Betroubaarheidsanalise van Foutstroombeperkers in Hoogspanningsonderstations

1 Inleiding

Om die vinnig groeiende vraag na elektriese energie te bevredig, moet kragopwekking, -oorsending en -verspreidingstelsels ooreenkomstig ontwikkel. Een van die kritiese kwessies wat hieruit voortspruit, is die vinnige toename in kortsluitsstroome. Die toename in kortsluitsstroome lei tot verskeie gevaarlike situasies:

• oorverhitting van reeksgekoppelde toestelle langs die foutpad;
• toename in oorgangs- en herstelspannings tydens stroomonderbreking, wat isoleringsstelsels kan beskadig;
• generering van uitermate hoë meganiese kragte in spoelgebaseerde toestelle (bv. transformators, generatore, reaktore);
• moontlike stelselinstabiliteit afhangend van die grootte en skoonmaaktyd van die foutstroom;
• bestaande skakelaars mag nie langer in staat wees om die toegenomen foutstroom te onderbreek nie, wat kostebeskuiwende vervanginge in tyd en geld noodsaak; om sulke koste te vermy, kan parallelle kragtransformateurs beperk word of stelselverbinding verminder word, wat die oorsendingkapasiteit en stelselbetroubaarheid kompromitteer;
• toename in foutstroome verleng korrektiewe aksies, wat lei tot langer uitvaltyd en groter ekonomiese verliese;
• vermindering in roosters betroubaarheid.

Tans is daar drie hoofoplossings beskikbaar om hierdie effekte te verminder:

• konstruksie van roosterstrukture met minimale foutwaarskynlikheid;
• gebruik van skakelaars met hoër onderbrekingskapasiteit of vervanging van swakker skakelaars met meer bekwaame een;
• aanpassing van die rooster om kortsluitsvlakke te verminder. 'n Kombinasie van hierdie oplossings word tipies gebruik om optimale netwerkontwerp te bereik terwyl stelselbetroubaarheid binne aanvaarbare limiete behou word. Echter, die moontlikheid van foute kan nooit volledig uitgeskakel word nie, en die ontwerp van kragtoestelle gebaseer op steeds toenemende kortsluitsstroome is kommersieel onprakties. Die derde oplossing kan verder verdeel word in:
  • vermindering van stelselverbinding (bv. bus splitting);
  • toepassing van foutstroombeperkers (FCLs).

Vervanging van skakelaars met hoër onderbrekingskapasiteit is 'n kostebeskuiwende oplossing en mag in sekere gevalle nie prakties wees nie. Bovendien wys beskermingstelsels vertragings in foutopsporing gebaseer op relaisspesifikasies. Skakelaarbedryf en booguitmaking is nie instantaneus nie, wat tipies 3–5 siklusse vereis om 'n fout volledig te skoon. Gevolglik kan foutstroome gewoonlik nie binne die eerste 2–8 siklusse na 'n fout onderbreek word nie. Gedurende hierdie periode, vloei baie hoë stroome deur reeksgekoppelde toestelle in die foutpad, en selfs hierdie kort tydsduur kan vernietigend wees, veral gedurende die eerste siklus wanneer die DC-komponent van die foutstroom spesifiek hoog is.

Bus splitting en verminderde stelselverbinding kan as alternatiewe oorweeg word om hierdie kwessie aan te spreek. Echter, dit bring ander operasionele uitdagings met, soos verminderde oorsendingkapasiteit, veranderde kragvloei, en toename in verliese. Die behoefte aan FCLs ontstaan uit die noodsaak om kostebeskuiwende en kwetsbare toestelle te beskerm. Algemeen gesproke, is alle voorgestelde FCL-strategieë gebaseer op die invoer van hoë impedansie in die reekspad tydens 'n fout, wat slegs in implementering verskil. Die gewensde eienskappe van 'n ideale FCL is tipies:

• baie lae impedansie onder normale kragstelselvoorwaardes;
• invoer van hoë impedansie tydens 'n fout;
• vinnige bedryf om die DC-komponent van die foutstroom te beperk;
• vermoë vir meervoudige bedryfsaksies binne 'n kort tyd en selfherstel;
• geen invoer van harmoniese in die kragstelsel nie;
• minimisering van oorgangsoverspannings;
• hoë betroubaarheid.

2 Betroubaarheid van Foutstroombeperkers

Die toepassing van FCLs in substasies word gewoonlik gemotiveer deur twee hoofredes:

• vermyding van die kostebeskuiwende oplossing om geïnstalleerde skakelaars te vervang met dié met hoër kortsluitskapasiteit;
• behoud van substasietopologie en vermyding van bus splitting weens operasionele of betroubaarheidskwessies. Tans is daar geen betrouwbare bronne of verwysings oor die betroubaarheideienskappe van FCLs beskikbaar nie; dus, in hierdie studie, poog ons om hierdie kwessie te analiseer deur tegniese eienskappe te oorweeg. Sommige FCLs maak gebruik van hoogs komplekse tegnologieë, wat hul betroubaarheid kan verminder.

Daar is verskeie tipes FCLs, waarvan resonantie-tipe en supergeleiende FCLs meer prominente is.

A. Resonantie-tipe FCLs

Verskeie konfigurasies vir resonantie-tipe FCLs is voorgestel. Hulle word algemeen ingedeel as reeksresonantie-tipe en parallelresonantie-tipe FCLs. Resonantie-tipe FCLs het verskeie gunstige eienskappe vir foutbeperking, insluitend:

• Bedryf sonder stroomonderbreking;
• Vinnige reaksie op foute;
• Vermoë om kortsluitsstroom tydens foutduur te dra;
• Herstelvermoë.

Echter, resonantie-tipe FCLs bestaan gewoonlik uit verskeie komponente, en die algehele betroubaarheid hang af van die korrekte bedryf van elke komponent. Daarbenewens, sommige resonantie-tipe FCLs benodig 'n buiteste triggering-toestel, wat beteken dat bykomende komponente nodig is om die kortsluiting te bespeur en triggering te initieer. Dit verhoog stelselkompleksiteit en verminder betroubaarheid. Dus, self-triggering FCLs is duidelik betroubaarder.

B. Supergeleiende FCLs

In vergelyking met resonantie-tipe FCLs, benodig supergeleiende FCLs minder komponente en is self-triggering. Die foutstroombeperkingsstrategie is eenvoudig en gebaseer op die natuurlike gedrag van supergeleiende materiale. Supergeleiendheid bestaan slegs by baie lae temperature, sodat supergeleiende FCLs addisionele koeltoerusting benodig, wat investeringskoste verhoog. Die konsep wat in hierdie dokument voorgestel word, is beperk tot die evaluering van die impak van FCL-toepassing op substasiebetroubaarheid.

3 Foutmodusse van FCLs

Soos ander komponente in hoëspanning substasies, vertoon FCLs verskillende foutmodusse wat in ag geneem moet word wanneer die betroubaarheid van oorsending substasies wat FCLs insluit, geassesseer word. Hierdie afdeling vergelyk die foutkoerse van verskillende tipes FCLs.

Daar is 'n fundamentele verhouding tussen die betroubaarheid van 'n volledige stelsel en die aantal sy-stelsels, almal wat korrek moet funksioneer om die gewense algehele funksie te bereik.

• A. Aktiewe foutmodusse
• B. Pasiewe foutmodusse
• C. Vaste foutmodusse

Duidelik het FCLs wat 'n triggering-stelsel benodig (buiteste triggering FCLs) hoër foutkoerse. In die algemeen, enige FCL wat triggering of kommutering behels, behels sekwensiële bedryf van verskeie skakelaartoestelle, wat presiese sinchronisasie en koördinering vereis, wat die kompleksiteit beduidend verhoog in vergelyking met konvensionele skakelaars.

In resonantie-tipe FCLs (sowel buiteste as self-triggering), kan vaste foutmodusse ontstaan as gevolg van variasies in resonantelement-eienskappe veroorsaak deur veranderinge in bedryfstoestand, soos temperatuur, of bedryf onder niet-gerate voorwaardes.

Supergeleiende FCLs vertoon slegs sulke foutmodusse onder overtollige koeling, wat selde voorkom. Dus, kan dit gesê word dat supergeleiende FCLs in die meeste gevalle nie hierdie foutmodus het nie. In die meeste gevalle kan supergeleiende FCLs met voorspelbare parameters ontwerp word en duisende aktivering- en herstelsiklusse weerstaan. Verder kan die gebruik van kleiner FCLs in plaas van groter een beide betroubaarheid en stroombeperkingsvermoë verbeter. Tabel 1 vergelyk kortliks die voorkoms van verskillende foutmodusse oor verskeie FCL-tipes.

4 Praktiese Toepassing

'n Steekproefsubstasie, soos getoon in Fig. 1, word gebruik om die impak van FCL-implementering op substasiebetroubaarheid te evalueer. Dit is algemeen bekend dat tydens instandhouding, die gebruik van bus-seksie skakelaars om beskermingsschemas te bestuur en die buigsamheid van substasiekonfigurasies te verhoog, 'n algemene praktyk is. Wanneer die foutstroomvlak in 'n substasie die onderbrekingskapasiteit van die skakelaars oorskry, word die vervanging van die bus-seksie skakelaar met 'n FCL 'n haalbare oplossing. In werklikheid is Inter-Bus FCL een van die mees algemene toepassings van FCLs.

Gestel al die laste wat aan die 330 kV bus gekoppel is, is identies. Die betroubaarheidsassessering fokus op Last 1 aan die linkerkant 330 kV bus en Last 5 aan die regterkant 330 kV bus. Lastbetroubaarheid word geëvalueer met behulp van die volgende indekse: (1) Waarskynlikheid van lastverlies (%); (2) Jaarlikse uitvaltyd (U). Die 330 kV bus word as volledig betroubaar aangeneem. Om onnodige berekeninge te vermy, word foutmodusse wat die gelyktydige faal van meer as drie komponente behels, nie oorweeg nie. Aangesien die voorkoms van sulke foutmodusse baie laag is, bring hierdie aanneming nie beduidende foute in nie.

Tabel 2 wys die foutkoerse en hersteltye van die komponente. Vir die beginanalise, begin ons deur die betroubaarheidsindekse geassosieer met die linkerkant 330 kV bus te bereken. Ten einde 'n ingeligte en omvattende vergelyking te maak, moet ons teoreties die betroubaarheidsindekse vir alle lastpunte van L1 tot L7 bereken. Echter, aangesien hierdie laste soortgelyk is en aan dieselfde bus gekoppel is, sal hulle soortgelyke foutmodusse hê. Dus, hoef ons slegs die betroubaarheidsindekse vir Last Punt 1 (L1) aan die linkerkant bus en Last Punt 5 (L5) aan die regterkant bus te bereken.

Soos hierbo genoem, word twee waarskynlikheidsindekse vir die analise gebruik: waarskynlikheid van lastverlies (in f/jaar) en jaarlikse uitvaltyd (in ure/jaar, A). Hierdie indekse word geëvalueer vir die geval van 'n enkele komponentfaal.

Vir die geval van gelyktydige faal van twee komponente, word die ekwivalente foutkoers (λₑ), gemiddelde uitvaltyd (r), en jaarlikse uitvaltyd (u) so uitgedruk:

Vir die geval van gelyktydige faal op drie vlakke, word dit so uitgedruk:

Met al die foutmodusse in ag, kan die totale foutkoers en die totale jaarlikse uitvaltyd so bereken word:

Tabel 3 wys die resultate van die betroubaarheidsanalise vir die laste.

Nou, word dieselfde berekening vir die voeders op die ander 230 kV bus uitgevoer. Tabel 4 wys die resultate wat verband hou met lastpunt LS.

5 Gevolgtrekking

Hierdie dokument stel die toepassing van foutstroombeperkers (FCLs) voor om substasiebetroubaarheid te verhoog, beskryf die wiskundige model en prosedure vir betroubaarheidsberekening, en evalueer die impak van FCL-implementering op substasiebetroubaarheid. Die resultate dui daarop dat substasiebetroubaarheid verbeter word deur FCLs te gebruik. 'n Sensitiwiteitsanalise word ook uitgevoer om die invloed van verskillende parameters, soos die aktiewe foutkoers, pasiewe foutkoers, en hersteltyd van die FCL, op die betroubaarheidsindekse, te ondersoek.