تحلیل قابلیت اطمینان محدودکننده‌های جریان خطا در زیرстанسیون‌های فشار بالا

1 مقدمه

برای تامین تقاضای سریع رشد برق، سیستم‌های تولید، انتقال و توزیع برق باید به طور متناسب با آن توسعه یابند. یکی از مشکلات مهم ناشی از این توسعه، افزایش سریع جریان‌های کوتاه مداری است. افزایش جریان‌های کوتاه مداری منجر به چندین خطر می‌شود:

• گرم شدن دستگاه‌های سریالی در مسیر عیب؛
• افزایش ولتاژهای گذرا و بازیابی در زمان قطع جریان، که ممکن است سیستم‌های عایق‌بندی را خراب کند؛
• تولید نیروهای مکانیکی بسیار بالا در تجهیزات پیچیده (مانند ترانسفورماتورها، ژنراتورها، راکتورها)؛
• پایداری نسبی سیستم به مقدار و زمان تمیز کردن جریان عیب؛
• Schroter ممکن است دیگر قادر به قطع جریان عیب افزایش یافته نباشند، که نیازمند تعویض‌های گران‌قیمت در زمان و هزینه است؛ برای جلوگیری از چنین هزینه‌هایی، ممکن است ترانسفورماتورهای موازی محدود شوند یا اتصال سیستم کاهش یابد، که ظرفیت انتقال و قابلیت اطمینان سیستم را کاهش می‌دهد؛
• افزایش جریان‌های عیب عملیات اصلاحی را طولانی‌تر می‌کند، که منجر به قطع برق‌های طولانی‌تر و ضررهای اقتصادی بیشتر می‌شود؛
• کاهش قابلیت اطمینان شبکه.

در حال حاضر، سه راه‌حل اصلی برای کاهش این اثرات در دسترس است:

• ساختارهای شبکه با احتمال عیب کمتر؛
• استفاده از Schroter با ظرفیت قطع بالاتر یا جایگزینی Schroter ضعیف‌تر با Schroter قوی‌تر؛
• تغییر شبکه برای کاهش سطح جریان‌های کوتاه مداری. معمولاً ترکیبی از این راه‌حل‌ها برای دستیابی به طراحی بهینه شبکه در حالی که قابلیت اطمینان سیستم در حد مقبول حفظ می‌شود، استفاده می‌شود. با این حال، احتمال وقوع عیب‌ها هرگز نمی‌تواند کاملاً حذف شود، و طراحی تجهیزات برق بر اساس جریان‌های کوتاه مداری همیشه افزایش یافته از نظر تجاری غیرعملی است. راه‌حل سوم می‌تواند به صورت زیر تقسیم شود:
  • کاهش اتصال سیستم (مانند تقسیم شین)؛
  • استفاده از محدودکننده‌های جریان عیب (FCLs).

جایگزینی Schroter با ظرفیت قطع بالاتر یک راه‌حل گران‌قیمت است و ممکن است در برخی موارد عملی نباشد. علاوه بر این، سیستم‌های محافظ بر اساس مشخصات رله‌ها تأخیر در تشخیص عیب دارند. عملکرد Schroter و خاموش کردن قوس الکتریکی فوری نیست و معمولاً 3-5 دور برای تمیز کامل عیب نیاز است. بنابراین، معمولاً جریان‌های عیب در 2-8 دور اول پس از وقوع عیب قطع نمی‌شوند. در طول این دوره، جریان‌های بسیار بالا از طریق دستگاه‌های سریال در مسیر عیب می‌گذرد و حتی این مدت کوتاه می‌تواند تخریب‌کننده باشد، به خصوص در دور اول که مولفه DC جریان عیب بسیار بالا است.

تقسیم شین و کاهش اتصال سیستم می‌تواند به عنوان جایگزین‌هایی برای حل این مشکل در نظر گرفته شود. با این حال، آنها چالش‌های عملیاتی دیگری مانند کاهش ظرفیت انتقال، تغییر جریان توان و افزایش زیان‌ها را معرفی می‌کنند. نیاز به FCLs از لزوم محافظت از تجهیزات گران‌قیمت و آسیب‌پذیر ناشی می‌شود. عموماً تمام استراتژی‌های FCL پیشنهادی بر اساس قرار دادن مقاومت بالا در مسیر سری در زمان عیب است، تنها در اجرای آن‌ها تفاوت وجود دارد. ویژگی‌های مطلوب یک FCL ایده‌آل معمولاً شامل:

• مقاومت بسیار کم تحت شرایط عادی سیستم توان؛
• قرار دادن مقاومت بالا در زمان عیب؛
• عملکرد سریع برای محدود کردن مولفه DC جریان عیب؛
• قابلیت عملکرد چندین بار در مدت زمان کوتاه و بازیابی خودکار؛
• عدم معرفی هارمونیک‌ها به سیستم توان؛
• کمینه‌سازی ولتاژهای گذرا؛
• قابلیت اطمینان بالا.

2 قابلیت اطمینان محدودکننده‌های جریان عیب

استفاده از FCLs در زیرстанسیون‌ها معمولاً به دو دلیل اصلی است:

• اجتناب از راه‌حل گران‌قیمت جایگزینی Schroter نصب شده با Schroterهایی با ظرفیت کوتاه مداری بالاتر؛
• حفظ توپولوژی زیرستانسیون و اجتناب از تقسیم شین به دلیل مشکلات عملیاتی یا قابلیت اطمینان. در حال حاضر، منابع معتبر یا مراجعی درباره ویژگی‌های قابلیت اطمینان FCLs در دسترس نیست؛ بنابراین، در این مطالعه، ما قصد داریم این موضوع را با در نظر گرفتن ویژگی‌های فنی تحلیل کنیم. برخی از FCLs از فناوری‌های بسیار پیچیده استفاده می‌کنند که ممکن است قابلیت اطمینان آن‌ها را کاهش دهد.

انواع مختلفی از FCLs وجود دارد که در میان آن‌ها، FCLs نوع هماهنگ و FCLs نوع فوق‌رسانا برجسته‌تر هستند.

A. FCLs نوع هماهنگ

بسیاری از ساختارهای FCLs نوع هماهنگ پیشنهاد شده‌اند. آن‌ها معمولاً به دو دسته FCLs نوع هماهنگ سری و FCLs نوع هماهنگ موازی تقسیم‌بندی می‌شوند. FCLs نوع هماهنگ ویژگی‌های مطلوب چندینی برای محدود کردن عیب دارند، از جمله:

• عملکرد بدون قطع جریان؛
• پاسخ سریع به عیب؛
• قابلیت تحمل جریان کوتاه مداری در طول مدت عیب؛
• قابلیت بازنشانی.

با این حال، FCLs نوع هماهنگ معمولاً از چندین مؤلفه تشکیل شده‌اند و قابلیت اطمینان کلی به عملکرد صحیح هر مؤلفه بستگی دارد. علاوه بر این، برخی از FCLs نوع هماهنگ نیاز به دستگاه‌های تحریک خارجی دارند، که به معنای نیاز به مؤلفه‌های اضافی برای تشخیص عیب و شروع تحریک است. این امر پیچیدگی سیستم را افزایش می‌دهد و قابلیت اطمینان را کاهش می‌دهد. بنابراین، FCLs خود تحریک‌شونده واضح‌تر قابلیت اطمینان بالاتری دارند.

B. FCLs نوع فوق‌رسانا

در مقایسه با FCLs نوع هماهنگ، FCLs نوع فوق‌رسانا نیاز به مؤلفه‌های کمتری دارند و خود تحریک‌شونده هستند. استراتژی محدود کردن جریان عیب ساده است و بر اساس رفتار طبیعی مواد فوق‌رسانا است. فوق‌رسانایی فقط در دمای بسیار پایین وجود دارد، بنابراین FCLs نوع فوق‌رسانا نیاز به تجهیزات خنک‌سازی اضافی دارند که هزینه سرمایه را افزایش می‌دهد. مفهوم پیشنهادی در این مقاله به محدودیت ارزیابی تأثیر استفاده از FCLs بر قابلیت اطمینان زیرستانسیون محدود شده است.

3 مد‌های شکست FCLs

مانند سایر مؤلفه‌های زیرستانسیون‌های فشار بالا، FCLs مد‌های شکست مختلفی دارند که باید در ارزیابی قابلیت اطمینان زیرستانسیون‌های انتقالی که FCLs را شامل می‌شوند، در نظر گرفته شوند. این بخش نرخ‌های شکست انواع مختلف FCLs را مقایسه می‌کند.

رابطه اساسی بین قابلیت اطمینان یک سیستم کامل و تعداد زیرسیستم‌های آن وجود دارد، که همه آن‌ها باید به درستی عمل کنند تا عملکرد کلی مورد نظر به دست آید.

• A. مد‌های شکست فعال
• B. مد‌های شکست غیرفعال
• C. مد‌های شکست ثابت

به وضوح، FCLs که نیاز به سیستم تحریک (FCLs تحریک خارجی) دارند نرخ شکست بالاتری دارند. به طور کلی، هر FCLی که شامل تحریک یا کمونیکیشن است، شامل عملیات متوالی چندین دستگاه کلیدزنی است که نیازمند همگام‌سازی و هماهنگی دقیق است و پیچیدگی را به طور قابل توجهی نسبت به Schroterهای معمولی افزایش می‌دهد.

در FCLs نوع هماهنگ (همه تحریک خارجی و خود تحریک‌شونده)، مد‌های شکست ثابت ممکن است به دلیل تغییرات در ویژگی‌های المان هماهنگ ناشی از تغییرات در شرایط کاری مانند دما، یا عملکرد در شرایط غیرنرمال ایجاد شوند.

FCLs نوع فوق‌رسانا فقط در صورت خنک‌سازی بیش از حد چنین مد‌های شکستی را نشان می‌دهند که به ندرت رخ می‌دهد. بنابراین، می‌توان گفت که FCLs نوع فوق‌رسانا به طور اساسی این مد شکست را ندارند. در اکثر موارد، FCLs نوع فوق‌رسانا می‌توانند با پارامترهای قابل پیش‌بینی طراحی شوند و هزاران دوره فعال‌سازی و بازیابی را تحمل کنند. علاوه بر این، استفاده از FCLs کوچک‌تر به جای FCLs بزرگ‌تر می‌تواند هم قابلیت اطمینان و هم توانایی محدود کردن جریان را بهبود بخشد. جدول 1 به طور خلاصه نرخ‌های وقوع مد‌های شکست مختلف را در انواع مختلف FCLs مقایسه می‌کند.

4 کاربرد عملی

یک زیرستانسیون نمونه نشان داده شده در شکل 1 برای ارزیابی تأثیر پیاده‌سازی FCLs بر قابلیت اطمینان زیرستانسیون استفاده می‌شود. به خوبی شناخته شده است که در طول نگهداری، استفاده از Schroterهای تقسیم شین برای مدیریت سیستم‌های محافظ و افزایش انعطاف‌پذیری ساختار زیرستانسیون عملیاتی معمول است. وقتی سطح جریان عیب در یک زیرستانسیون از ظرفیت قطع Schroterهای موجود فراتر رود، جایگزینی Schroter تقسیم شین با یک FCL یک راه‌حل قابل قبول می‌شود. در واقع، FCL بین شین‌ها یکی از کاربردهای رایج FCLs است.

فرض کنید که تمام بارهای متصل به شین 330 kV یکسان هستند. ارزیابی قابلیت اطمینان بر روی بار 1 در شین 330 kV سمت چپ و بار 5 در شین 330 kV سمت راست تمرکز می‌کند. قابلیت اطمینان بار با استفاده از شاخص‌های زیر ارزیابی می‌شود: (1) احتمال از دست دادن بار (٪)؛ (2) زمان قطع برق سالانه (U). شین 330 kV فرض می‌شود کاملاً قابل اطمینان است. برای جلوگیری از محاسبات اضافی، مد‌های شکست که شامل شکست همزمان بیش از سه مؤلفه هستند در نظر گرفته نمی‌شوند. از آنجا که نرخ وقوع چنین مد‌های شکستی بسیار کم است، این فرض خطای قابل توجهی ایجاد نمی‌کند.

جدول 2 نرخ‌های شکست و زمان‌های تعمیر مؤلفه‌ها را نشان می‌دهد. برای تحلیل اولیه، با محاسبه شاخص‌های قابلیت اطمینان مربوط به شین 330 kV سمت چپ شروع می‌کنیم. برای مقایسه اطلاعات‌دار و جامع، به طور نظری باید شاخص‌های قابلیت اطمینان را برای تمام نقاط بار از L1 تا L7 محاسبه کنیم. با این حال، با توجه به اینکه این بارها مشابه هستند و به یک شین متصل شده‌اند، مد‌های شکست مشابهی خواهند داشت. بنابراین، تنها نیاز است شاخص‌های قابلیت اطمینان را برای نقطه بار 1 (L1) در شین سمت چپ و نقطه بار 5 (L5) در شین سمت راست محاسبه کنیم.

همانطور که ذکر شد، دو شاخص احتمالی برای تحلیل استفاده می‌شود: احتمال از دست دادن بار (در f/yr) و زمان قطع برق سالانه (در ساعت/سال، A). این شاخص‌ها برای مورد شکست یک مؤلفه واحد ارزیابی می‌شوند.

برای مورد شکست همزمان دو مؤلفه، نرخ شکست معادل (λₑ)، مدت میانگین قطع (r) و زمان قطع برق سالانه (u) به صورت زیر بیان می‌شوند:

برای مورد شکست همزمان در سه سطح، به صورت زیر بیان می‌شود:

با در نظر گرفتن تمام مد‌های شکست، نرخ شکست کلی و زمان قطع برق سالانه کلی به صورت زیر محاسبه می‌شود:

جدول 3 نتایج تحلیل قابلیت اطمینان برای بارها را نشان می‌دهد.

حالا، همان محاسبه برای خطوط فیدر در شین دیگر 230 kV انجام می‌شود. جدول 4 نتایج مرتبط با نقطه بار LS را نشان می‌دهد.

5 نتیجه‌گیری