Güclü şəbəkəli elektrik stansiyalarında Kəsinti Cari Məhdudlaşdırıcılarının Güvənirlilik Analizi

1 Giriş

Elektrik enerjisi talebinin hızla artan ihtiyacını karşılamak için, elektrik üretimi, iletimi ve dağıtım sistemleri de ilgili olarak gelişmelidir. Bu gelişmeden kaynaklanan kritik sorunlardan biri, kısa devre akımlarının hızlı artışıdır. Kısa devre akımlarındaki artış, birkaç tehlikeye yol açar:

• hata yolundaki seri bağlı cihazların aşırı ısınması;
• akım kesintisi sırasında geçici ve toparlanma gerilimlerinin artması, bu da yalıtım sistemlerini zarar görebilir;
• bobin tabanlı ekipmanlarda (örneğin, transformatörler, jeneratörler, reaktörler) son derece yüksek mekanik kuvvetlerin oluşumu;
• hata akımının büyüklüğüne ve temizleme süresine bağlı olarak potansiyel sistem istikrarı eksikliği;
• mevcut devre kesiciler, artan hata akımını kesmekte yetersiz olabilir, bu da zaman ve maliyet açısından pahalı değişimleri gerektirir; bu masrafları önlemek için paralel güç transformatörleri sınırlanabilir veya sistem bağlantılılığı azaltılabilecek, bu da iletim kapasitesini ve sistem güvenilirliğini zedeleyecektir;
• artan hata akımları düzeltici işlemlerin süresini uzatır, bu da daha uzun kesinti sürelerine ve daha büyük ekonomik kayıplara neden olur;
• ağ güvenilirliğinin azalması.

Şu anda, bu etkileri azaltmak için üç ana çözüm mevcuttur:

• minimum hata olasılığı olan ağ yapılarını oluşturma;
• daha yüksek kesme kapasiteli devre kesiciler kullanma veya daha zayıf kesicileri daha güçlü olanlarla değiştirme;
• kısa devre seviyelerini azaltmak için ağı değiştirme. Genellikle, bu çözümlerin bir kombinasyonu, sistemin güvenilirliğini kabul edilebilir sınırlar içinde korurken optimal ağ tasarımı elde etmek için uygulanır. Ancak, hata olasılığı asla tamamen ortadan kaldırılamaz ve her geçen gün artan kısa devre akımlarına dayalı güç ekipmanları tasarlamak ticari açıdan pratik değildir. Üçüncü çözüm, şu şekilde daha fazla ayrılmıştır:
  • sistem bağlantılığını azaltma (örneğin, otobüs bölünmesi);
  • hata akımı sınırlayıcıları (FCL'ler) uygulama.

Daha yüksek kesme kapasiteli devre kesicilerle değiştirme, pahalı bir çözüm olup bazı durumlarda uygun olmayabilir. Ayrıca, koruma sistemleri, röle özelliklerine bağlı olarak hata tespitinde gecikme gösterir. Devre kesicinin çalışması ve ark söndürme anında olmaz, genellikle bir hatayı tamamen temizlemek için 3-5 döngü gerekmektedir. Bu nedenle, hata gerçekleşten sonra ilk 2-8 döngü içinde hata akımları genellikle kesilemez. Bu dönemde, hata yolundaki seri cihazlardan çok yüksek akımlar geçer ve bu kısa süre bile, özellikle ilk döngüde hata akımının DC bileşeni oldukça yüksek olduğunda yıkıcı olabilir.

Otobüs bölünmesi ve azaltılmış sistem bağlantılılığı, bu sorunu çözmek için alternatifler olarak düşünülebilir. Ancak, bu diğer operasyonel zorluklara da yol açar, örneğin iletim kapasitesi azalır, güç akışı değişir ve kayıplar artar. Pahalı ve hassas ekipmanları korumak için FCL'lerin ihtiyacı ortaya çıkmaktadır. Genellikle, tüm önerilen FCL stratejileri, hata sırasında seride yüksek impedans yerleştirme üzerine dayanır, sadece uygulamada farklılık gösterir. İdeal bir FCL'nin arzu edilen özellikleri genellikle şunlardır:

• normal güç sistem koşullarında çok düşük impedans;
• hata sırasında yüksek impedans yerleştirme;
• hata akımının DC bileşenini sınırlamak için hızlı işlem;
• kısa sürede birden fazla işlem yapabilme ve kendiliğinden toparlanma;
• güç sistemine harmonik giriş yapmama;
• geçici aşırı gerilimlerin en aza indirilmesi;
• yüksek güvenilirlik.

2 Hata Akımı Sınırlayıcılarının Güvenilirliği

Altmerkezlerde FCL'lerin uygulaması genellikle iki ana nedenle motivasyon bulmaktadır:

• yükseltilmiş kısa devre kapasiteli devre kesicilerle mevcut devre kesicilerin pahalı çözümünü değiştirme;
• operasyonel veya güvenilirlik sorunlarından dolayı otobüs bölünmesini önleyerek altmerkez topolojisini koruma. Şu anda, FCL'lerin güvenilirlik özelliklerine ilişkin güvenilir kaynaklar veya referanslar mevcut değildir; bu nedenle, bu çalışmada, teknik özellikler göz önünde bulundurularak bu konuyu analiz etmeyi amaçlıyoruz. Bazı FCL'ler, güvenilirliklerini azaltabilecek çok karmaşık teknolojiler kullanmaktadır.

Çeşitli FCL tipleri vardır, bunların arasında rezonans tipi ve süperiletken FCL'ler daha belirgindir.

A. Rezonans Tipi FCL'ler

Rezonans tipi FCL'ler için birçok yapılandırma önerilmiştir. Genellikle, seri rezonans tipi ve paralel rezonans tipi FCL'ler olarak sınıflandırılırlar. Rezonans tipi FCL'ler, hata sınırlaması için birkaç olumlu özelliğe sahiptir, bunlar arasında:

• akım kesintisi olmadan çalışma;
• hatalar karşısında hızlı tepki;
• hata süresi boyunca kısa devre akımını taşıma yeteneği;
• sıfırlanma yeteneği.

Ancak, rezonans tipi FCL'ler genellikle birden fazla bileşenden oluşur ve genel güvenilirlik, her bileşenin doğru çalışmasına bağlıdır. Ayrıca, bazı rezonans tipi FCL'ler dış tetikleme cihazı gerektirir, bu da kısa devreyi algılamak ve tetiklemeyi başlatmak için ek bileşenlere ihtiyaç duyar. Bu, sistem karmaşıklığını artırır ve güvenilirliği azaltır. Bu nedenle, kendi kendine tetiklenen FCL'ler açıkça daha güvenilirdir.

B. Süperiletken FCL'ler

Rezonans tipi FCL'lerle karşılaştırıldığında, süperiletken FCL'ler daha az bileşen gerektirir ve kendi kendine tetiklenir. Hata akımı sınırlama stratejisi basittir ve süperiletken malzemelerin doğal davranışına dayanır. Süperiletkenlik sadece çok düşük sıcaklıklarda var olur, bu nedenle süperiletken FCL'ler ek soğutma ekipmanlarına ihtiyaç duyar, bu da yatırım maliyetlerini artırır. Bu makaledeki kavram, FCL uygulamasının altmerkez güvenilirliği üzerindeki etkisini değerlendirmeye sınırlıdır.

3 FCL'lerin Hata Modları

Yüksek voltajlı altmerkezlerdeki diğer bileşenler gibi, FCL'ler de, FCL'ler içeren iletim altmerkezlerinin güvenilirliğini değerlendirmek için dikkate alınması gereken farklı hata modları gösterir. Bu bölüm, farklı FCL tiplerinin hata oranlarını karşılaştırır.

Tam bir sistemin güvenilirliğiyle, tüm alt sistemlerin doğru çalışmasıyla elde edilen istenen genel işlev arasında temel bir ilişki vardır.

• A. Aktif hata modları
• B. Pasif hata modları
• C. Sabit hata modları

Açıkça, tetikleme sistemi gerektiren FCL'ler (dış tetikleme FCL'leri), daha yüksek hata oranlarına sahiptir. Genel olarak, tetikleme veya komütasyon içeren herhangi bir FCL, birden fazla anahtar cihazın sıralı işlemlerini gerektirir, bu da hassas senkronizasyon ve koordinasyon gerektirir, bu da geleneksel devre kesicilere kıyasla önemli ölçüde karmaşıklığı artırır.

Rezonans tipi FCL'lerde (hem dış hem de kendi kendine tetiklenen), işletim koşullarındaki değişiklikler (örneğin, sıcaklık) veya nominal olmayan koşullar altında çalışma nedeniyle rezonans elemanı karakteristiklerindeki değişiklikler sonucu sabit hata modları ortaya çıkabilir.

Süperiletken FCL'ler, aşırı soğutma nedeniyle nadiren bu hata modlarını gösterir. Bu nedenle, süperiletken FCL'lerin esasen bu hata moduna sahip olmadığı söylenebilir. Çoğu durumda, süperiletken FCL'ler, tahmin edilebilir parametrelerle tasarlanabilir ve binlerce aktivasyon ve toparlanma döngüsüne dayanabilir. Ayrıca, daha büyük FCL'ler yerine daha küçük FCL'lerin kullanılması, hem güvenilirliği hem de akım sınırlama yeteneğini artırabilir. Tablo 1, çeşitli FCL tipleri arasında farklı hata modlarının oluşma oranlarını kısaca karşılaştırır.

4 Pratik Uygulama

Şekil 1'de gösterilen örnek altmerkez, FCL'lerin uygulamasının altmerkez güvenilirliği üzerindeki etkisini değerlendirmek için kullanılır. Bakım sırasında, koruma şemalarını yönetmek ve altmerkez yapılandırmalarının esnekliğini artırmak için otobüs bölme devre kesicilerini kullanmanın yaygın bir uygulama olduğu bilinmektedir. Bir altmerkezdeki hata akımı seviyesi, devre kesicilerin kesme kapasitesini aştığında, otobüs bölme devre kesicisini FCL ile değiştirmek, uygun bir çözüm haline gelir. Gerçekten de, Otobüs Arası FCL, FCL'lerin en yaygın uygulamalarından biridir.

330 kV otobüsüne bağlı tüm yüklerin aynı olduğunu varsayalım. Güvenilirlik değerlendirmesi, sol 330 kV otobüsündeki Yük 1 ve sağ 330 kV otobüsündeki Yük 5'e odaklanır. Yük güvenilirliği, aşağıdaki endekslerle değerlendirilir: (1) Yük kaybı olasılığı (%); (2) Yıllık kesinti süresi (U). 330 kV otobüsü tamamen güvenilir kabul edilir. Gereksiz hesaplamaları önlemek için, üçten fazla bileşenin eşzamanlı başarısızlığını içeren hata modları göz önünde bulundurulmaz. Bu hata modlarının oluşma oranı çok düşük olduğundan, bu varsayım önemli bir hata getirmez.

Tablo 2, bileşenlerin hata oranlarını ve onarım sürelerini gösterir. İlk analiz için, sol 330 kV otobüsüyle ilişkili güvenilirlik endekslerini hesaplayarak başlarız. Bilgilendirilmiş ve kapsamlı bir karşılaştırma yapabilmek için, teorik olarak L1'den L7'ye kadar tüm yük noktaları için güvenilirlik endekslerini hesaplamalıyız. Ancak, bu yükler benzerdir ve aynı otobüse bağlı olduğundan, benzer hata modlarına sahip olacaktır. Bu nedenle, sadece sol otobüsteki Yük Noktası 1 (L1) ve sağ otobüsteki Yük Noktası 5 (L5) için güvenilirlik endekslerini hesaplamamız yeterlidir.

Yukarıda belirtildiği gibi, analiz için iki olasılıksal endeks kullanılır: yük kaybı olasılığı (yılda f) ve yıllık kesinti süresi (yılda saat, A). Bu endeksler, tek bir bileşen başarısızlığı durumu için değerlendirilir.

İki bileşenin eşzamanlı başarısızlığı durumu için, eşdeğer hata oranı (λₑ), ortalama kesinti süresi (r) ve yıllık kesinti süresi (u) aşağıdaki gibi ifade edilir:

Üç düzeyde eşzamanlı başarısızlık durumu için, aşağıdaki gibi ifade edilir:

Tüm hata modlarını göz önünde bulundurarak, toplam hata oranı ve toplam yıllık kesinti süresi aşağıdaki gibi hesaplanabilir:

Tablo 3, yükler için güvenilirlik analizi sonuçlarını gösterir.

Şimdi, diğer 230 kV otobüzündeki besleyiciler için aynı hesaplama yapılır. Tablo 4, yük noktası LS ile ilgili sonuçları gösterir.

5 Sonuç

Bu makale, hata akımı sınırlayıcılarının (FCL'ler) altmerkez güvenilirliğini artırmada uygulanmasını, güvenilirlik hesaplaması için matematiksel model ve prosedürü tanımlar ve FCL uygulamasının altmerkez güvenilirliği üzerindeki etkisini değerlendirir. Sonuçlar, FCL'lerin kullanımı ile altmerkez güvenilirliğinin arttığını göstermektedir. Ayrıca, FCL'nin aktif hata oranı, pasif hata oranı ve onarım süresi gibi çeşitli parametrelerin güvenilirlik endeksleri üzerindeki etkisini incelemek için bir hassasiyet analizi de gerçekleştirilmiştir.