Zuverlässigkeitsanalyse von Fehlerstrombegrenzern in Hochspannungsunterstationen

1 Einführung

Um dem rasch wachsenden Bedarf an elektrischer Energie gerecht zu werden, müssen die Systeme zur Stromerzeugung, -übertragung und -verteilung entsprechend weiterentwickelt werden. Ein kritisches Problem, das sich aus dieser Entwicklung ergibt, ist der schnelle Anstieg der Kurzschlussströme. Der Anstieg der Kurzschlussströme führt zu mehreren Gefahren:

• Überhitzung von Reihenschaltgeräten entlang des Fehlerpfades;
• Erhöhung der Übergangsspannungen und Wiederherstellungsspannungen während der Stromunterbrechung, die Isoliersysteme beschädigen können;
• Erzeugung extrem hoher mechanischer Kräfte in spulenbasierten Geräten (z.B. Transformatoren, Generatoren, Drosseln);
• potenzielle Systeminstabilität abhängig von der Größe und der Beseitigungszeit des Fehlerstroms;
• bestehende Schaltgeräte mögen nicht mehr in der Lage sein, den erhöhten Fehlerstrom zu unterbrechen, was kostspielige Ersetzungen in Zeit und Geld erfordert; um solche Kosten zu vermeiden, können parallele Netztransformatoren eingeschränkt oder die Systemvernetzung reduziert werden, was die Übertragungskapazität und die Systemzuverlässigkeit beeinträchtigt;
• erhöhte Fehlerströme verlängern korrektive Maßnahmen, was zu längeren Ausfallzeiten und größeren wirtschaftlichen Verlusten führt;
• reduzierte Netzwerksicherheit.

Derzeit stehen drei Hauptlösungen zur Verfügung, um diese Auswirkungen zu mildern:

• Aufbau von Netstrukturen mit minimaler Fehlerrate;
• Verwendung von Schaltgeräten mit höherer Unterbrechungskapazität oder Ersetzen schwächerer Schaltgeräte durch leistungsfähigere;
• Änderung des Netzes, um die Kurzschlussebene zu reduzieren. In der Regel werden diese Lösungen kombiniert, um eine optimale Netzwerkgestaltung zu erreichen, während die Systemzuverlässigkeit innerhalb akzeptabler Grenzen gehalten wird. Allerdings kann die Möglichkeit von Fehlern niemals vollständig beseitigt werden, und es ist kommerziell unpraktikabel, Stromversorgungsgeräte auf immer größer werdenden Kurzschlussströmen zu basieren. Die dritte Lösung kann weiter unterteilt werden in:
  • Reduzierung der Systemvernetzung (z.B. Bus-Splitting);
  • Anwendung von Fehlerstrombegrenzern (FCLs).

Das Ersetzen von Schaltgeräten durch solche mit höherer Unterbrechungskapazität ist eine teure Lösung und in bestimmten Fällen möglicherweise nicht machbar. Darüber hinaus zeigen Schutzsysteme Verzögerungen bei der Fehlererkennung, die auf den Spezifikationen der Relais beruhen. Das Schalten und das Löschvorgang der Schaltgeräte sind nicht instantan, sondern erfordern in der Regel 3-5 Zyklen, um einen Fehler vollständig zu beseitigen. Folglich können Fehlerströme in den ersten 2-8 Zyklen nach einem Fehler normalerweise nicht unterbrochen werden. Während dieser Zeit fließen sehr hohe Ströme durch Reihengeräte im Fehlerpfad, und selbst diese kurze Dauer kann zerstörerisch sein, insbesondere während des ersten Zyklus, wenn der Gleichstromanteil des Fehlerstroms besonders hoch ist.

Bus-Splitting und reduzierte Systemvernetzung können als Alternativen in Betracht gezogen werden, um dieses Problem anzugehen. Sie führen jedoch zu anderen betrieblichen Herausforderungen, wie reduzierter Übertragungskapazität, veränderten Stromflüssen und erhöhten Verlusten. Die Notwendigkeit von FCLs ergibt sich aus dem Bedarf, kostspielige und anfällige Geräte zu schützen. Im Allgemeinen basieren alle vorgeschlagenen FCL-Strategien darauf, während eines Fehlers eine hohe Impedanz in den Serienpfad einzufügen, unterscheiden sich aber nur in der Umsetzung. Die gewünschten Eigenschaften eines idealen FCLs sind in der Regel:

• sehr geringe Impedanz unter normalen Bedingungen des Energiesystems;
• Einfügung einer hohen Impedanz während eines Fehlers;
• schnelles Funktionieren, um den Gleichstromanteil des Fehlerstroms zu begrenzen;
• Fähigkeit zu mehreren Operationen in kurzer Zeit und Selbstwiederherstellung;
• keine Einführung von Oberschwingungen ins Energiesystem;
• Minimierung von Überspannungen;
• hohe Zuverlässigkeit.

2 Zuverlässigkeit von Fehlerstrombegrenzern

Die Anwendung von FCLs in Umspannwerken wird in der Regel aus zwei Hauptgründen motiviert:

• Vermeidung der teuren Lösung, installierte Schaltgeräte durch solche mit höherer Kurzschlusskapazität zu ersetzen;
• Beibehaltung der Umspannwerktopologie und Vermeidung von Bus-Splitting aus betrieblichen oder Zuverlässigkeitsgründen. Derzeit sind keine zuverlässigen Quellen oder Referenzen zu den Zuverlässigkeitscharakteristika von FCLs verfügbar; daher zielt diese Studie darauf ab, diese Frage durch die Berücksichtigung technischer Merkmale zu analysieren. Einige FCLs verwenden hochkomplexe Technologien, die ihre Zuverlässigkeit reduzieren können.

Es gibt verschiedene Arten von FCLs, wobei resonante und supraleitende FCLs hervorstechen.

A. Resonante FCLs

Viele Konfigurationen für resonante FCLs wurden vorgeschlagen. Sie werden im Allgemeinen in serienresonante und parallelresonante FCLs unterteilt. Resonante FCLs besitzen mehrere günstige Eigenschaften für die Fehlerbegrenzung, einschließlich:

• Betrieb ohne Stromunterbrechung;
• Schnelle Reaktion auf Fehler;
• Fähigkeit, den Kurzschlussstrom während der Fehlerversion zu tragen;
• Reset-Fähigkeit.

Allerdings bestehen resonante FCLs in der Regel aus mehreren Komponenten, und die Gesamtzuverlässigkeit hängt vom korrekten Funktionieren jeder Komponente ab. Zusätzlich benötigen einige resonante FCLs ein externes Triggergerät, was zusätzliche Komponenten zur Fehlersensierung und Auslösung erfordert. Dies erhöht die Systemkomplexität und reduziert die Zuverlässigkeit. Daher sind selbstauslösende FCLs offensichtlich zuverlässiger.

B. Supraleitende FCLs

Im Vergleich zu resonanten FCLs benötigen supraleitende FCLs weniger Komponenten und sind selbstauslösend. Die Strategie zur Begrenzung des Fehlerstroms ist einfach und basiert auf dem natürlichen Verhalten supraleitender Materialien. Supraleitung existiert nur bei sehr niedrigen Temperaturen, so dass supraleitende FCLs zusätzliche Kühlgeräte erfordern, was die Investitionskosten erhöht. Der in diesem Artikel vorgeschlagene Ansatz beschränkt sich darauf, den Einfluss der FCL-Anwendung auf die Zuverlässigkeit des Umspannwerks zu bewerten.

3 Ausfallarten von FCLs

Wie andere Komponenten in Hochspannungsumspannwerken zeigen auch FCLs unterschiedliche Ausfallarten, die bei der Bewertung der Zuverlässigkeit von Umspannwerken mit FCLs berücksichtigt werden sollten. Dieser Abschnitt vergleicht die Ausfallraten verschiedener Arten von FCLs.

Es besteht eine grundlegende Beziehung zwischen der Zuverlässigkeit eines vollständigen Systems und der Anzahl seiner Teilsysteme, die alle korrekt funktionieren müssen, um die gewünschte Gesamtfunktion zu erzielen.

• A. Aktive Ausfallarten
• B. Passive Ausfallarten
• C. Festgelegte Ausfallarten

Offensichtlich haben FCLs, die ein Auslösesystem erfordern (extern ausgelöste FCLs), höhere Ausfallraten. Im Allgemeinen erfordern FCLs, die Auslösung oder Kommutation beinhalten, sequentielle Operationen mehrerer Schaltvorrichtungen, die präzise Synchronisation und Koordination erfordern, was die Komplexität im Vergleich zu herkömmlichen Schaltgeräten erheblich erhöht.

Bei resonanten FCLs (sowohl extern als auch selbst ausgelöst) können feste Ausfallarten aufgrund von Variationen der charakteristischen Werte der resonanten Elemente auftreten, die durch Änderungen der Betriebsbedingungen wie Temperatur oder Betrieb unter nicht nominellen Bedingungen verursacht werden.

Supraleitende FCLs zeigen solche Ausfallarten nur bei übermäßigem Kühlen, was selten vorkommt. Daher kann man sagen, dass supraleitende FCLs in der Regel diese Ausfallart nicht haben. In den meisten Fällen können supraleitende FCLs mit vorhersagbaren Parametern konzipiert werden und Tausende von Aktivierungs- und Wiederherstellungszyklen überstehen. Darüber hinaus kann die Verwendung kleinerer FCLs anstelle von größeren sowohl die Zuverlässigkeit als auch die Strombegrenzung verbessern. Tabelle 1 vergleicht kurz die Auftretenshäufigkeit verschiedener Ausfallarten bei verschiedenen FCL-Typen.

4 Praktische Anwendung

Ein Beispiel-Umspannwerk, wie in Abbildung 1 gezeigt, wird verwendet, um den Einfluss der Implementierung von FCLs auf die Zuverlässigkeit des Umspannwerks zu bewerten. Es ist bekannt, dass es üblich ist, während der Wartung Bus-Abschnittsschaltgeräte zu verwenden, um Schutzkonzepte zu verwalten und die Flexibilität der Umspannwerkskonfigurationen zu erhöhen. Wenn die Fehlerstromstärke in einem Umspannwerk die Unterbrechungskapazität der Schaltgeräte überschreitet, bietet sich die Ersetzung des Bus-Abschnittsschaltgeräts durch ein FCL als mögliche Lösung an. Tatsächlich ist der Inter-Bus-FCL eine der häufigsten Anwendungen von FCLs.

Angenommen, alle an den 330 kV-Bus angeschlossenen Lasten sind identisch. Die Zuverlässigkeitsbewertung konzentriert sich auf Last 1 am linken 330 kV-Bus und Last 5 am rechten 330 kV-Bus. Die Zuverlässigkeit der Last wird mithilfe der folgenden Indizes bewertet: (1) Wahrscheinlichkeit des Lastausfalls (%); (2) jährliche Ausfallzeit (U). Der 330 kV-Bus wird als vollständig zuverlässig angenommen. Um unnötige Berechnungen zu vermeiden, werden Ausfallarten, die das gleichzeitige Versagen von mehr als drei Komponenten beinhalten, nicht berücksichtigt. Da die Auftretenshäufigkeit solcher Ausfallarten sehr gering ist, führt diese Annahme keinen signifikanten Fehler ein.

Tabelle 2 zeigt die Ausfallraten und Reparaturzeiten der Komponenten. Für die anfängliche Analyse beginnen wir damit, die Zuverlässigkeitsindizes, die mit dem linken 330 kV-Bus verbunden sind, zu berechnen. Um einen informierten und umfassenden Vergleich vorzunehmen, sollten wir theoretisch die Zuverlässigkeitsindizes für alle Lastpunkte von L1 bis L7 berechnen. Da jedoch diese Lasten ähnlich sind und an den gleichen Bus angeschlossen sind, werden sie ähnliche Ausfallarten haben. Daher müssen wir nur die Zuverlässigkeitsindizes für den Lastpunkt 1 (L1) am linken Bus und den Lastpunkt 5 (L5) am rechten Bus berechnen.

Wie oben erwähnt, werden zwei wahrscheinlichkeitstheoretische Indizes für die Analyse verwendet: Wahrscheinlichkeit des Lastausfalls (in f/Jahr) und jährliche Ausfallzeit (in Stunden/Jahr, A). Diese Indizes werden für den Fall eines einzelnen Komponentenausfalls evaluiert.

Für den Fall des gleichzeitigen Versagens von zwei Komponenten werden die äquivalente Ausfallrate (λₑ), die durchschnittliche Ausfallzeit (r) und die jährliche Ausfallzeit (u) wie folgt ausgedrückt:

Für den Fall des gleichzeitigen Versagens auf drei Ebenen wird es wie folgt ausgedrückt:

Berücksichtigt man alle Ausfallarten, können die Gesamtausfallrate und die gesamte jährliche Ausfallzeit wie folgt berechnet werden:

Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse der Zuverlässigkeitsanalyse für die Lasten.

Nun wird die gleiche Berechnung für die Speisungen am anderen 230 kV-Bus durchgeführt. Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse, die sich auf den Lastpunkt LS beziehen.

5 Schlussfolgerung

Dieser Artikel stellt die Anwendung von Fehlerstrombegrenzern (FCLs) zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von Umspannwerken vor, beschreibt das mathematische Modell und das Verfahren zur Zuverlässigkeitsberechnung und bewertet den Einfluss der FCL-Implementierung auf die Zuverlässigkeit des Umspannwerks. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Zuverlässigkeit des Umspannwerks durch den Einsatz von FCLs verbessert wird. Eine Sensitivitätsanalyse wurde auch durchgeführt, um den Einfluss verschiedener Parameter, wie der aktiven Ausfallrate, der passiven Ausfallrate und der Reparaturzeit des FCL, auf die Zuverlässigkeitsindizes zu untersuchen.