تحليل موثوقية محددي التيار العطل في محطات التحويل ذات الجهد العالي

1 مقدمة

للموافقة على الطلب المتزايد بسرعة للطاقة الكهربائية، يجب أن تتطور أنظمة إنتاج وتوزيع ونقل الطاقة بشكل متناسب. أحد القضايا الحرجة الناتجة عن هذا التطور هو زيادة سريعة في تيارات القصر. يؤدي ارتفاع تيارات القصر إلى العديد من المخاطر:

• التسخين الزائد للأجهزة المتصلة بالسلسلة على طول مسار العطل؛
• زيادة الجهد المؤقت والجهد الاستعادة أثناء قطع التيار، مما قد يضر بأنظمة العزل؛
• توليد قوى ميكانيكية عالية جدًا في المعدات ذات اللب (مثل المحولات والمولدات والمفاعلات)؛
• إمكانية عدم استقرار النظام اعتمادًا على حجم وقت التخلص من تيار العطل؛
• قد لا يكون قواطع الدائرة الموجودة قادرة بعد الآن على قطع تيار العطل المتزايد، مما يتطلب استبدالات باهظة الثمن من حيث الوقت والنفقات؛ لتجنب مثل هذه النفقات، قد يتم تقييد المحولات الموازية أو تقليل الترابط بين الأنظمة، مما يقوض قدرة النقل وموثوقية النظام؛
• يزيد تيار العطل المتزايد من زمن الإصلاح، مما يؤدي إلى فترات انقطاع أطول وخسائر اقتصادية أكبر؛
• انخفاض موثوقية الشبكة.

حالياً، هناك ثلاثة حلول رئيسية متاحة لتخفيف هذه الآثار:

• بناء هياكل شبكة بأقل احتمالية لحدوث عطل؛
• استخدام قواطع دائرية ذات قدرة قطع أعلى أو استبدال القواطع الأضعف بأخرى أكثر قدرة؛
• تعديل الشبكة لتقليل مستويات تيار القصر. عادة ما يتم استخدام مزيج من هذه الحلول لتحقيق تصميم شبكة مثالي مع الحفاظ على موثوقية النظام ضمن حدود مقبولة. ومع ذلك، فإن احتمالية حدوث عطل لا يمكن القضاء عليها تمامًا، وتصميم معدات الطاقة بناءً على تيارات قصر متزايدة غير عملي تجارياً. يمكن تقسيم الحل الثالث إلى:
  • تقليل الترابط بين الأنظمة (مثل تقسيم الحافلة)؛
  • تطبيق محددات تيار العطل (FCLs).

تعتبر استبدال قواطع الدائرة بواحدة ذات قدرة قطع أعلى حلًا مكلفًا وقد لا يكون ممكنًا في بعض الحالات. بالإضافة إلى ذلك، تظهر أنظمة الحماية تأخيرًا في كشف العطل بناءً على مواصفات الوصلات. عملية قاطع الدائرة وإطفاء القوس ليست فورية، وتتطلب عادة 3-5 دورات لإزالة العطل تمامًا. لذلك، غالبًا ما لا يمكن قطع تيارات العطل خلال أول 2-8 دورات بعد حدوث العطل. خلال هذه الفترة، يتدفق تيار عالٍ عبر الأجهزة المتصلة بالسلسلة على طول مسار العطل، وحتى هذه الفترة القصيرة يمكن أن تكون مدمرة، خاصة خلال الدورة الأولى عندما يكون الجزء المستمر من تيار العطل مرتفعًا بشكل خاص.

يمكن اعتبار تقسيم الحافلة وتقليل الترابط بين الأنظمة كبديل لمعالجة هذه المشكلة. ومع ذلك، فإنها تقدم تحديات تشغيلية أخرى، مثل تقليل قدرة النقل وتغيير تدفق الطاقة وزیادة الخسائر. ينشأ الحاجة لمحددات تيار العطل من ضرورة حماية المعدات الغالية والحساسة. بشكل عام، تعتمد جميع استراتيجيات FCL المقترحة على إدخال عائق عالي في المسار المتسلسل خلال العطل، وتختلف فقط في التنفيذ. الخصائص المرجوة لمحدد تيار العطل المثالي عادة ما تكون:

• مقاومة منخفضة جدًا تحت ظروف نظام الطاقة الطبيعية؛
• إدخال مقاومة عالية خلال العطل؛
• عمل سريع لتحديد الجزء المستمر من تيار العطل؛
• قدرة على عدة عمليات في فترة قصيرة واستعادة ذاتية؛
• عدم إدخال التوافقيات في نظام الطاقة؛
• تقليل الجهد الزائد المؤقت؛
• موثوقية عالية.

2 موثوقية محددات تيار العطل

يتم تحفيز تطبيق FCLs في محطات التحويل عادة لأسباب رئيسية اثنتين:

• تجنب الحل الباهظ الثمن لاستبدال قواطع الدائرة المثبتة بواحدة ذات قدرة قصر أعلى؛
• الحفاظ على طوبولوجيا محطة التحويل وتجنب تقسيم الحافلة بسبب مشاكل التشغيل أو الموثوقية. حالياً، لا توجد مصادر أو مراجع موثوقة حول خصائص موثوقية FCLs؛ لذا نهدف في هذه الدراسة إلى تحليل هذه القضية بالنظر إلى الخصائص الفنية. بعض FCLs يستخدم تقنيات معقدة للغاية، مما قد يقلل من موثوقيتها.

هناك أنواع مختلفة من FCLs، ومن بينها FCLs الرنينية وFCLs الفائقة التوصيل أكثر بروزًا.

أ. FCLs الرنينية

تم اقتراح العديد من التكوينات لـ FCLs الرنينية. عادة ما يتم تصنيفها كـ FCLs رنينية متسلسلة وFCLs رنينية متوازية. تمتلك FCLs الرنينية العديد من الخصائص المواتية لتحديد العطل، بما في ذلك:

• عمل بدون قطع التيار؛
• رد فعل سريع للعطل؛
• قدرة على حمل تيار القصر خلال فترة العطل؛
• قدرة على إعادة الضبط.

ومع ذلك، تتكون FCLs الرنينية عادة من مكونات متعددة، وتتعلق الموثوقية الكلية بالإشتغال الصحيح لكل مكون. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب بعض FCLs الرنينية جهاز تشغيل خارجي، مما يعني الحاجة لمكونات إضافية للكشف عن القصر وبدء التشغيل. وهذا يزيد من تعقيد النظام ويقلل من الموثوقية. وبالتالي، FCLs ذات التشغيل الذاتي هي الأكثر موثوقية.

ب. FCLs الفائقة التوصيل

مقارنة بـ FCLs الرنينية، تتطلب FCLs الفائقة التوصيل عددًا أقل من المكونات وهي ذات تشغيل ذاتي. استراتيجية تحديد تيار العطل بسيطة ومستندة إلى السلوك الطبيعي للمواد الفائقة التوصيل. يوجد التوصيل الفائق فقط عند درجات حرارة منخفضة جدًا، لذا تتطلب FCLs الفائقة التوصيل معدات تبريد إضافية، مما يزيد من تكاليف الاستثمار. يقتصر المفهوم المقترح في هذه الورقة على تقييم تأثير تطبيق FCL على موثوقية محطة التحويل.

3 أوضاع الفشل لـ FCLs

مثل المكونات الأخرى في محطات التحويل ذات الجهد العالي، تظهر FCLs أوضاع فشل مختلفة يجب مراعاتها عند تقييم موثوقية محطات التحويل التي تتضمن FCLs. يقارن هذا القسم معدلات الفشل لأنواع مختلفة من FCLs.

هناك علاقة أساسية بين موثوقية النظام الكامل وعدد أنظمته الفرعية، والتي يجب أن تعمل بشكل صحيح لتحقيق الوظيفة الكلية المطلوبة.

• أ. أوضاع الفشل النشطة
• ب. أوضاع الفشل السلبية
• ج. أوضاع الفشل الثابتة

من الواضح أن FCLs التي تتطلب نظام تشغيل (FCLs مُشغلة خارجيًا) لديها معدلات فشل أعلى. بشكل عام، أي FCL يتضمن تشغيلًا أو تبديلًا يتطلب عمليات متتابعة لمجموعة من الأجهزة المفتاحية، مما يتطلب توافقًا دقيقًا وإجراءات تنسيق، مما يزيد بشكل كبير من التعقيد مقارنة بقواطع الدائرة التقليدية.

في FCLs الرنينية (سواء كانت مُشغلة خارجيًا أو ذاتيًا)، قد تنشأ أوضاع فشل ثابتة بسبب التغيرات في خصائص العنصر الرنيني بسبب التغيرات في ظروف التشغيل مثل درجة الحرارة، أو العمل تحت ظروف غير محددة.

لا تظهر FCLs الفائقة التوصيل مثل هذه أوضاع الفشل إلا في حالة التبريد الزائد، وهو أمر نادر الحدوث. لذا يمكن القول إن FCLs الفائقة التوصيل لا تملك هذا وضع الفشل بشكل أساسي. في معظم الحالات، يمكن تصميم FCLs الفائقة التوصيل بمعاملات قابلة للتنبؤ وتحمل آلاف الدورات من التفعيل والاستعادة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام FCLs أصغر بدلاً من الأكبر لتحسين كل من الموثوقية وقدرة تقييد التيار. الجدول 1 يقارن بشكل موجز معدلات حدوث أوضاع الفشل المختلفة عبر أنواع مختلفة من FCLs.

4 التطبيق العملي

تم استخدام محطة تحويل نموذجية مبينة في الشكل 1 لتقييم تأثير تنفيذ FCLs على موثوقية محطة التحويل. من المعروف أنه أثناء الصيانة، يعد استخدام قواطع الدائرة لقسم الحافلة لإدارة خطط الحماية وتعزيز مرونة تكوينات محطة التحويل أمرًا شائعًا. عندما يتجاوز مستوى تيار العطل في محطة التحويل قدرة قاطع الدائرة على القطع، يمكن أن يكون استبدال قاطع الحافلة بمحدد تيار العطل حلًا ممكنًا. في الواقع، يعتبر FCL بين الحافلات أحد التطبيقات الأكثر شيوعًا لـ FCLs.

لنفترض أن جميع الأحمال المتصلة بالحافلة 330 كيلوفولت متطابقة. يركز تقييم الموثوقية على الحمل 1 على الحافلة 330 كيلوفولت اليسرى والحمل 5 على الحافلة 330 كيلوفولت اليمنى. يتم تقييم موثوقية الحمل باستخدام المؤشرات التالية: (1) احتمالية فقدان الحمل (%)؛ (2) زمن الانقطاع السنوي (U). يتم افتراض أن الحافلة 330 كيلوفولت موثوقة تمامًا. لتجنب الحسابات غير الضرورية، لا يتم النظر في أوضاع الفشل التي تشمل فشل أكثر من ثلاثة مكونات في نفس الوقت. نظرًا لأن معدل حدوث مثل هذه الأوضاع منخفض جدًا، فإن هذا الافتراض لا يسبب خطأ كبيرًا.

يوضح الجدول 2 معدلات الفشل وأوقات الإصلاح للمكونات. لتحليل أولي، نبدأ بحساب المؤشرات المرتبطة بحافلة 330 كيلوفولت اليسرى. لإجراء مقارنة شاملة ومبنية على المعلومات، يجب علينا نظريًا حساب مؤشرات الموثوقية لجميع نقاط الحمل من L1 إلى L7. ومع ذلك، نظرًا لأن هذه الأحمال متشابهة ومتصفة بنفس الحافلة، ستكون لديها أوضاع فشل متشابهة. لذا، نحتاج فقط إلى حساب مؤشرات الموثوقية لنقطة الحمل 1 (L1) على الحافلة اليسرى ونقطة الحمل 5 (L5) على الحافلة اليمنى.

كما ذكر أعلاه، يتم استخدام مؤشرين احتماليين لتحليل: احتمالية فقدان الحمل (بالوحدة f/yr) وزمن الانقطاع السنوي (بالساعات/سنة، A). يتم تقييم هذه المؤشرات لحالة فشل مكون واحد.

في حالة فشل مكونين في نفس الوقت، يتم التعبير عن معدل الفشل المكافئ (λₑ)، ومتوسط زمن الانقطاع (r)، وزمن الانقطاع السنوي (u) كما يلي:

في حالة فشل ثلاث مستويات في نفس الوقت، يتم التعبير عنها كما يلي:

مع الأخذ في الاعتبار جميع أوضاع الفشل، يمكن حساب معدل الفشل الكلي وزمن الانقطاع السنوي الكلي كما يلي:

يوضح الجدول 3 نتائج تحليل الموثوقية للأحمال.

الآن، يتم أداء نفس الحساب للخطوط المرسلة على الحافلة الأخرى 230 كيلوفولت. يوضح الجدول 4 النتائج المتعلقة بنقطة الحمل LS.

5 خاتمة

تقدم هذه الورقة تطبيق محددات تيار العطل (FCLs) لتحسين موثوقية محطات التحويل، وتصف النموذج الرياضي وإجراءات حساب الموثوقية، وتقيم تأثير تنفيذ FCLs على موثوقية محطات التحويل. تشير النتائج إلى أن موثوقية محطات التحويل تتحسن باستخدام FCLs. تم أيضًا إجراء تحليل حساسية لفحص تأثير مختلف المعلمات - مثل معدل الفشل النشط ومعدل الفشل السلبي ووقت الإصلاح لـ FCL - على مؤشرات الموثوقية.