Analýza spolehlivosti omezovačů případových proudů v elektrárnách s vysokým napětím

1 Úvod

Pro splnění rychle rostoucí poptávky po elektrické energii musí systémy pro výrobu, přenos a distribuci elektrické energie vyvíjet se odpovídajícím způsobem. Jedním z klíčových problémů tohoto rozvoje je rychlý nárůst krátkozávodných proudů. Nárůst krátkozávodných proudů vedl k několika rizikům:

• zvýšení přechodových a obnovovacích napětí během přerušení proudu, což může poškodit izolační systémy;
• vytváření extrémně vysokých mechanických sil v cívkových zařízeních (např. transformátory, generátory, reaktory);
• možná nestabilita systému v závislosti na velikosti a čase odstranění poruchového proudu;
• existující vypínače mohou již nezvládat přerušení zvýšeného poruchového proudu, což by vyžadovalo drahé výměny v čase a penězích; aby se takovéto náklady vyhnuly, mohou být omezeny paralelně zapojené transformátory nebo snížena propustnost mezi systémy, což kompromituje přenosovou kapacitu a spolehlivost systému;
• zvýšení poruchových proudů prodlužuje opravné akce, což vede k delším výpadkům a větším ekonomickým ztrátám;
• snížení spolehlivosti sítě.

V současné době existuje tři hlavní řešení, která lze použít k zmírnění těchto účinků:

• konstrukce síťových struktur s minimální pravděpodobností poruchy;
• použití vypínačů s vyšší vypínací kapacitou nebo nahrazení slabších vypínačů schopnějšími;
• modifikace sítě pro snížení úrovní krátkozávodných proudů. K dosažení optimálního návrhu sítě, zatímco se udržuje spolehlivost systému v přijatelných mezích, je obvykle použito kombinace těchto řešení. Nicméně, možnost poruch nikdy nemůže být úplně eliminována, a návrh elektrického zařízení na základě stále rostoucích krátkozávodných proudů není komerčně praktický. Třetí řešení lze dále rozdělit na:
  • snížení propojenosti systému (např. rozdělení sběrnice);
  • použití omezovačů krátkozávodných proudů (FCL).

Nahrazení vypínačů s vyšší vypínací kapacitou je nákladné řešení a v některých případech může být nepraktické. Kromě toho, ochranné systémy mají zpoždění v detekci poruch založené na specifikacích relé. Operace vypínače a zánik oblouku není okamžitý, typicky vyžaduje 3–5 cyklů k úplnému odstranění poruchy. V důsledku toho, krátkozávodné proudy obvykle nelze přerušit během prvních 2–8 cyklů po vzniku poruchy. Během této doby velmi vysoké proudy protékají sériově spojenými zařízeními v trase poruchy, a i tento krátký čas může být destruktivní, zejména během prvního cyklu, kdy DC složka poruchového proudu je obzvláště vysoká.

Rozdělení sběrnice a snížení propojenosti systému mohou být považovány za alternativy k řešení tohoto problému. Nicméně, zavádějí jiné operační výzvy, jako je snížení přenosové kapacity, změna toku energie a zvýšení ztrát. Potřeba FCL vzniká z nutnosti chránit drahé a zranitelné zařízení. Obecně jsou všechny navrhované strategie FCL založeny na vložení vysoké impedancí do sériové cesty během poruchy, liší se pouze v implementaci. Požadované charakteristiky ideálního FCL obvykle jsou:

• velmi nízká impedancia za normálních podmínek provozu elektrického systému;
• vložení vysoké impedancí během poruchy;
• rychlá operace pro omezení DC složky poruchového proudu;
• schopnost více operací v krátkém čase a samoobnova;
• bez zavedení harmonických složek do elektrického systému;
• minimalizace přechodových přetížení;
• vysoká spolehlivost.

2 Spolehlivost omezovačů krátkozávodných proudů

Aplikace FCL v rozvodnách je obvykle motivována dvěma hlavními důvody:

• vyhnutí si nákladného řešení nahrazování instalovaných vypínačů vypínači s vyšší kapacitou krátkozávodných proudů;
• udržení topologie rozvodny a vyhnutí se rozdělení sběrnice z operačních nebo spolehlivostních důvodů. V současné době nejsou dostupné žádné spolehlivé zdroje nebo reference na spolehlivostní charakteristiky FCL; proto v tomto studiu zamýšlíme analyzovat tuto problematiku z hlediska technických charakteristik. Některé FCL používají velmi komplexní technologie, což může snížit jejich spolehlivost.

Existuje mnoho druhů FCL, z nichž rezonanční a nadproudové FCL jsou prominentnější.

A. Rezonanční FCL

Bylo navrženo mnoho konfigurací rezonančních FCL. Obecně se třídí jako sériové rezonanční a paralelní rezonanční FCL. Rezonanční FCL mají několik příznivých charakteristik pro omezení poruch, včetně:

• Operace bez přerušení proudu;
• Rychlá odezva na poruchy;
• Schopnost nést krátkozávodný proud během doby trvání poruchy;
• Resetovací schopnost.

Nicméně, rezonanční FCL obvykle obsahují mnoho komponent, a celková spolehlivost závisí na správném fungování každé komponenty. Kromě toho, některé rezonanční FCL vyžadují externí spouštěcí zařízení, což znamená, že jsou potřebné další komponenty pro detekci krátkého obvodu a iniciování spuštění. To zvyšuje komplexitu systému a snižuje spolehlivost. Proto jsou samospouštěcí FCL evidentně spolehlivější.

B. Nadproudové FCL

V porovnání s rezonančními FCL, nadproudové FCL vyžadují méně komponent a jsou samospouštěcí. Strategie omezení krátkozávodných proudů je jednoduchá a založena na přirozeném chování nadproudových materiálů. Nadproudovost existuje pouze při velmi nízkých teplotách, takže nadproudové FCL vyžadují dodatečné chladicí zařízení, což zvyšuje investiční náklady. Koncept navržený v tomto článku je omezen na hodnocení dopadu aplikace FCL na spolehlivost rozvodny.

3 Způsoby selhání FCL

Stejně jako jiné komponenty ve vysokonapěťových rozvodnách, FCL ukazují různé způsoby selhání, které by měly být zohledněny při hodnocení spolehlivosti přenosových rozvodných s FCL. Tato sekce porovnává frekvence selhání různých typů FCL.

Existuje základní vztah mezi spolehlivostí kompletního systému a počtem jeho subsystémů, všechny musí správně fungovat, aby byla dosažena požadovaná funkce.

• A. Aktivní způsoby selhání
• B. Pasivní způsoby selhání
• C. Pevné způsoby selhání

Zřejmě, FCL vyžadující spouštěcí systém (externě spouštěné FCL) mají vyšší frekvenci selhání. Obecně, jakékoli FCL zahrnující spouštění nebo komutaci zahrnují postupné operace několika přepínačů, což vyžaduje přesnou synchronizaci a koordinaci, což značně zvyšuje komplexitu oproti běžným vypínačům.

U rezonančních FCL (jak externě, tak samospouštěných) mohou nastat pevné způsoby selhání kvůli změnám charakteristik rezonančních prvků způsobených změnami pracovních podmínek, jako je teplota, nebo provoz za neratedních podmínek.

Nadproudové FCL ukazují takové způsoby selhání pouze při přílišném chlazení, což se málokdy vyskytuje. Lze tedy říci, že nadproudové FCL téměř nemají tento způsob selhání. V mnoha případech lze nadproudové FCL navrhnout s předvídatelnými parametry a odolat tisícům cyklů aktivace a obnovy. Kromě toho, použití menších FCL místo větších může zlepšit jak spolehlivost, tak schopnost omezovat proud. Tabulka 1 stručně porovnává frekvence různých způsobů selhání u různých typů FCL.

4 Praktické uplatnění

Ukázková rozvodna znázorněná na obrázku 1 se používá k hodnocení dopadu implementace FCL na spolehlivost rozvodny. Je známo, že během údržby se často používají vypínače sběrnice pro správu ochranných schémat a zlepšení flexibility konfigurace rozvodny. Pokud úroveň poruchového proudu v rozvodně přesahuje vypínací kapacitu vypínačů, může být nahrazení vypínače sběrnice FCL vhodným řešením. Skutečně, Inter-Bus FCL je jednou z nejčastějších aplikací FCL.

Předpokládejme, že všechny zátěže připojené k 330 kV sběrnici jsou identické. Hodnocení spolehlivosti se zaměřuje na zátěž 1 na levé 330 kV sběrnici a zátěž 5 na pravé 330 kV sběrnici. Spolehlivost zátěže se hodnotí pomocí následujících ukazatelů: (1) pravděpodobnost ztráty zátěže (%); (2) roční doba výpadku (U). 330 kV sběrnice se považuje za plně spolehlivou. Aby se zabránilo nepotřebným výpočtům, nejsou zohledněny způsoby selhání zahrnující současnou havárii více než tří komponent. Protože frekvence takových způsobů selhání je velmi nízká, tento předpoklad nezpůsobuje značnou chybu.

Tabulka 2 ukazuje frekvence selhání a doby opravy komponent. Pro počáteční analýzu začneme výpočtem spolehlivostních ukazatelů spojených s levou 330 kV sběrnicí. Aby bylo možné provést informovaný a komplexní srovnání, bychom teoreticky měli vypočítat spolehlivostní ukazatele pro všechny body zátěže od L1 do L7. Nicméně, protože tyto zátěže jsou podobné a připojeny ke stejné sběrnici, budou mít podobné způsoby selhání. Proto je třeba vypočítat spolehlivostní ukazatele pouze pro bod zátěže 1 (L1) na levé sběrnici a bod zátěže 5 (L5) na pravé sběrnici.

Jak bylo uvedeno výše, pro analýzu se používají dva pravděpodobnostní ukazatele: pravděpodobnost ztráty zátěže (v f/rok) a roční doba výpadku (v hodinách/rok, A). Tyto ukazatele jsou hodnoceny pro případ selhání jedné komponenty.

Pro případ současného selhání dvou komponent se ekvivalentní frekvence selhání (λₑ), průměrná doba výpadku (r) a roční doba výpadku (u) vyjadřují následovně:

Pro případ současného selhání na třech úrovních se vyjadřuje následovně:

S ohledem na všechny způsoby selhání se celková frekvence selhání a celková roční doba výpadku mohou vypočítat následovně:

Tabulka 3 ukazuje výsledky analýzy spolehlivosti zátěží.

Teď se provede stejný výpočet pro vedení na druhé 230 kV sběrnici. Tabulka 4 ukazuje výsledky související s bodem zátěže LS.

5 Závěr

Tento článek prezentuje použití omezovačů krátkozávodných proudů (FCL) pro zlepšení spolehlivosti rozvodných, popisuje matematický model a postup pro výpočet spolehlivosti a hodnotí dopad implementace FCL na spolehlivost rozvodných. Výsledky naznačují, že spolehlivost rozvodných se zlepšuje použitím FCL. Byla také provedena analýza citlivosti, která zkoumala vliv různých parametrů, jako je aktivní frekvence selhání, pasivní frekvence selhání a doba opravy FCL, na spolehlivostní ukazatele.