Pagsusi sa Kahiposan sa mga Fault Current Limiters sa mga High-Voltage Substation

1 Pagpapakilala

Upang matugunan ang mabilis na paglago ng pangangailangan sa elektrikong enerhiya, ang mga sistema ng paggawa, pagpapadala, at pagbabahagi ng kuryente ay dapat mag-develop nang tugma. Isa sa mga mahalagang isyu na lumilitaw dahil dito ay ang mabilis na pagtaas ng short-circuit currents. Ang pagtaas ng short-circuit currents ay nagdudulot ng ilang mga panganib:

• overheating ng mga device na serye-connected sa daan ng fault;
• pagtaas ng transient at recovery voltages sa panahon ng pag-interrupt ng kuryente, na maaaring masira ang mga insulation systems;
• pagbuo ng napakataas na mechanical forces sa coil-based equipment (hal. transformers, generators, reactors);
• potensyal na instability ng sistema depende sa laki at clearing time ng fault current;
• mga umiiral na circuit breakers ay maaaring wala nang kakayahan na interruptin ang pagtaas ng fault current, kaya nangangailangan ng mahal na replacements sa oras at pera; upang iwasan ang mga gastos, maaaring limitahan o bawasan ang interconnectivity ng mga parallel power transformers, na kompromiso ang transmission capacity at system reliability;
• pagtaas ng fault currents ay nagpapahaba ng corrective actions, na nagdudulot ng mas mahabang outage durations at mas malaking economic losses;
• bawas na grid reliability.

Kasalukuyan, tatlong pangunahing solusyon ang available upang mabawasan ang mga epekto nito:

• paggawa ng grid structures na may minimal na probability ng fault;
• paggamit ng circuit breakers na may mas mataas na interrupting capacity o pagpalit ng mas mahina na breakers sa mas capable ones;
• pag-modify ng grid upang mabawasan ang short-circuit levels. Isang kombinasyon ng mga solusyong ito ay karaniwang ginagamit upang makamit ang optimal na network design habang pinapanatili ang system reliability sa acceptable limits. Gayunpaman, ang posibilidad ng faults ay hindi maaaring buo na i-eliminate, at ang pagdisenyo ng power equipment batay sa patuloy na pagtaas ng short-circuit currents ay hindi praktikal sa komersyo. Ang pangatlong solusyon ay maaaring higit na hinati sa:
  • pagbawas ng system interconnectivity (hal. bus splitting);
  • pag-apply ng fault current limiters (FCLs).

Ang pagpalit ng circuit breakers na may mas mataas na interrupting capacity ay isang mahal na solusyon at maaaring hindi feasible sa ilang kaso. Bukod dito, ang mga protection systems ay nagpapakita ng delays sa fault detection batay sa relay specifications. Ang operasyon ng circuit breaker at arc extinction ay hindi instantaneous, karaniwan ang nangangailangan ng 3–5 cycles upang mabuo ang fault. Bilang resulta, ang fault currents ay hindi karaniwang maaaring ma-interrupt sa unang 2–8 cycles pagkatapos ng fault. Sa panahong ito, napakataas na kuryente ang lumilipas sa mga series devices sa daan ng fault, at kahit ang maikling panahon na ito ay maaaring destructive, lalo na sa unang cycle kung saan ang DC component ng fault current ay partikular na mataas.

Ang bus splitting at reduced system interconnectivity ay maaaring ituring bilang mga alternatibo upang tugunan ang isyu. Gayunpaman, sila ay nagpapakilala ng iba pang operational challenges, tulad ng bawas na transmission capacity, altered power flow, at increased losses. Ang pangangailangan para sa FCLs ay nagmumula sa kailangan na protektahan ang mga costly at vulnerable na equipment. Karaniwan, lahat ng proposed FCL strategies ay batay sa pag-insert ng high impedance sa series path sa panahon ng fault, na may kaunting pagkakaiba lamang sa implementation. Ang desired characteristics ng isang ideal na FCL ay karaniwang:

• napakababang impedance sa normal na kondisyon ng power system;
• pag-insert ng high impedance sa panahon ng fault;
• mabilis na operasyon upang limitin ang DC component ng fault current;
• capability para sa multiple operations sa maikling panahon at self-recovery;
• walang pag- introduce ng harmonics sa power system;
• minimization ng transient overvoltages;
• matataas na reliability.

2 Reliability ng Fault Current Limiters

Ang application ng FCLs sa mga substation ay karaniwang motibado ng dalawang pangunahing rason:

• pag-iwas sa mahal na solusyon ng pagpalit ng installed circuit breakers na may mas mataas na short-circuit capacity;
• pagpapanatili ng substation topology at pag-iwas sa bus splitting dahil sa operational o reliability issues. Kasalukuyan, walang reliable sources o references sa reliability characteristics ng FCLs; kaya naman, sa pag-aaral na ito, ang layunin natin ay analisin ang isyu na ito sa pamamagitan ng pag-consider ng technical characteristics. Ang ilang FCLs ay gumagamit ng highly complex technologies, na maaaring bawasan ang kanilang reliability.

May iba't ibang uri ng FCLs, kung saan ang resonant-type at superconducting FCLs ang mas prominent.

A. Resonant-Type FCLs

Maraming configurations para sa resonant-type FCLs ang ipinroporsyon. Sila ay karaniwang naklase bilang series resonant-type at parallel resonant-type FCLs. Ang resonant-type FCLs ay may ilang favorable characteristics para sa fault limitation, kasama ang:

• Operation without current interruption;
• Mabilis na response sa faults;
• Kakayahang carry ng short-circuit current sa panahon ng fault duration;
• Reset capability.

Gayunpaman, ang resonant-type FCLs ay karaniwang binubuo ng maraming components, at ang overall reliability ay depende sa tama na operasyon ng bawat component. Bukod dito, ang ilang resonant-type FCLs ay nangangailangan ng external triggering device, na nangangahulugang extra components ang kailangan upang sensein ang short circuit at simulan ang triggering. Ito ay nagpapataas ng system complexity at nagbabawas ng reliability. Kaya, ang self-triggered FCLs ay mas reliable.

B. Superconducting FCLs

Kumpara sa resonant-type FCLs, ang superconducting FCLs ay nangangailangan ng mas kaunti na components at self-triggered. Ang fault current limiting strategy ay simple at batay sa natural behavior ng superconducting materials. Ang superconductivity ay umiiral lamang sa napakababang temperatura, kaya ang superconducting FCLs ay nangangailangan ng additional cooling equipment, na nagpapataas ng investment costs. Ang concept na inipinroporsyon sa paper na ito ay limitado sa pag-evaluate ng impact ng FCL application sa substation reliability.

3 Failure Modes ng FCLs

Tulad ng iba pang components sa high-voltage substations, ang FCLs ay nagpapakita ng iba't ibang failure modes na dapat isapuso sa pag-assess ng reliability ng transmission substations na may FCLs. Ang seksyon na ito ay nagsasalamin ng failure rates ng iba't ibang types ng FCLs.

May fundamental na relasyon sa pagitan ng reliability ng isang buong sistema at ang bilang ng mga subsystem nito, lahat ng kailangan ng tama na operasyon upang makamit ang desired na overall function.

• A. Active failure modes
• B. Passive failure modes
• C. Fixed failure modes

Narito, ang FCLs na nangangailangan ng triggering system (externally triggered FCLs) ay may mas mataas na failure rates. Sa general, anumang FCL na nangangailangan ng triggering o commutation ay nangangailangan ng sequential operations ng maraming switching devices, na nangangailangan ng precise synchronization at coordination, na significantly nagpapataas ng complexity kumpara sa conventional circuit breakers.

Sa resonant-type FCLs (both externally at self-triggered), fixed failure modes maaaring lumitaw dahil sa variations sa resonant element characteristics na dulot ng pagbabago sa operating conditions tulad ng temperature, o operasyon sa non-rated conditions.

Ang superconducting FCLs ay nagpapakita ng ganitong failure modes lamang sa excessive cooling, na malihim na nangyayari. Kaya, maaaring sabihin na ang superconducting FCLs ay essential na wala sa ganitong failure mode. Sa karamihan ng mga kaso, ang superconducting FCLs ay maaaring disenyo gamit ang predictable parameters at matiis ng libu-libong activation at recovery cycles. Bukod dito, ang paggamit ng mas maliit na FCLs sa halip ng mas malalaki ay maaaring mapabuti ang parehong reliability at current-limiting capability. Table 1 brief na nagsasalamin ng occurrence rates ng iba't ibang failure modes sa iba't ibang types ng FCLs.

4 Practical Application

Isang sample substation na ipinapakita sa Fig. 1 ay ginagamit upang i-evaluate ang impact ng pag-implement ng FCLs sa substation reliability. Malamang na sa panahon ng maintenance, ang paggamit ng bus-sectioning circuit breakers upang managein ang protection schemes at mapabuti ang flexibility ng substation configurations ay karaniwang practice. Kapag ang fault current level sa substation ay lumampas sa interrupting capacity ng mga circuit breakers, ang pagpalit ng bus-sectioning breaker sa isang FCL ay naging viable na solusyon. Tunay nga, ang Inter-Bus FCL ay isa sa mga pinakakaraniwang application ng FCLs.

Assume na ang lahat ng loads na konektado sa 330 kV bus ay identiko. Ang reliability assessment ay nakatuon sa Load 1 sa kaliwa 330 kV bus at Load 5 sa kanan 330 kV bus. Ang load reliability ay ina-evaluate gamit ang sumusunod na indices: (1) Load loss probability (%); (2) Annual outage time (U). Ang 330 kV bus ay ina-assume na fully reliable. Upang iwasan ang unnecessary calculations, ang failure modes na nangangailangan ng simultaneous failure ng higit sa tatlo na components ay hindi isinasama. Dahil ang occurrence rate ng mga ganitong failure modes ay napakababa, ang assumption na ito ay hindi nagpapakilala ng significant error.

Table 2 shows the failure rates and repair times of the components. For the initial analysis, we start by calculating the reliability indices associated with the left 330 kV bus. To make an informed and comprehensive comparison, theoretically, we should calculate the reliability indices for all load points from L1 to L7. However, given that these loads are similar and connected to the same bus, they will have similar failure modes. Therefore, we only need to calculate the reliability indices for Load Point 1 (L1) on the left bus and Load Point 5 (L5) on the right bus.

As mentioned above, two probabilistic indices are used for the analysis: load loss probability (in f/yr) and annual outage time (in hours/year, A). These indices are evaluated for the case of a single component failure.

For the case of simultaneous failure of two components, the equivalent failure rate (λₑ), average outage duration (r), and annual outage time (u) are expressed as follows:

For the case of simultaneous failure at three levels, it is expressed as follows:

Considering all failure modes, the total failure rate and the total annual outage time can be calculated as follows:

Table 3 shows the reliability analysis results for the loads.

Now, the same calculation is performed for the feeders on the other 230 kV bus. Table 4 shows the results related to load point LS.

5 Conclusion

This paper presents the application of fault current limiters (FCLs) in enhancing substation reliability, describes the mathematical model and procedure for reliability calculation, and evaluates the impact of FCL implementation on substation reliability. The results indicate that substation reliability is improved by employing FCLs. A sensitivity analysis is also conducted to examine the influence of various parameters—such as the active failure rate, passive failure rate, and repair time of the FCL—on the reliability indices.