Обмежувачі відхилення струму | Вплив технології та стабільності мережі
1 Вступ до технології обмежувачів аварійних струмів (FCL)
Традиційні пасивні методи обмеження аварійного струму, такі як використання трансформаторів з високим опором, фіксованих реакторів або розділення шин, мають власні недоліки, включаючи порушення структури мережі, збільшення постійного імпедансу системи та зниження безпеки та стабільності системи. Ці підходи все більше не підходять для сучасних складних та великомасштабних електромереж.
Наприклад, активні технології обмеження аварійного струму, представлені Обмежувачами Аварійних Струмів (FCL), демонструють низький імпеданс під час нормальної роботи мережі. Коли відбувається аварія, FCL швидко перехідить у стан високого імпедансу, ефективно обмежуючи аварійний струм до нижчого рівня, що дозволяє динамічний контроль аварійних струмів. FCL розвинулися з традиційної концепції обмеження струму за допомогою серійних реакторів, інтегруючи передові технології, такі як електроніка сили, надпровідність та керування магнітним контуром.
Основний принцип FCL можна спростити до моделі, показаної на рисунку 1: під час нормальної роботи системи ключ K закритий, і FCL не вводить жодного обмежуючого імпедансу. Лише коли відбувається аварія, K швидко відкривається, вводячи реактор для обмеження аварійного струму.
Більшість FCL базуються на цій основній моделі або її розширених варіантах. Основні відмінності між різними FCL полягають у природі обмежуючого імпедансу, реалізації ключа K та пов'язаних з ними стратегіях управління.
2 Схеми реалізації FCL та їх стан застосування
2.1 Надпровідні обмежувачі аварійних струмів (SFCLs)
SFCLs можна поділити на типи, що коротяться, та не коротяться, залежно від того, чи використовують вони переход надпровідника з надпровідного до нормального стану (S/N) для обмеження струму. Структурно вони поділяються на резистивні, місткові, магнітно-екранировані, трансформаторні або насичені серцевини. Типи, що коротяться, SFCL, спираються на S/N-переход (спрацьований, коли температура, магнітне поле або струм перевищують критичні значення), де надпровідник переходить від нульового опору до високого опору, обмежуючи аварійний струм.
Типи, що не коротяться, SFCL комбінують надпровідні катушки з іншими компонентами (наприклад, електронікою сили або магнітними елементами) і керують режимами роботи для обмеження короткозамкнутих струмів. Практичне застосування SFCL стикається з загальними проблемами надпровідності, такими як вартість та ефективність охолодження. Додатково, типи, що коротяться, SFCL, мають довгий час відновлення, що потенційно суперечить повторному замиканню системи, тоді як зміни опору типів, що не коротяться, можуть впливати на координацію релейної захисти, що вимагає переналаштування.
2.2 Магнітні елементи обмежувачів струму
Ці обмежувачі поділяються на типи зі зменшенням потоку та типи з магнітним насиченням. У типах зі зменшенням потоку дві обмотки з протилежною полярністю намотані на одній серцевині. Під час нормальної роботи рівні та протилежні потоки знищують один одного, що призводить до низького витокового опору.
Під час аварії одна обмотка обходитися, порушуючи баланс потоків і представляючи високий опір. Типи з магнітним насиченням працюють, змушуючи обмежувальну обмотку до насичення (через постійне зміщення, тощо) під час нормальної роботи, що дає низький опір. Під час аварії аварійний струм виводить серцевину з насичення, створюючи високий опір для обмеження струму. Завдяки складним вимогам керування, магнітні елементи обмежувачів мають обмежене застосування.
2.3 Обмежувачі струму на PTC-резисторах
Резистори з позитивним температурним коефіцієнтом (PTC) є нелінійними; вони мають низький опір та мінімальне нагрівання під час нормальної роботи. Під час короткого замикання їхня температура швидко зростає, підвищуючи опір на 8-10 порядків величини за мілісекунди. FCL на основі PTC-резисторів знайшли комерційне застосування в низьковольтних системах.
Однак недоліки включають: високі наднапруги, що генеруються під час обмеження індуктивного струму (що вимагає паралельної захисту від наднапруг); механічні напруження через розширення резистора під час роботи; обмежені характеристики напруги/струму (сотні вольт, кілька ампер), що вимагають послідовно-паралельних з'єднань та обмежують використання в високовольтних системах; і довгий час відновлення ( декілька хвилин) з коротким терміном служби, що заважає широкому застосуванню.
2.4 Твердотільні обмежувачі струму (SSCLs)
SSCLs - це новий тип обмежувачів короткого замикання на основі електроніки сили, як правило, включають традиційні реактори, електронні пристрої сили та контролери. Вони пропонують різні топології, швидку реакцію, високу оперативну витривалість та просте керування. Контролюючи стан електронних пристроїв сили, еквівалентний імпеданс SSCL змінюється для обмеження аварійного струму. Розглядаються як новий FACTS-пристрій, SSCLs здобувають все більше уваги. Однак під час аварій електронні пристрої сили повинні носити повний аварійний струм, що вимагає високої продуктивності та ємності пристроїв. Координація між кількома SSCLs або з іншими системами керування FACTS залишається важливим викликом.
2.5 Економічні обмежувачі струму
Вони пропонують зрілу технологію, високу надійність, низьку вартість та автоматичне переключення без зовнішнього керування. Вони в основному поділяються на типи перенесення струму дуги та серійного резонансу. Тип перенесення струму дуги складається з вакуумного перемикача, який паралельно з’єднаний з обмежувачем струму. Під час нормальної роботи струм завантаження проходить через перемикач. При короткому замиканні перемикач відкривається, змушуючи струм перенестися на резистор для обмеження струму.
Проблеми включають: струм перенесення, який впливає на напругу дуги та паразитну індуктивність; час перенесення, який залежить від швидкості перемикача; і труднощі в перенесенні струму при низькій напрузі дуги, що вимагає допоміжних пристроїв для підвищення напруги дуги та примусового перетворення струму. Серійні резонансні FCL використовують насичені реактори або захисники від перенапруги як перемикачі. Під час нормальної роботи конденсатор та індуктор знаходяться в серійному резонансі з низьким імпедансом. Під час аварії великий струм насичує реактор або активує захисник, розстроюючи резонанс і вводячи реактор в лінію для обмеження струму. Швидкі перемикачі на основі електромагнітного відштовхування також можуть швидко обходити конденсатор.
2.6 Поточний стан застосування FCL в інженерії
Для практичної цінності FCL повинні не лише швидко вводити імпеданс під час аварій, але й мати автоматичне скидання, багатократні послідовні операції, низьке генерування гармонік та прийнятні інвестиційні та експлуатаційні витрати. На даний момент, обмежені технічними викликами та ефективністю витрат, хоча розроблено різні експериментальні прототипи по всьому світу, фактичне застосування в мережах залишається рідкісним, переважно обмежуючись пілотними проектами низької напруги та невеликої ємності.
Ця область почала розвиватися раніше за кордоном, з помітним прогресом у комерціалізації твердотільних та надпровідних FCL. У 1993 році твердотільний перемикач потужністю 6,6 МВ з антипаралельними GTO було встановлено на лінії живлення 4,6 кВ в Армійському енергетичному центрі в Нью-Джерсі, США, з можливістю очищення аварій протягом 300 мкс. У 1995 році твердотільний FCL напруги 13,8 кВ / 675 А, розроблений EPRI та Westinghouse, було запущено на підстанції PSE&G. Для надпровідних FCL, гібридний AC/DC FCL було розроблено ACEC-Transport та GEC-Alsthom у 1998 році, досягнувши комерціалізації. У 1999 році 15 кВ / 1200 А SFCL, розроблений спільно General Atomics та іншими, було встановлено на підстанції Southern California Edison (SCE).
Дослідження FCL в Україні почалися пізніше, але розвивались швидко. У 2007 році надпровідний FCL на 35 кВ, розроблений Tianjin Electromechanical Holdings та Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd., був введений в експлуатацію на підстанції Puji в провінції Юннань - тоді це був найвищий за напругою та найбільший за ємністю надпровідний обмежувач, який був введений в експлуатацію. Для серійно-резонансних FCL, перший в Україні пристрій на 500 кВ, розроблений спільно China Electric Power Research Institute, Zhongdian Puri та East China Grid, було запущено на підстанції 500 кВ Bingyao в кінці 2009 року, знизивши короткозамкнутий струм до менше 47 кА.
По всьому світу застосування FCL все ще обмежене окремими проектами, але зростає увага. Значний потенціал залишається в дослідженні збільшення ємності, стійкості до напруги, покращення матеріалів, теплообміну, контролю витрат та оптимізації топології.
3 Вплив інтеграції FCL на безпеку та стабільність електромережі
Швидке введення імпедансу FCL під час аварій, хоча ефективно обмежує струм, змінює параметри мережі, впливаючи на тимчасову стабільність, стабільність напруги, налаштування релейного захисту та повторне замикання. Погане керування може призвести до негативних наслідків. Координоване керування та оптимальна конфігурація є необхідними для багатьох FCL, щоб досягти оптимальної продуктивності.
3.1 Вплив на налаштування релейного захисту та повторного замикання
Для SFCL з насиченою серцевиною, довгий час відновлення означає, що значний імпеданс залишається після аварії, що може вимагати переналаштування автоматичного повторного замикання та релейного захисту. Література пропонує встановлювати SFCL типу "короткі" на гілках генераторів та основних трансформаторів; хоча потрібне переналаштування захисту, тривалий високий імпеданс під час відновлення може виступати як тормозний резистор, що сприяє тимчасовій стабільністі. Було запропоновано різні методи налаштування дистанційного захисту, що враховують SFCL. Твердотільні FCL можуть використовувати сигнали тригерування тиристорів, контакти обходного перемикача, положення перемикача FCL та GAP-схеми для переключення налаштувань захисту нульового послідовного струму, вирішуючи проблеми чутливості після введення FCL.
3.2 Вплив на тимчасову стабільність кута мощності
Хоча FCL зазвичай працюють з низьким імпедансом під час нормальної роботи та високим імпедансом під час аварій, їх конкретна робота та структура призводять до різних впливів на тимчасову стабільність кута мощності. Твердотільні та надпровідні FCL, вводячи високий імпеданс під час аварій, можуть підвищити вихід електромагнітної мощності генератора та покращити тимчасову стабільність.
Резистивні FCL покращують стабільність більше, ніж індуктивні, надаючи демпфуючий опір, який споживає більше мощності генератора. Проте неправильні значення опору можуть спричинити зворотній потік мощності до генератора, погіршуючи дефіцит мощності. Аналіз показує, що для аварій далеко від генератора, індуктивні SFCL стають більш вигідними, оскільки загальна передавальна реактивна опір зменшується. Резистивні SFCL також показують подібні характеристики після порогового опору.
Вплив залежить від місця та типу аварії; FCL впливають на стабільність кута мощності лише тоді, коли аварії відбуваються на їх встановлених лініях. Для асиметричних аварій на початку лінії, індуктивність FCL сприяє стабільністі, зростаючи зі значенням індуктивності. На кінці лінії, якщо аварію швидко ліквідовано, індуктивність FCL може заважати стабільністі, але негативний вплив зменшується зі збільшенням індуктивності для фазово-фазових та двофазово-земельних аварій. Для однофазових або фазово-фазових аварій поблизу кінця лінії, трохи продовження часу ліквідації аварії робить малу індуктивність FCL корисною, значно зменшуючи амплітуду коливань по відношенню до швидкого ліквідування.
3.3 Вплив на тимчасову стабільність напруги
Короткозамкнуті аварії призводять до просідання напруги, що впливає на роботу обладнання та викликає економічні втрати. Аналіз на основі PSCAD показує, що більша індуктивність FCL покращує підтримку просідання напруги в певних межах. Власна здатність FCL покращити аварійну напругу змінюється зі структурою мережі. На радіальній лінії, реактивна опір FCL >0,5 pu може підтримувати напругу вище 0,8 pu під час аварій. Місцева генерація або реактивна підтримка поблизу аварійного шинного вузла зменшує залежність від FCL.
3.4 Координація з традиційними обмежувальними заходами
Координація FCL з традиційними заходами (наприклад, реактори, трансформатори з високим опором) є ключовою для практичного застосування. Автоматичний метод оптимізації, що використовує 0-1 змінні для розміщення заходів та цілочислові змінні для ємності, формує задачу мішаного цілочислового програмування, яка може бути вирішена методом розгалуження та обмеження, щоб керувати координацією конфігурації.
3.5 Оптимізація конфігурації
З кількома FCL, оптимізація розташування, кількості та параметрів для ефективної продуктивності є горячою точкою досліджень. Для малих мереж, перерахування або методи, засновані на швидкості зміни/втрати потужності, достатні. Для великих мереж з кількома вузлами, що перевищують обмеження короткозамкнутого струму, перерахування стає обчислювально інтенсивним і недостатнім для багатоцільових задач (імпеданс, кількість, розташування).
Вагова багатоцільова оптимізація, використовуючи генетичні або алгоритми роя частинок, є поширеною, але результати сильно залежать від вибору ваг. Методи, засновані на чутливості, обчислюючи зміни короткозамкнутого струму відносно опору гілок, уникнуть залежності від ваг та допоможуть визначити оптимальне розташування, кількість та імпеданс FCL. Оскільки основною метою є обмеження струму, оптимізація може зосередитися на ефективності обмеження, забезпечуючи, що вибрані розташування FCL впливають на всі вузли з недостатньою маржею короткозамкнутого струму. Витрати та експлуатаційні втрати також є важливими факторами в реальній оптимізації.
4 Розвиток та тенденції застосування FCL
4.1 Тренди досліджень технології FCL
Для використання переваг та
