Akım Sınırlayıcılar | Teknoloji ve Ağ İstikrarı Etkisi

1 Akım Sınırlayıcı (FCL) Teknolojisine Giriş

Geleneksel pasif akım sınırlama yöntemleri - yüksek impedanslı transformatörler, sabit reaktörler veya bölünmüş ana hat kullanımı gibi - kendi içindeki dezavantajlar nedeniyle, ağ yapısının bozulması, durağan sistem impedansının artması ve sistem güvenliğinin azalması gibi sorunları içerir. Bu yaklaşımlar, günümüzün karmaşık ve büyük ölçekli elektrik ağları için giderek daha uygun olmamaktadır.

Buna karşılık, Akım Sınırlayıcılar (FCL'ler) ile temsil edilen aktif akım sınırlama teknolojileri, normal ağ işletimi sırasında düşük impedansa sahiptir. Bir arızanın gerçekleşmesi durumunda, FCL hızla yüksek impedanslı bir duruma geçerek, arıza akımını daha düşük bir seviyeye sınırlar, bu da arıza akımlarının dinamik kontrolünü sağlar. FCL'ler, güç elektroniği, süperiletkenlik ve manyetik devre kontrolü gibi gelişmiş teknolojileri entegre ederek, serili reaktör tabanlı akım sınırlama kavramından evrimleşmiştir.

Bir FCL'nin temel prensibi, Şekil 1'de gösterilen modelle basitleştirilebilir: normal sistem çalışması sırasında, anahtar K kapalıdır ve FCL tarafından hiçbir akım sınırlama impedansı tanıtılmaz. Yalnızca bir arıza olduğunda K hızlı bir şekilde açılır ve reaktör arıza akımını sınırlamak için dahil edilir.

Çoğu FCL, bu temel modele veya onun genişletilmiş varyantlarına dayanır. Çeşitli FCL'ler arasındaki temel farklar, akım sınırlama impedansının doğası, anahtar K'nın uygulanışı ve ilişkili kontrol stratejilerindedir.

2 FCL Uygulama Şemaları ve Uygulama Durumu

2.1 Süperiletken Akım Sınırlayıcılar (SFCL'ler)

SFCL'ler, süperiletkenin süperiletkenlikten normal duruma (S/N geçişine) geçişini (ısı, manyetik alan veya akım kritik değerleri aşıldığında tetiklenir) akım sınırlaması için kullanıp kullanılmadıklarına göre quench tipi veya non-quench tipi olarak sınıflandırılabilir. Yapısal olarak, dirençli, köprü tipi, manyetik kalkanlı, transformator tipi veya doygun çekirdek tipleri olarak kategorize edilir. Quench tipi SFCL'ler, süperiletkenin sıfır dirençten yüksek dirençe geçişiyle (sıcaklık, manyetik alan veya akım kritik değerleri aşıldığında tetiklenir), arıza akımını sınırlar.

Non-quench tipi SFCL'ler, süperiletken bobinleri diğer bileşenler (örneğin, güç elektronik cihazları veya manyetik elemanlar) ile birleştirir ve işlem modlarını kontrol ederek kısa devre akımlarını sınırlar. SFCL'lerin uygulaması, maliyet ve soğutma verimliliği gibi genel süperiletkenlik zorluklarıyla karşı karşıyadır. Ayrıca, quench tipi SFCL'lerin uzun kurtarma süreleri, sistemin yeniden kapanmasıyla çatışabilirken, non-quench tipi SFCL'lerin impedans değişimleri, röle koruma koordinasyonunu etkileyebilir, bu nedenle yeniden ayarlama gerekebilir.

2.2 Manyetik Eleman Akım Sınırlayıcıları

Bu tür sınırlayıcılar, akım iptali ve manyetik doyum anahtarı tiplerine ayrılır. Akım iptali tipinde, aynı çekirdekte zıt polaritede iki sarım yapılır. Normal koşullarda, eşit ve zıt akım akıları birbirini iptal eder, bu da düşük sızıntı impedansı sonuçlanır.

Bir arıza sırasında, bir sarım atlanır, bu da akım dengeyi bozar ve yüksek impedans ortaya çıkar. Manyetik doyum anahtarı tipi, normal koşullarda, akım sınırlama sarımını doyuma (DC bias vb. ile) iterek düşük impedansa sahip olur. Bir arıza sırasında, arıza akımı çekirdeği doyuma çıkar, bu da akım sınırlama için yüksek impedans oluşturur. Karmaşık kontrol gereklilikleri nedeniyle, manyetik eleman sınırlayıcıları sınırlı uygulamada bulunur.

2.3 PTC Direnç Akım Sınırlayıcıları

Pozitif sıcaklık katsayılı (PTC) dirençler, doğrusal değildir; normal koşullarda düşük direnç ve minimum ısıtmaya sahiptir. Kısa devre sırasında, sıcaklıkları hızla yükselir, milisaniye içinde direnç 8-10 derece büyüklükte artar. PTC dirençlerine dayalı FCL'ler, düşük gerilimli uygulamalarda ticari kullanım bulmuştur.

Ancak, dezavantajları şunlardır: indüktif akım sınırlama sırasında yüksek gerilimlerin oluşması (paralel aşırı gerilim koruması gerektirir); operasyon sırasında dirençlerin genişlemesi nedeniyle mekanik stres; sınırlı gerilim/akım sınırları (yüzlerce volt, birkaç amper), seri-paralel bağlantıların gerekli olması ve yüksek gerilimli kullanım kısıtlaması; ve uzun kurtarma süreleri (birkaç dakika) ile kısa ömürlülük, büyük ölçekli dağıtımını engeller.

2.4 Katı Hal Akım Sınırlayıcıları (SSCL'ler)

SSCL'ler, güç elektroniksi üzerine dayanan yeni bir tip kısa devre sınırlayıcıdır, genellikle geleneksel reaktörler, güç elektronik cihazları ve kontrolörlerden oluşur. Çeşitli topolojiler, hızlı tepki, yüksek operasyonel dayanıklılık ve basit kontrol sunar. Güç elektronik cihazlarının durumunu kontrol ederek, SSCL'nin eşdeğer impedansı değiştirilerek arıza akımı sınırlanır. Yeni bir FACTS cihazı olarak kabul edilen SSCL'ler, giderek daha fazla dikkat çekmektedir. Ancak, arızalar sırasında, güç elektronik cihazları tam arıza akımını taşımalı, bu da yüksek cihaz performansı ve kapasitesi gerektirir. Birden fazla SSCL veya diğer FACTS kontrol sistemleri arasındaki koordinasyon hala kritik bir zorluktur.

2.5 Ekonomik Akım Sınırlayıcılar

Bu sınırlayıcılar olgun teknoloji, yüksek güvenilirlik, düşük maliyet ve dış kontrol olmadan otomatik anahtarlama sunar. Genellikle, ark akım transferi ve seri rezonans tiplerine ayrılır. Ark akım transfer tipi, vakum anahtarı ile akım sınırlama direnci paralel yapıdadır. Normal operasyonda, yük akımı anahtar üzerinden akar. Kısa devre olduğunda, anahtar açılır ve akım direnç üzerinden akarak akım sınırlaması sağlanır.

Sorunlar arasında: vakum ark gerilimi ve saplı endüktans nedeniyle transfer akımının etkilendiği; transfer süresinin anahtar hızına bağlı olması; ve düşük ark gerilimlerinde akım transferinin zorluğu, bu nedenle yardımcı cihazlar ark gerilimini artırarak ve akım sıfır geçişini zorlamak için gereklidir. Seri rezonans FCL'ler, doyumlu reaktörler veya overvoltage protectors (OV) olarak anahtar olarak kullanılır. Normal koşullarda, kondansatör ve indüktör seri rezonans halinde düşük impedansa sahiptir. Arıza sırasında, yüksek akım reaktörü doyuma iter veya OV'yi etkinleştirir, bu da rezonansı detün eder ve reaktörü hat içine yerleştirerek akım sınırlaması sağlar. Elektromanyetik repulsif hızlı anahtarlar, kondansatörü hızlı bir şekilde atlayabilir.

2.6 FCL Mühendislik Uygulamalarının Güncel Durumu

Pratik değeri için, FCL'ler sadece arıza sırasında hızla impedans eklemeli, aynı zamanda otomatik reset, ardışık işlemler, düşük harmonik üretme, kabul edilebilir yatırım ve işletme maliyetlerine sahip olmalıdır. Şu anda, teknik zorluklar ve maliyet etkinliği nedeniyle, dünya çapında çeşitli deneysel prototipler geliştirildi olsa da, gerçek ağ uygulamaları sınırlıdır, çoğunlukla düşük gerilimli, küçük kapasiteli pilot projelerine sınırlıdır.

Alan, yurtdışında erken başladı ve katı hal ve süperiletken FCL'lerin ticarileşmesinde önemli ilerleme kaydedildi. 1993 yılında, ABD New Jersey'deki Army Power Center'da, 4.6 kV besleyici üzerinde, anti-paralel GTO'lardan oluşan 6.6 MW katı hal kesicisi kuruldu, 300 μs içinde arızaları temizleme yeteneğine sahipti. 1995 yılında, EPRI ve Westinghouse tarafından geliştirilen 13.8 kV/675 A katı hal FCL, PSE&G alt istasyonunda faaliyete geçti. Süperiletken FCL'ler için, 1998 yılında ACEC-Transport ve GEC-Alsthom tarafından geliştirilen hibrit AC/DC FCL ticarileşmeye ulaştı. 1999 yılında, General Atomics ve diğerleri tarafından geliştirilen 15 kV/1200 A SFCL, Southern California Edison (SCE) alt istasyonunda faaliyete geçti.

Yerel FCL araştırmaları daha sonra başladı ancak hızlı bir ilerleme kaydedildi. 2007 yılında, Tianjin Electromechanical Holdings ve Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd. tarafından geliştirilen Çin'in 35 kV süperiletken doygun çekirdek FCL'si, Yunnan'daki Puji Alt İstasyonu'nda ağ bağlantılı deneme işletmesine alındı - o zamanlar dünyadaki en yüksek gerilimli, en yüksek kapasiteli süperiletken sınırlayıcı deneme işletmesiydi. Seri rezonans FCL'ler için, Çin Elektrik Araştırma Enstitüsü, Zhongdian Puri ve Doğu Çin Ağı tarafından ortaklaşa geliştirilen Çin'in ilk 500 kV cihazı, 2009 yılı sonunda 500 kV Bingyao İstasyonu'nda faaliyete geçti, kısa devre akımını 47 kA'nın altına düşürdü.

Küresel olarak, FCL uygulamaları hala bireysel projelere sınırlıdır ancak giderek daha fazla dikkat çekmektedir. Kapasite, gerilim dayanımı, malzeme iyileştirmeleri, ısı散发继续