Анализ на надеждността на ограничителите на тока при повреда във високонапрегови подстанции

1 Въведение

За да се отговори на бързо растящата потребност в електрическа енергия, системите за производство, пренос и разпределение на електроенергия трябва да се развиват съответно. Една от ключовите проблеми, произтичащи от това развитие, е бързото увеличаване на късо-замкъсните токове. Нарастяването на късо-замкъсните токове води до няколко опасности:

• загряване на серийно свързаните устройства по пътя на дефекта;
• увеличаване на преходните и възстановителни напрежения при прекъсване на тока, които могат да повредят изолационните системи;
• генериране на екстремно високи механични сили в обвивковите устройства (например, трансформатори, генератори, реактори);
• потенциална нестабилност на системата в зависимост от големината и времето за изчистване на дефектния ток;
• съществуващите автомати може да не са вече способни да прекъсват увеличените дефектни токове, което изисква скъпи замени във време и пари; за да се избегнат такива разходи, паралелните трансформатори могат да бъдат ограничени или се намалява взаимодействието на системата, което компрометира капацитета за пренос и надеждността на системата;
• увеличаването на дефектните токове удължава корекционните действия, което води до по-дълги периоди на прекъсване и по-големи икономически загуби;
• намаляване на надеждността на мрежата.

В момента има три основни решения, за да се намалят тези ефекти:

• изграждане на мрежови структури с минимална вероятност за дефект;
• използване на автомати с по-висока капацитет за прекъсване или замяна на слабите автомати с по-способни;
• модификация на мрежата, за да се намалят нивата на късо-замкъсните токове. Обикновено се използва комбинация от тези решения, за да се постигне оптимален дизайн на мрежата, докато се поддържа надеждността на системата в приемливи граници. Все пак, възможността за дефекти никога не може да бъде напълно елиминирана, а проектирането на електроустроства, базирани на постоянно нарастващите късо-замкъсни токове, е комерсиално непрактично. Третото решение може да бъде допълнително разделено на:
  • намаляване на взаимодействието на системата (например, разделяне на шината);
  • приложение на ограничители на дефектните токове (FCLs).

Замяната на автомати с по-висока капацитет за прекъсване е скъпа и може да не е изпълнимата в определени случаи. Освен това, защитните системи показват забавяне в откриването на дефектите, основавайки се на спецификациите на реле. Операцията на автоматите и изгасването на дъга не са моментални, обикновено изискващи 3-5 цикъла, за да се изчисти напълно дефектът. Следователно, дефектните токове обикновено не могат да бъдат прекъснати в първите 2-8 цикъла след дефект. По време на този период, много високи токове протичат през серийно свързаните устройства по пътя на дефекта, и дори тази кратка продължителност може да бъде разрушителна, особено по време на първия цикъл, когато DC компонентата на дефектния ток е особено висока.

Разделянето на шината и намаляването на взаимодействието на системата могат да се разглеждат като алтернативи за решаване на този проблем. Но те възникват и други оперативни предизвикателства, като намалена капацитет за пренос, променен поток на мощност и увеличени загуби. Потребността от FCLs произтича от необходимостта да се защитят скъпи и уязвими устройства. Обикновено всички предложени стратегии за FCLs са основани на включването на високо импеданс в серийния път по време на дефект, различавайки се само в реализацията. Желаните характеристики на идеален FCL обикновено са:

• много ниско импеданс при нормални условия на електроенергийната система;
• включване на високо импеданс по време на дефект;
• бърза работа, за да се ограничи DC компонентата на дефектния ток;
• способност за многократни операции в кратко време и самовъзстановяване;
• без въвеждане на хармоники в електроенергийната система;
• минимизиране на преходните перенапрежения;
• висока надеждност.

2 Надеждност на ограничителите на дефектните токове

Приложението на FCLs в подстанции обикновено е мотивирано от две основни причини:

• избягване на скъпото решение за замяна на инсталираните автомати с такива, които имат по-висока капацитет за късо-замкъсни токове;
• поддържане на топологията на подстанцията и избягване на разделянето на шината поради оперативни или надеждностни проблеми. В момента няма надеждни източници или препоръки относно надеждностните характеристики на FCLs; следователно, в това проучване, целта ни е да анализираме този въпрос, като се имат предвид техническите характеристики. Някои FCLs използват много сложни технологии, които могат да намалят надеждността им.

Има различни видове FCLs, сред които резонансните и свръхпроводещите FCLs са по-изразени.

A. Резонансни FCLs

Били са предложени много конфигурации за резонансни FCLs. Те обикновено се класифицират като сериен резонансен и паралелен резонансен FCLs. Резонансните FCLs притежават няколко благоприятни характеристики за ограничаване на дефектите, включително:

• работа без прекъсване на тока;
• бърз отговор на дефектите;
• способност да пренася късо-замкъсния ток по време на дефект;
• способност за възстановяване.

Все пак, резонансните FCLs обикновено се състоят от множество компоненти, а общата надеждност зависи от правилната работа на всеки компонент. Освен това, някои резонансни FCLs изискват външно активиращо устройство, което означава, че са нужни допълнителни компоненти, за да се засече късо-замкъсът и да се започне активирането. Това увеличава комплексността на системата и намалява надеждността. Следователно, самоактивиращите FCLs са явно по-надеждни.

B. Свръхпроводещи FCLs

В сравнение с резонансните FCLs, свръхпроводещите FCLs изискват по-малко компоненти и са самоактивиращи. Стратегията за ограничаване на дефектния ток е проста и основана на естественото поведение на свръхпроводещите материали. Свръхпроводимостта съществува само при много ниски температури, затова свръхпроводещите FCLs изискват допълнително охладително оборудване, което увеличава инвестициите. Концепцията, предложена в тази статия, е ограничена до оценяване влиянието на приложението на FCLs върху надеждността на подстанцията.

3 Модове на дефект на FCLs

Както и другите компоненти в високонапреговите подстанции, FCLs имат различни модове на дефект, които трябва да бъдат взети предвид при оценяване на надеждността на подстанциите, включващи FCLs. Този раздел сравнява скоростите на дефект на различните видове FCLs.

Има фундаментална връзка между надеждността на цялата система и броя на нейните подсистеми, всички от които трябва да работят правилно, за да се постигне желаният общ функционал.

• A. Активни модове на дефект
• B. Пасивни модове на дефект
• C. Фиксирани модове на дефект

Ясно е, че FCLs, които изискват активираща система (външно активиращи FCLs), имат по-високи скорости на дефект. Общо взето, всяко FCL, което включва активиране или комутация, изисква последователни операции на множество комутационни устройства, които изискват точна синхронизация и координация, значително увеличавайки комплексността в сравнение с традиционните автомати.

В резонансните FCLs (и външно, и самоактивиращи), фиксирани модове на дефект могат да възникнат поради вариации в характеристиките на резонансните елементи, причинени от промени в условията на работа, като температура, или работа при нерейтингови условия.

Свръхпроводещите FCLs показват такива модове на дефект само при изключително охлаждане, което рядко се случва. Следователно, може да се каже, че свръхпроводещите FCLs практически не имат този мод на дефект. В повечето случаи, свръхпроводещите FCLs могат да бъдат проектирани с предсказуеми параметри и да издържат хиляди цикли на активиране и възстановяване. Освен това, използването на по-малки FCLs вместо по-големи може да подобри както надеждността, така и способността за ограничаване на тока. Таблица 1 кратко сравнява скоростите на дефект на различните модове на дефект в различните видове FCLs.

4 Практично приложение

Една примерна подстанция, показана на фигура 1, се използва за оценка на влиянието на приложението на FCLs върху надеждността на подстанцията. Е добре известно, че по време на поддръжка, използването на секциониращи автомати за управление на защитни схеми и за подобряване на гъвкавостта на конфигурациите на подстанцията е обикновена практика. Когато нивото на дефектния ток в подстанцията надхвърли капацитета за прекъсване на автоматите, замяна на секциониращия автомат с FCL става жизнеспособно решение. Наистина, Inter-Bus FCL е едно от най-общиите приложения на FCLs.

Предполагаме, че всички натоварвания, свързани с 330 kV шината, са идентични. Оценката на надеждността се фокусира върху натоварването L1 на лявата 330 kV шина и натоварването L5 на дясната 330 kV шина. Надеждността на натоварванията се оценява с помощта на следните индекси: (1) Вероятност за загуба на натоварване (%); (2) Годишно време на прекъсване (U). 330 kV шината се предполага, че е напълно надеждна. За да се избегнат ненужни изчисления, модовете на дефект, включващи едновременно дефектуване на повече от три компонента, не се вземат предвид. Тъй като скоростта на възникване на такива модове на дефект е много ниска, това предположение не въвежда значителна грешка.

Таблица 2 показва скоростите на дефект и времето за поправка на компонентите. За начален анализ, започваме с изчисляване на индексите на надеждност, свързани с лявата 330 kV шина. За да се направи информирано и обширно сравнение, теоретично трябва да се изчислят индексите на надеждност за всички точки на натоварване от L1 до L7. Но, тъй като тези натоварвания са подобни и свързани с една и съща шина, те ще имат подобни модове на дефект. Следователно, ние трябва да изчислим индексите на надеждност само за точка на натоварване L1 (L1) на лявата шина и точка на натоварване L5 (L5) на дясната шина.

Както беше споменато по-горе, два вероятностни индекса се използват за анализа: вероятност за загуба на натоварване (в f/година) и годишно време на прекъсване (в часове/година, A). Тези индекси се оценяват за случая на дефектуване на един компонент.

За случая на едновременно дефектуване на два компонента, еквивалентната скорост на дефект (λₑ), средното време на прекъсване (r) и годишното време на прекъсване (u) се изразяват по следния начин:

За случая на едновременно дефектуване на три нива, то се изразява по следния начин:

Като се вземат предвид всички модове на дефект, общата скорост на дефект и общото годишно време на прекъсване могат да бъдат изчислени по следния начин:

Таблица 3 показва резултатите от анализ на надеждността на натоварванията.

Сега, същото изчисление се извършва за линиите на другата 230 kV шина. Таблица 4 показва резултатите, свързани с точка на натоварване LS.

5 Заключение

Тази статия представя приложението на ограничителите на дефектните токове (FCLs) за подобряване на надеждността на подстанциите, описва математическата модель и процедурата за изчисление на надеждността, и оценява влиянието на приложението на FCLs върху надеждността на подстанциите. Резултатите показват, че надеждността на подстанциите се подобрява чрез използването на FCLs. Извършена е и анализ на чувствителността, за да се изследва влиянието на различни параметри – като активната скорост на дефект, пасивната скорост на дефект и времето за поправка на FCLs – върху индексите на надеждност.