Ανάλυση Εμπιστοσύνης των Οριοθετητών Ρεύματος Σφάλματος σε Υψηλής Τάσης Υποσταθμείς

1 Εισαγωγή

Για να ανταποκριθεί στη γρήγορα αυξανόμενη ζήτηση για ηλεκτρική ενέργεια, τα συστήματα παραγωγής, μεταφοράς και διανομής πρέπει να αναπτυχθούν ανάλογα. Ένα από τα κρίσιμα ζητήματα που προκύπτει από αυτή την ανάπτυξη είναι η γρήγορη αύξηση των ρευμάτων σύνδεσης. Η αύξηση των ρευμάτων σύνδεσης οδηγεί σε πολλά κινδύνους:

• υπερθέρμανση των συσκευών που είναι σε σειρά κατά μήκος της διαδρομής της παραβίασης;
• αύξηση των μεταβατικών και αποκαταστατικών τάσεων κατά τη διακοπή του ρεύματος, η οποία μπορεί να βλάψει τα συστήματα απομόνωσης;
• παραγωγή εξαιρετικά υψηλών μηχανικών δυνάμεων σε εξοπλισμό με κατανεμημένες σπείρες (π.χ., μετατροπείς, γεννήτριες, αντίδραση);
• πιθανή αστάθεια του συστήματος, ανάλογα με την έκταση και τον χρόνο εκκαθάρισης του ρεύματος της παραβίασης;
• οι υπάρχοντες αναπτύσσοντες διακοπτικοί μηχανισμοί μπορεί να μην είναι πλέον ικανοί να διακόψουν το αυξημένο ρεύμα της παραβίασης, κάτι που απαιτεί δαπανηρές αντικαταστάσεις σε χρόνο και χρήματα; για να αποφευχθούν τέτοιες δαπάνες, οι παράλληλοι μετατροπείς μπορεί να περιοριστούν ή η σύνδεση του συστήματος να μειωθεί, κάτι που αντιβαίνει στην ικανότητα μεταφοράς και την αξιοπιστία του συστήματος;
• η αύξηση των ρευμάτων παραβίασης παρατείνει τις διορθωτικές ενέργειες, οδηγώντας σε μεγαλύτερη διάρκεια διακοπής και μεγαλύτερες οικονομικές απώλειες;
• μείωση της αξιοπιστίας του δικτύου.

Τώρα, διατίθενται τρεις βασικές λύσεις για την ελάττωση αυτών των επιπτώσεων:

• κατασκευή δικτυακών δομών με ελάχιστη πιθανότητα παραβίασης;
• χρήση αναπτύσσοντων διακοπτικών μηχανισμών με υψηλότερη ικανότητα διακοπής ή αντικατάσταση αδύναμων διακοπτικών μηχανισμών με πιο ικανούς;
• τροποποίηση του δικτύου για τη μείωση των επιπέδων σύνδεσης. Συνήθως, εφαρμόζεται μια συνδυασμένη λύση αυτών των λύσεων για να επιτευχθεί η βέλτιστη σχεδίαση δικτύου, διατηρώντας την αξιοπιστία του συστήματος εντός αποδεκτών ορίων. Ωστόσο, η πιθανότητα παραβίασης δεν μπορεί ποτέ να εξαλειφθεί εντελώς, και η σχεδίαση ηλεκτρικού εξοπλισμού με βάση τα συνεχώς αυξανόμενα ρεύματα σύνδεσης είναι εμπορικά απρακτική. Η τρίτη λύση μπορεί να χωριστεί περαιτέρω σε:
  • μείωση της σύνδεσης του συστήματος (π.χ., διαίρεση λεωφορείου);
  • εφαρμογή περιοριστών ρεύματος παραβίασης (FCLs).

Η αντικατάσταση αναπτύσσοντων διακοπτικών μηχανισμών με υψηλότερη ικανότητα διακοπής είναι μια δαπανηρή λύση και μπορεί να μην είναι εφικτή σε ορισμένες περιπτώσεις. Επιπλέον, τα συστήματα προστασίας εμφανίζουν καθυστερήσεις στην ανίχνευση παραβιάσεων, με βάση τις προδιαγραφές των ρελέ. Η λειτουργία και η εξαφάνιση του φωτιστικού τόξου των αναπτύσσοντων διακοπτικών μηχανισμών δεν είναι αμέση, απαιτώντας συνήθως 3-5 κύκλους για την πλήρη εκκαθάριση της παραβίασης. Συνεπώς, τα ρεύματα παραβίασης συνήθως δεν μπορούν να διακοπούν εντός των πρώτων 2-8 κύκλων μετά την παραβίαση. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, πολύ υψηλά ρεύματα διαρρέουν τις συσκευές σε σειρά κατά μήκος της διαδρομής της παραβίασης, και ακόμη και αυτή η σύντομη διάρκεια μπορεί να είναι καταστροφική, ειδικά κατά τον πρώτο κύκλο, όπου η άμεση συνιστώσα του ρεύματος παραβίασης είναι ειδικά υψηλή.

Η διαίρεση λεωφορείου και η μείωση της σύνδεσης του συστήματος μπορούν να θεωρηθούν ως εναλλακτικές λύσεις για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος. Ωστόσο, εισάγουν άλλες λειτουργικές προκλήσεις, όπως μείωση της ικανότητας μεταφοράς, αλλαγή της ροής ενέργειας και αύξηση των απωλειών. Η ανάγκη για FCLs προκύπτει από την ανάγκη προστασίας δαπανηρού και ευάλωτου εξοπλισμού. Γενικά, όλες οι προτεινόμενες στρατηγικές FCL βασίζονται στην εισαγωγή υψηλής αντίστασης στη σειρά διαδρομής κατά την παραβίαση, διαφέροντας μόνο στην εφαρμογή. Οι επιθυμητές ιδιότητες ενός ιδανικού FCL είναι συνήθως:

• πολύ χαμηλή αντίσταση υπό φυσιολογικές συνθήκες λειτουργίας του συστήματος;
• εισαγωγή υψηλής αντίστασης κατά την παραβίαση;
• γρήγορη λειτουργία για τον περιορισμό της άμεσης συνιστώσας του ρεύματος παραβίασης;
• ικανότητα πολλαπλών λειτουργιών σε μικρό χρονικό διάστημα και αυτοανάκαμψη;
• μη εισαγωγή αρμονικών στο σύστημα;
• ελάχιστες μεταβατικές υπερτάσεις;
• υψηλή αξιοπιστία.

2 Αξιοπιστία των Περιοριστών Ρεύματος Παραβίασης

Η εφαρμογή FCLs σε υποσταθμείς είναι συνήθως κινητοποιημένη από δύο βασικούς λόγους:

• αποφυγή της δαπανηρής λύσης αντικατάστασης των εγκατεστημένων αναπτύσσοντων διακοπτικών μηχανισμών με εκείνους που έχουν υψηλότερη ικανότητα σύνδεσης;
• διατήρηση της τοπολογίας της υποσταθμής και αποφυγή διαίρεσης λεωφορείου λόγω λειτουργικών ή αξιοπιστίας ζητημάτων. Τώρα, δεν υπάρχουν αξιόπιστες πηγές ή αναφορές σχετικά με τις ιδιότητες αξιοπιστίας των FCLs· συνεπώς, σε αυτή τη μελέτη, αιτιολογούμε αυτό το ζήτημα λαμβάνοντας υπόψη τις τεχνικές ιδιότητες. Κάποια FCLs χρησιμοποιούν εξαιρετικά περίπλοκες τεχνολογίες, οι οποίες μπορεί να μειώσουν την αξιοπιστία τους.

Υπάρχουν διάφοροι τύποι FCLs, μεταξύ των οποίων οι περιγεγονότες και οι υπερηχητικοί FCLs είναι πιο πρωτεύοντες.

A. Περιγεγονότες FCLs

Έχουν προταθεί πολλές διατάξεις για περιγεγονότες FCLs. Συνήθως ταξινομούνται ως περιγεγονότες FCLs σε σειρά και παράλληλα. Οι περιγεγονότες FCLs έχουν αρκετές ευνοϊκές ιδιότητες για τον περιορισμό παραβιάσεων, συμπεριλαμβανομένων:

• Λειτουργία χωρίς διακοπή ρεύματος;
• Γρήγορη απόκριση σε παραβιάσεις;
• Δυνατότητα μεταφοράς ρεύματος παραβίασης κατά τη διάρκεια της παραβίασης;
• Επαναφορά.

Ωστόσο, οι περιγεγονότες FCLs συνήθως αποτελούνται από πολλά συστατικά, και η συνολική αξιοπιστία εξαρτάται από τη σωστή λειτουργία κάθε συστατικού. Επιπλέον, κάποιες περιγεγονότες FCLs απαιτούν εξωτερικό μηχανισμό εκκίνησης, που σημαίνει ότι απαιτούνται επιπλέον συστατικά για την ανίχνευση της παραβίασης και την έναρξη της εκκίνησης. Αυτό αυξάνει την πολυπλοκότητα του συστήματος και μειώνει την αξιοπιστία. Συνεπώς, οι αυτοεκκινούμενες FCLs είναι εμφανώς πιο αξιόπιστες.

B. Υπερηχητικοί FCLs

Σε σύγκριση με τους περιγεγονότες FCLs, οι υπερηχητικοί FCLs απαιτούν λιγότερα συστατικά και είναι αυτοεκκινούμενοι. Η στρατηγική περιορισμού του ρεύματος παραβίασης είναι απλή και βασίζεται στη φυσική συμπεριφορά των υπερηχητικών υλικών. Η υπερηχητικότητα υπάρχει μόνο σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, οπότε οι υπερηχητικοί FCLs απαιτούν επιπλέον εξοπλισμό κατάψυξης, αυξάνοντας το κόστος επένδυσης. Το έννοια που προτείνεται σε αυτό το έγγραφο περιορίζεται στην αξιολόγηση της επίδρασης της εφαρμογής FCLs στην αξιοπιστία της υποσταθμής.

3 Μοντέλα Αποτυχίας των FCLs

Όπως και άλλα συστατικά σε υψηλή τάση, οι FCLs εμφανίζουν διαφορετικά μοντέλα αποτυχίας που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά την αξιολόγηση της αξιοπιστίας των υποσταθμείων μεταφοράς που περιλαμβάνουν FCLs. Αυτή η ενότητα συγκρίνει τους ρυθμούς αποτυχίας διαφορετικών τύπων FCLs.

Υπάρχει μια βασική σχέση μεταξύ της αξιοπιστίας ενός συνολικού συστήματος και του αριθμού των υποσυστημάτων του, όλα τα οποία πρέπει να λειτουργούν σωστά για να επιτευχθεί η επιθυμητή συνολική λειτουργία.

• A. Ενεργά μοντέλα αποτυχίας
• B. Σιωπηρά μοντέλα αποτυχίας
• C. Σταθερά μοντέλα αποτυχίας

Είναι σαφές ότι οι FCLs που απαιτούν σύστημα εκκίνησης (εξωτερικά εκκινούμενες FCLs) έχουν υψηλότερους ρυθμούς αποτυχίας. Γενικά, οποιαδήποτε FCL που περιλαμβάνει εκκίνηση ή κατάληξη απαιτεί σειριακές λειτουργίες πολλών συστατικών, που απαιτούν ακριβή συγχρονισμό και συντονισμό, αυξάνοντας σημαντικά την πολυπλοκότητα σε σύγκριση με τους συμβατικούς αναπτύσσοντες διακοπτικούς μηχανισμούς.

Οι περιγεγονότες FCLs (όμως και εξωτερικά και αυτοεκκινούμενες) μπορεί να εμφανίζουν σταθερά μοντέλα αποτυχίας λόγω των μεταβολών στις ιδιότητες των περιγεγονότων στοιχείων, που προκαλούνται από μεταβολές στις συνθήκες λειτουργίας, όπως η θερμοκρασία, ή λειτουργία υπό μη ρυθμισμένες συνθήκες.

4 Πρακτική Εφαρμογή