazno-fazne greške blizu kraja linije, malo produženje vremena otklanjanja greške može učiniti malu induktivnost FCL-a korisnom, znatno smanjujući amplitudu talase oscilacije u odnosu na brzo otklanjanje.

3.3 Uticaj na transijentnu stabilnost napona

Kratkospojne greške dovode do padova napona, utičući na rad opreme i dovodeći do ekonomskih gubitaka. Analiza bazirana na PSCAD pokazuje da veća induktivnost FCL-a poboljšava suzbijanje padova napona unutar određenog opsega. Inherenta sposobnost FCL-a da poboljša napon greške varira sa strukturom mreže. Na radialnim feederima, reaktivni otpor FCL-a >0.5 pu može održati napon iznad 0.8 pu tokom grešaka. Lokalna generacija ili reaktivna podrška blizu busa greške smanjuje zavisnost od FCL-a.

3.4 Koordinacija sa tradicionalnim mjerama ograničenja

Ključno je za praktičnu primenu koordinacija FCL-ova sa tradicionalnim mjerama (npr. reaktori, transformatori visokog otpora). Automatska optimizaciona metoda koristi 0-1 promenljive za raspored mera i celobrojne promenljive za kapacitet, formirajući problem mješovitog celobrojnog programiranja, rješiv metodom grane i granice, kako bi uputila koordinisanu konfiguraciju.

3.5 Optimizacija konfiguracije

Sa više FCL-ova, optimizacija lokacije, broja i parametara za ekonomski učinkovitu performansu predstavlja aktuelnu oblast istraživanja. Za male mreže, enumeracija ili metode bazirane na stopi promene/gubitka snage su dovoljne. Za velike mreže sa više čvorova koje premašuju ograničenja kratkog spoja, enumeracija postaje računski intenzivna i neadekvatna za probleme sa više ciljeva (impedans, broj, lokacija).

Uobičajena je težinska multi-ciljna optimizacija koristeći genetske ili algoritme roja čestica, ali rezultati značajno zavise od izbora težina. Metode bazirane na osjetljivosti, izračunavajući promene strujnog prekida u odnosu na impedans granica, izbegavaju zavisnost od težina i pomazuju u određivanju optimalne lokacije, broja i impedansa FCL-a. Budući da je primarni cilj ograničenje struje, optimizacija se može fokusirati na učinkovitost ograničenja, osiguravajući da odabrane lokacije FCL-a utiču na sve čvorove sa nedovoljnim margina kratkog spoja. Troškovi i operativni gubitci su takođe ključni faktori u realnom svetu optimizacije.

4 Razvojne i primenjene trendovi FCL-ova

4.1 Trendovi istraživanja FCL tehnologije

Da bi se iskoristile prednosti i smanjili nedostaci, pojavljuju se nove smjernice istraživanja. Kombinacija superprovodnih FCL-ova sa skladistenjem energije predstavlja aktuelnu temu - apsorbiranje energije tokom grešaka i snabdevanje je za poboljšanje kvaliteta snage tokom normalnog rada, postižući dvostruke prednosti. Ključ je u dizajnu sustava za obrađivanje snage.

Da bi se riješili visokih zahtjeva za kapacitetom, cijenom i harmonikama u solid-state ograničivačima, predložene su poboljšane topologije, kao što su transformator-spojeni tri-fazni mostovi SSCL-ova sa preskočnim induktorima. Konvencionalni FCL-ovi nedostaju dinamičku prilagodljivost i kompenzaciju u postojanom stanju.

Predložen je multifunkcionalni FCL sa dinamičkom serijalnom kompenzacijom: tokom normalnog rada, koristi se preklapanje banka kondenzatora za stepenit kompenzacija linije; tokom grešaka, GTO-ovi ili IGCT-ovi kontroliraju stepen ograničenja preko serijalnog induktora, omogućavajući višeskrinsku upotrebu. Serijalna kompenzacija mora biti pažljivo izabrana kako bi se izbegle sub-sinhronne oscilacije.

4.2 Trendovi primene FCL-ova

FCL-ovi ne samo ograničavaju strujni prekid, već, pod odgovarajućim uslovima, mogu poboljšati stabilnost snaga-kuta i napona, širući svoju primenu. Aktualni trendovi uključuju poboljšanje kapaciteta prijema DC, smanjenje rizika od komutacionih propusta, poboljšanje kvaliteta snage i podršku velikom ulasku obnovljivih izvora.

U višeterminalnim DC sistemima, FCL-ovi mogu ograničiti struju bez uticaja na normalni rad. Za DC sisteme prijema, FCL-ovi instalirani na putanjam širenja grešaka mogu izolirati regione, blokirati širenje grešaka, skratiti vreme komutacionih propusta, ubrzati oporavak DC snage i umaniti neravnotežu snage i prebacivanje toka snage iz višestrukih DC propusta, poboljšavajući ukupnu transijentnu stabilnost. Za velike asinhroni motori, integrisanje SFCL-ova u statorski krug omogućuje lagano pokretanje i smanjuje doprinos grešne struje, smanjujući padove napona i poboljšavajući transijentnu stabilnost napona.

Za veliki ulaz vetra, FCL-ovi na tačkama povezivanja vetroparka mogu poboljšati sposobnost prelaska grešaka i smanjiti rizik od odspajanja. Otporni FCL-ovi zahtevaju manji impedans od induktivnih tipova za stabilnost pod istim vremenom greške, ali induktivni tipovi pružaju bolje poboljšanje blizu kritične stabilnosti.

Kako tehnologija FCL zreva, ovi brzo-odazivni, multifunkcionalni uređaji - ograničavajući greške, poboljšavajući stabilnost i izolirajući greške - će naći šire primene.

5 Zaključak

FCL-ovi efektivno ograničavaju strujni prekid, ali mogu uticati na stabilnost snaga-kuta/napona, postavke reljnih zaštita i ponovno zatvaranje. Optimalna konfiguracija i koordinisana kontrola više FCL-ova ili sa FACTS uređajima obećavaju značajne prednosti. Budući FCL-ovi će se proširiti izvan ograničenja struje na poboljšanje DC prijenosa, smanjenje komutacionih propusta, poboljšanje kvaliteta snage i podršku integraciji obnovljivih izvora.

Međutim, tehnički i ekonomski prepreke odlaze masovnu primenu visokonaponskih, visokokapacitetnih FCL-ova. Solid-state ograničivači, ograničeni kapacitetom uređaja i ocenama napona, trenutno su ograničeni na distribucijske mreže. Napredak u visoko-snaga samosmetajućim uređajima može prebroditi ove barijere i smanjiti troškove.

Superprovodni FCL-ovi nude brz odgovor i samouključivanje, ali su suočeni sa visokim troškovima hlađenja, izazovima odsipa toplote i dugim vremenom oporavka od quench-a. Uzimajući u obzir blisku fezibilnost i ekonomiju, ekonomični FCL-ovi bazirani na konvencionalnoj opremi pred