Voolupiiranguanalüüs kõrgepinge alamjaamades

1 Sissejuhatus

Elektrilise energia kasvava nõudluse rahuldamiseks tuleb elektritootmise, edastamise ja jaotamise süsteemid vastavalt arendada. Üks kriitilisi küsimusi selle arenguga seoses on lühikese kringi voolu kiire kasv. Lühikese kringi voolu kasv tekitab mitmeid ohtlikke olukordi:

• sarivee seadmete ülekuumanenemine veafaili käigus;
• voolu katkestamisel tekkinud ajutised ja taastumispinged, mis võivad kahjustada isolatsioonisüsteeme;
• erakordselt kõrged mehaanilised jõud spiraalipõhiste seadmetes (nt. transformatord, generaatorid, reaktorid);
• süsteemi ebastabiilsus sõltuvalt veavoolu suurusest ja kustutamise ajast;
• olemasolevad lülitsed võivad enam ei suuda suurenenud veavoolu katkestada, mille tagajärjel on vaja kulukaid asendusi aja ja raha mõttes; selliste kulude vältimiseks võidakse paralleelsed transformatorid piirata või süsteemi siduvust vähendada, mis kompromitteerib edastamisvõimet ja süsteemi usaldusväärsust;
• suurenenud veavoolud pikendavad parandusmeetmete kestvust, mis viib pikemate katkestuste ja suuremate majanduslike kahjudega;
• võrgu usaldusväärsuse vähenemine.

Praegu on saadaval kolm peamist lahendust, et vähendada neid mõjusid:

• veatõenäosuse minimaalsega võrgustruktuuri ehitamine;
• kasutuselevõtt lüliteid, mis omavad suuremat katkestamisvõimet, või nõrgemate lülitede asendamine võimekamate lülitedega;
• võrgu muutmine, et vähendada lühikese kringi tasemeid. Tavaliselt kasutatakse nende lahenduste kombinatsiooni, et saavutada optimaalne võrgu disain, säilitades süsteemi usaldusväärsust vastuvõetavates piirides. Kuid vea võimalust ei saa kunagi täielikult elimineerida, ja elektrotehnika projekteerimine pidevalt kasvava lühikese kringi voolu alusel on kaubanduslikult praktikatu. Kolmas lahendus võib edasi jagada:
  • võrgu siduvuse vähendamine (nt. busi jagamine);
  • veavoolu limiitide rakendamine (FCL).

Lülitede asendamine lülitedega, mis omavad suuremat katkestamisvõimet, on kulukas lahendus ja mõnes juhul võib see olla mittevõimalik. Lisaks näitavad kaitseüsteemid viivitusi veade tuvastamisel, mis sõltuvad releede spetsifikatsioonidest. Lülite töö ja plamiausta kustutamine ei ole automaatne, vaid tavaliselt nõuab 3–5 tsüklit, et täielikult kustutada vea. Seetõttu ei saa tavaliselt veavoolu katkestada esimese 2–8 tsükli jooksul, pärast kui vea on toimunud. See periood, kus sarivese seadmete kaudu läbib erakordselt kõrgeid voolusid, isegi see lühike aeg võib olla hävitav, eriti esimesel tsüklil, kui veavoolu DC komponent on eriti suur.

Busi jagamine ja võrgu siduvuse vähendamine võivad olla alternatiivid, et seda probleemi lahendada. Kuid need tekitavad muud operatsioonilised väljakutsed, nagu vähendatud edastamisvõime, muutunud energiavool ja suuremad kahjud. FCL-de vajadus tuleneb vajadusest kaitsta kallit ja haavatavaid seadmeid. Tavaliselt põhinevad kõik eelnõudud FCL strateegiad sellel, et vea korral sarivese tee kaudu sisestatakse kõrge impedants, erinevad ainult rakenduses. Ideaalse FCL soovitavad omadused on tavaliselt järgmised:

• väga madal impedants tavapärasel võrgutilukohal;
• kõrge impedantsi sisestamine vea korral;
• kiire töö, et piirata veavoolu DC komponenti;
• võime mitmekordset töötlemist lühikese aja jooksul ja enda taastamine;
• harmonikate sisseviimine võrgusse;
• ajutiste ülepingedete minimeerimine;
• kõrge usaldusväärsus.

2 Veavoolu limiitide (FCL) usaldusväärsus

FCL-de rakendamine ümberpaigutamispunktides on tavaliselt motiveeritud kahe peamise põhjusega:

• vältida kulukat lahendust, milles paigutatakse uued lülited, mis omavad suuremat lühikese kringi kapasitetti;
• säilitada ümberpaigutamispunkti topoloogia ja vältida bussi jagamist operatsiooniliste või usaldusväärsuse probleemide tõttu. Praegu ei ole saadaval usaldusväärseid allikaid ega viiteid FCL-usaldusväärsuse karakteristikute kohta; seetõttu selles uurimuses püütakse analüüsida seda küsimust tehniliste omaduste arvesse võtmisel. Mõned FCL-d kasutavad äärmiselt keerulisi tehnoloogiaid, mis võivad vähendada nende usaldusväärsust.

On olemas erinevaid tüüpi FCL-e, mille hulgas on resonant-tüübilised ja superjoonduma FCL-d olulisemad.

A. Resonant-tüübilised FCL-id

On esitatud palju konfiguratsioone resonant-tüübiliste FCL-ide jaoks. Nad on tavaliselt klassifitseeritud sarirezonans-tüübilisteks ja paralleelresonans-tüübilisteks FCL-ideks. Resonant-tüübilised FCL-id omavad mitmeid soodsaid omadusi vea piiramiseks, sealhulgas:

• Töödelda ilma voolu katkestamiseta;
• Kiire reaktsioon veale;
• Võime kanda lühikese kringi voolu vea kestusaegadel;
• Taastamine.

Kuid resonant-tüübilised FCL-id koosnevad tavaliselt mitmest komponendist, ja üldine usaldusväärsus sõltub igast komponendi õigekohast töötlemisest. Lisaks vajavad mõned resonant-tüübilised FCL-id välise käivitamise seadet, mis tähendab, et on vaja lisakomponendeid, et tuvastada lühikese kringi voolu ja käivitada. See suurendab süsteemi keerukust ja vähendab usaldusväärsust. Seetõttu on ilmselgelt usaldusväärsamad enda käivitavad FCL-id.

B. Superjoonduma FCL-id

Võrreldes resonant-tüübiliste FCL-idega, vajavad superjoonduma FCL-id vähem komponendeid ja on enda käivitavad. Vea voolu piiramise strateegia on lihtne ja põhineb superjoonduma materjalide loomulikul käitumisel. Superjoonduvus eksisteerib ainult väga madalatel temperatuuridel, nii et superjoonduma FCL-ide jaoks on vaja lisarohket varustust, mis suurendab investeeringukulusid. Selles artiklis pakutav mõte piirub FCL-rakenduse mõju hindamisega ümberpaigutamispunkti usaldusväärsusele.

3 FCL-i veamoodid

Nagu teised komponendid kõrgete pingete ümberpaigutamispunktides, näitavad FCL-id erinevaid veamodeid, mida tuleb arvestada, hindates ümberpaigutamispunktide usaldusväärsust, mis sisaldavad FCL-e. Selles osas võrreldakse erinevate tüüpide FCL-ide vea sagedusi.

Täieliku süsteemi usaldusväärsuse ja selle alamsüsteemide arvu vahel on olemas põhiline seos, kõik mille peavad õigesti töötama, et saavutada soovitud üldfunktsioon.

• A. Aktiivsed veamoodid
• B. Passiivsed veamoodid
• C. Fixeeritud veamoodid

Ilmselgelt on kõrgemad veasagedused FCL-idel, mis vajavad käivitamissüsteemi (väliselt käivitatavad FCL-id). Üldiselt nõuavad kõik FCL-id, mis hõlmavad käivitamist või kommutsatsiooni, mitme lülite järjestikust töötlemist, mis nõuab täpset sinkroniseerimist ja koordineerimist, mis suurendab oluliselt keerukust traditsiooniliste lülitedega võrreldes.

Resonant-tüübilistes FCL-ides (nii väliselt kui ka enda käivitatavates) võivad fixeeritud veamoodid tekkida resonantkomponendi omaduste muutuste tõttu, mis on tingitud töötingimuste, nagu temperatuur, või töö mitte-normeeritud tingimustes muutustest.

Superjoonduma FCL-id näitavad selliseid veamodeid ainult ülemäärilise rohkete korral, mis on haruldased. Seetõttu võib öelda, et superjoonduma FCL-id ei oma tegelikult seda veamoodi. Enamikul juhtudel võivad superjoonduma FCL-id olla disainitud ennustatavate parameetritega ja kannatada tuhandeid aktiveerimis- ja taastumistsükleid. Lisaks suurendab väiksemate FCL-ide kasutamine nii usaldusväärsust kui ka voolu piiramisvõimet. Tabel 1 võrdleb lühidalt erinevate FCL-tüüpide veamoodide sagedusi.

4 Praktiline rakendus

Joonisel 1 kuvatud näidisümberpaigutamispunkt kasutatakse ümberpaigutamispunkti usaldusväärsuse mõju hindamiseks FCL-rakenduse korral. On teada, et hoolduse ajal on levinud praktiline kasutada bussijagamislüliteid, et hallata kaitseplaanide ja suurendada ümberpaigutamispunkti konfiguratsioonide paindlikkust. Kui ümberpaigutamispunkti veavoolu taseme ületab lülite katkestamisvõimet, siis on bussijagamislülit asendamine FCL-ga viisiline lahendus. Tõesti, Inter-Bus FCL on üks levinumat FCL-rakendusi.

Eeldame, et kõik 330 kV bussiga ühendatud laadid on idententsed. Usaldusväärsuse hindamine keskendub vasakpoolse 330 kV bussi laadile 1 ja parempoolse 330 kV bussi laadile 5. Laadi usaldusväärsus hinnatakse järgmistel indeksitel: (1) Laadi kadumise tõenäosus (%); (2) Aastane katkestusaja (U). 330 kV buss eeldatakse täiesti usaldusväärse. Ülemääraste arvutuste vältimiseks ei arvestata veamodeid, mis hõlmavad rohkem kui kolme komponendi samal ajal. Kuna selliste veamode sagedus on väga madal, ei sõltu see eeldus olulist vea.

Tabel 2 näitab komponendite veasagedusi ja parandusajad. Algseks analüüsiks alustatakse vasakpoolse 330 kV bussi laadi 1 (L1) usaldusväärsuse indeksite arvutamisega. Teoreetiliselt peaksime arvutama usaldusväärsuse indeksid kõigi laadipunktidelt L1 kuni L7. Kuid kuna need laadid on sarnased ja ühendatud sama bussiga, on nende veamoodid sarnased. Seetõttu on vaja arvutada usaldusväärsuse indeksid ainult laadipunkt 1 (L1) vasakpoolse bussi ja laadipunkt 5 (L5) parempoolse bussi jaoks.

Nagu eelnevalt mainitud, kasutatakse analüüsiks kahte tõenäosusindeksit: laadi kadumise tõenäosus (f/a) ja aastane katkestusaja (tundi/a, A). Need indeksid hinnatakse ühe komponendi vea korral.

Koosvea korral kahe komponendi vea korral väljendatakse ekvivalentne veasagedus (λₑ), keskmine katkestusaja (r) ja aastane katkestusaja (u) järgmiselt:

Kolme tasandi koosvea korral väljendatakse järgmiselt:

Kõikide veamoodide arvestamisel saab kokkuvea veasageduse ja aasta katkestusaja arvutada järgmiselt:

Tabel 3 näitab laadite usaldusväärsuse analüüsi tulemusi.

Nüüd tehakse sama arvutus teise 230 kV bussi tarbijatele. Tabel 4 näitab laadipunkti LS tulemusi.

5 Järeldus

See artikkel kirjeldab veavoolu limiitide (FCL) rakendamist ümberpaigutamispunkti usaldusväärsuse tõstmiseks, matemaatilist mudelit ja protseduuri usaldusväärsuse arvutamiseks ning hinnab FCL-rakenduse mõju ümberpaigutamispunkti usaldusväärsusele. Tulemused näitavad, et ümberpaigutamispunkti usaldusväärsus paraneb FCL-de kasutamisel. Tundlikkusanalüüs on tehtud, et uurida erinevate parameetrite, nagu FCL-i aktiivne veasagedus, passiivne veasagedus ja parandusaeg, mõju usaldusväärsuse indeksile.