Tilstandsanalyse af fejlstrømsbegrænsere i højspændingsanlæg

1 Introduktion

For at imødekomme den hurtigt voksende efterspørgsel efter elektrisk energi, må strømforsyningssystemer for produktion, transmission og distribution udvikle sig i takt. En af de kritiske udfordringer, der opstår som følge af denne udvikling, er det hurtige stigning i kortslutningsstrømmer. Denne stigning i kortslutningsstrømmer fører til flere farer:

• overophedning af serieforbundne enheder langs fejlvejen;
• stigende midlertidige og genoprettelses spændinger under strømafbrydelse, hvilket kan skade isoleringssystemer;
• generering af ekstremt høje mekaniske kræfter i spolebaseret udstyr (f.eks. transformatorer, generatorer, reaktorer);
• potentielt systemustabilitet afhængigt af størrelsen og afbrydningstiden for fejlstrømmen;
• eksisterende afbrydere kan ikke længere være i stand til at afbryde den øgede fejlstrøm, hvilket nødvendiggør kostbare erstattelser både tidsmæssigt og økonomisk; for at undgå sådanne omkostninger, kan parallelle strømtransformatorer begrænses eller systemets sammenkobling reduceres, hvilket påvirker transmissionskapaciteten og systemets pålidelighed;
• øgede fejlstrømmer forlænger korrektive handlinger, hvilket fører til længere nedbrudstider og større økonomiske tab;
• nedsat netpålidelighed.

I øjeblikket findes tre hovedløsninger til at mindske disse effekter:

• konstruktion af netstrukturer med minimal fejl sandsynlighed;
• anvendelse af afbrydere med højere afbrydnings kapacitet eller erstattelse af svage afbrydere med mere kapable;
• modifikation af nettet for at reducere kortslutnings niveauer. En kombination af disse løsninger anvendes typisk for at opnå optimal netdesign samtidig med at opretholde systemets pålidelighed inden for acceptable grænser. Dog kan muligheden for fejl aldrig helt elimineres, og design af strømudstyr baseret på stadigt stigende kortslutningsstrømmer er kommercielt utroligt. Den tredje løsning kan yderligere opdeles i:
  • reduktion af systemets sammenkobling (f.eks. bus splitting);
  • anvendelse af fejlstrømbegrænsere (FCLs).

Erstatning af afbrydere med højere afbrydnings kapacitet er en dyrt løsning og kan ikke altid være praktisk gennemførlig. Desuden viser beskyttelsessystemer forsinkelser i fejldetektion baseret på relæspecifikationer. Afbrudsoperation og bueudslukning er ikke øjeblikkelige, typisk kræver det 3-5 cyklusser for at fuldt ud fjerne en fejl. Derfor kan fejlstrømmer normalt ikke afbrydes inden for de første 2-8 cyklusser efter en fejl opstår. I denne periode flyder meget høje strømme igennem serieforbundne enheder langs fejlvejen, og selv denne korte varighed kan være destruktiv, især under den første cyklus, hvor DC-komponenten i fejlstrømmen er særdeles høj.

Bus splitting og reduceret system sammenkobling kan overvejes som alternativer til at løse dette problem. Imidlertid introducerer de andre drifts udfordringer, såsom reduceret transmissionskapacitet, ændret strømforløb og øget tab. Behovet for FCLs opstår af nødvendigheden for at beskytte dyrt og sårbar udstyr. Generelt er alle foreslåede FCL strategier baseret på at indsætte høj impedans i serien under en fejl, og de adskiller sig kun i implementering. De ønskede egenskaber ved en ideal FCL er typisk:

• meget lav impedans under normale strømsystem betingelser;
• indsættelse af høj impedans under en fejl;
• hurtig operation for at begrænse DC-komponenten i fejlstrømmen;
• evne til flere operationer inden for en kort periode og selvgenoprettelse;
• ingen introduktion af harmoniske i strømsystemet;
• minimering af midlertidige overspændinger;
• høj pålidelighed.

2 Pålidelighed af Fejlstrømbegrænsere

Anvendelsen af FCLs i understationer er generelt motiveret af to hovedgrunde:

• undgå den dyr løsning at erstatte installerede afbrydere med dem, der har højere kortslutnings kapacitet;
• opretholdelse af understations topologi og undgåelse af bus splitting på grund af drifts- eller pålidelighedsproblemer. I øjeblikket findes der ingen pålidelige kilder eller referencer til pålidelighedsegenskaber for FCLs; derfor, i denne undersøgelse, har vi til hensigt at analysere dette problem ved at tage tekniske karakteristika i betragtning. Nogle FCLs anvender høj kompleks teknologi, hvilket kan nedsætte deres pålidelighed.

Der findes forskellige typer FCLs, hvoraf resonant-type og superledende FCLs er mere fremherskende.

A. Resonant-Type FCLs

Der er blevet foreslået mange konfigurationer for resonant-type FCLs. De klassificeres generelt som serie-resonant-type og parallel-resonant-type FCLs. Resonant-type FCLs har flere gunstige egenskaber for fejl begrænsning, herunder:

• Operation uden strøm afbrydelse;
• Hurtig respons til fejl;
• Evne til at transportere kortslutningsstrøm under fejlvarighed;
• Nulstilling evne.

Imidlertid består resonant-type FCLs typisk af flere komponenter, og den samlede pålidelighed afhænger af korrekt funktion af hver komponent. Desuden kræver nogle resonant-type FCLs et eksternt udløsende enhed, hvilket betyder, at ekstra komponenter er nødvendige for at registrere kortslutningen og initiere udløsning. Dette øger systemkompleksiteten og nedsætter pålideligheden. Derfor er selvudløsende FCLs tydeligt mere pålidelige.

B. Superledende FCLs

I forhold til resonant-type FCLs, kræver superledende FCLs få komponenter og er selvudløsende. Strategien for fejlstrømbegrænsning er enkel og baseret på den naturlige opførsel af superledende materialer. Superledning eksisterer kun ved meget lave temperaturer, så superledende FCLs kræver ekstra køleanlæg, hvilket øger investeringsomkostningerne. Konceptet foreslået i denne artikel er begrænset til at evaluere effekten af FCL anvendelse på understations pålidelighed.

3 Fejltilstande for FCLs

Ligesom andre komponenter i højspændings understationer, viser FCLs forskellige fejltilstande, der skal tages i betragtning, når man vurderer pålideligheden af transmissionsunderstationer, der inkluderer FCLs. Denne sektion sammenligner fejlhyppighederne for forskellige typer FCLs.

Der er en grundlæggende relation mellem pålideligheden af et komplekst system og antallet af dets subsystemer, som alle skal fungere korrekt for at opnå den ønskede samlede funktion.

• A. Aktive fejltilstande
• B. Passive fejltilstande
• C. Fastlagte fejltilstande

Det er klart, at FCLs, der kræver et udløsnings system (eksternt udløst FCLs), har højere fejlhyppigheder. Generelt involverer ethvert FCL, der involverer udløsning eller kommutering, sekventiel operation af flere slukningsenheder, der kræver præcis synkronisering og koordinering, hvilket betydeligt øger kompleksiteten i forhold til konventionelle afbrydere.

I resonant-type FCLs (både eksternt og selvudløst) kan fastlagte fejltilstande opstå som følge af variationer i resonantelementegenskaberne, forårsaget af ændringer i driftsbetingelser, som temperatur, eller drift under ikke-nominale betingelser.

Superledende FCLs viser kun sådanne fejltilstande under overdreven køling, hvilket sjældent forekommer. Derfor kan det siges, at superledende FCLs i virkeligheden ikke har denne fejltilstand. I de fleste tilfælde kan superledende FCLs designes med forudsigelige parametre og holde tusinder af aktivering og genvindningscyklusser. Ydermere kan brugen af mindre FCLs i stedet for større forbedre både pålidelighed og strømbegrænsningskapacitet. Tabel 1 sammenligner kort fejlhyppigheder for forskellige fejltilstande på tværs af forskellige FCL typer.

4 Praktisk Anvendelse

En eksempel-understation, vist i figur 1, anvendes til at evaluere effekten af implementering af FCLs på understations pålidelighed. Det er kendt, at under vedligeholdelse, er det almindelig praksis at bruge bus-sektionerings afbrydere til at administrere beskyttelsesplaner og forbedre understationskonfigurationers fleksibilitet. Når fejlstrømniveauet i en understation overstiger afbrydningskapaciteten for afbrydere, bliver det en levedygtig løsning at erstatte bus-sektionerings afbryder med en FCL. Inter-Bus FCL er en af de mest almindelige anvendelser af FCLs.

Antag, at alle belastninger forbundet til 330 kV bus er identiske. Pålideligheds vurderingen fokuserer på Belastning 1 ved venstre 330 kV bus og Belastning 5 ved højre 330 kV bus. Belastnings pålidelighed evalueres ved hjælp af følgende indeks: (1) Belastnings tab sandsynlighed (%); (2) Årlig nedbrudstid (U). 330 kV bus antages at være fuldt pålidelig. For at undgå unødvendige beregninger, tages fejltilstande, der involverer samtidig fejl af mere end tre komponenter, ikke i betragtning. Da hyppigheden af sådanne fejltilstande er meget lav, indfører denne antagelse ikke betydelig fejl.

Tabel 2 viser fejlhyppigheder og reparations tider for komponenterne. For den initielle analyse starter vi med at beregne pålidelighedsindekserne forbundet med venstre 330 kV bus. For at foretage en informeret og omfattende sammenligning, burde vi teoretisk beregne pålidelighedsindekserne for alle belastningspunkter fra L1 til L7. Men da disse belastninger er lignende og forbundet til samme bus, vil de have lignende fejltilstande. Derfor behøver vi kun at beregne pålidelighedsindekserne for Belastningspunkt 1 (L1) på venstre bus og Belastningspunkt 5 (L5) på højre bus.

Som nævnt ovenfor, anvendes to probabilistiske indeks for analysen: belastnings tab sandsynlighed (i f/år) og årlig nedbrudstid (i timer/år, A). Disse indeks evalueres for tilfældet en enkelt komponent fejl.

For tilfældet samtidig fejl af to komponenter, udtrykkes den ækvivalente fejlhyppighed (λₑ), gennemsnitlige nedbrudstid (r) og årlig nedbrudstid (u) som følger:

For tilfældet samtidig fejl på tre niveauer, udtrykkes det som følger:

Med alle fejltilstande i betragtning, kan den samlede fejlhyppighed og den samlede årlige nedbrudstid beregnes som følger:

Tabel 3 viser resultaterne af pålidelighedsanalyse for belastningerne.

Nu udføres den samme beregning for fodlinjer på den anden 230 kV bus. Tabel 4 viser resultaterne relateret til belastningspunkt LS.

5 Konklusion

Denne artikel præsenterer anvendelsen af fejlstrømbegrænsere (FCLs) til at forbedre understations pålidelighed, beskriver matematisk model og procedure for pålidelighedsberegning, og evaluerer effekten af FCL-implementering på understations pålidelighed. Resultaterne indikerer, at understations pålidelighed forbedres ved at anvende FCLs. En sensitivitetsanalyse udføres også for at undersøge indflydelsen af forskellige parametre - som aktiv fejlhyppighed, passiv fejlhyppighed og reparationstid for FCL - på pålidelighedsindeks.