تحلیل قابلیت اطمینان محدودکننده‌های جریان خطا در زیرстанسیون‌های فشار قوی

۱ مقدمه

برای پاسخگویی به تقاضای سریع رشد کننده برای انرژی برق، سیستم‌های تولید، انتقال و توزیع برق باید به طور متناسب با این توسعه پیش بروند. یکی از مشکلات حیاتی ناشی از این توسعه، افزایش سریع جریان‌های خطا است. افزایش جریان‌های خطا منجر به چندین خطر می‌شود:

• گرم شدن دستگاه‌های سری‌پیوند در مسیر خطا؛
• افزایش ولتاژهای موقت و بازیابی در هنگام قطع جریان، که ممکن است سیستم‌های عایق‌بندی را آسیب ببیند؛
• تولید نیروهای مکانیکی بسیار بالا در تجهیزات مبتنی بر لیترال (مانند ترانسفورماتورها، ژنراتورها، راکتورها)؛
• عدم پایداری بالقوه سیستم بسته به مقدار و زمان تمیز کردن جریان خطا؛
• مدار قطع‌کننده‌های موجود ممکن است دیگر قادر به قطع جریان خطا افزایش یافته نباشند، که نیازمند تعویض‌های گران‌قیمت از نظر زمان و پول 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 خطا اقدامات اصلاحی را طولانی‌تر می‌کند، که منجر به توقف‌های طولانی‌تر و ضررهای اقتصادی بیشتر می‌شود؛
• کاهش قابلیت اطمینان شبکه.

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

• ساختارهای شبکه با احتمال خطا حداقل؛
• استفاده از مدار قطع‌کننده‌های با ظرفیت قطع بالاتر یا جایگزینی مدار قطع‌کننده‌های ضعیف‌تر با مدار قطع‌کننده‌های قابلیت بیشتر؛
• تغییر شبکه برای کاهش سطح جریان‌های خطا. معمولاً ترکیبی از این راه‌حل‌ها برای دستیابی به طراحی شبکه بهینه در حالی که قابلیت اطمینان سیستم در حدود مقبول حفظ می‌شود، به کار گرفته می‌شود. با این حال، امکان وقوع خطاها هرگز نمی‌تواند به طور کامل حذف شود، و طراحی تجهیزات برق بر اساس جریان‌های خطا افزایش یافته از نظر تجاری غیرعملی است. راه‌حل سوم می‌تواند به طور بیشتر به:
  • کاهش اتصالات سیستم (مانند تقسیم شین)؛
  • استفاده از محدودکننده‌های جریان خطا (FCLs).

جایگزینی مدار قطع‌کننده‌ها 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 خطا دارند. عملکرد مدار قطع‌کننده و خاموش شدن قوس الکتریکی فوری نیست و معمولاً نیاز به ۳ تا ۵ دور برای تمیز کامل خطا دارد. بنابراین، معمولاً جریان‌های خطا در ۲ تا ۸ دور اول پس از وقوع خطا قطع نمی‌شوند. در طول این دوره، جریان‌های بسیار بالا از طریق دستگاه‌های سری‌پیوند در مسیر خطا می‌گذرد و حتی این مدت کوتاه می‌تواند مخرب باشد، به ویژه در دور اول که مولفه مستقیم جریان خطا بسیار بالا است.

تقسیم شین و کاهش اتصالات سیستم می‌توانند به عنوان جایگزین‌هایی برای حل این مشکل در نظر گرفته شوند. با این حال، آنها چالش‌های عملیاتی دیگری مانند کاهش ظرفیت انتقال، تغییر جریان قدرت و افزایش ضررها را معرفی می‌کنند. نیاز به FCLs از ضرورت محافظت از تجهیزات گران‌قیمت و آسیب‌پذیر ناشی می‌شود. به طور کلی، تمام استراتژی‌های FCL پیشنهادی بر اساس وارد کردن امپدانس بالا در مسیر سری‌پیوند در هنگام خطا است، تنها در اجرای آنها تفاوت وجود دارد. ویژگی‌های مورد نظر یک FCL ایده‌آل معمولاً عبارتند از:

• امپدانس بسیار کم تحت شرایط عادی سیستم قدرت؛
• وارد کردن امپدانس بالا در هنگام خطا؛
• عملکرد سریع برای محدود کردن مولفه مستقیم جریان خطا؛
• قابلیت چندین عملیات در مدت کوتاه و بازیابی خودکار؛
• عدم معرفی هارمونیک‌ها به سیستم قدرت؛
• کاهش بیشینه ولتاژهای موقت؛
• قابلیت اطمینان بالا.

۲ قابلیت اطمینان محدودکننده‌های جریان خطا

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

• اجتناب از راه‌حل گران‌قیمت جایگزینی مدار قطع‌کننده‌های نصب شده با مدار قطع‌کننده‌هایی با ظرفیت خطا بالاتر؛
• حفظ توپولوژی زیرستانسیون و اجتناب از تقسیم شین به دلیل مشکلات عملیاتی یا قابلیت اطمینان. در حال حاضر، منابع معتبر یا مراجعی در مورد 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 تکنولوژی‌های بسیار پیچیده استفاده می‌کنند که ممکن است قابلیت اطمینان آنها را کاهش دهد.

انواع مختلفی از FCLs وجود دارد، که از میان آنها FCLs نوع رزونانسی و FCLs فوق رسانا برجسته‌تر هستند.

الف. FCLs نوع رزونانسی

تعداد زیادی از ساختارهای FCLs نوع رزونانسی پیشنهاد شده است. آنها به طور کلی به دو دسته FCLs نوع سری رزونانسی و FCLs نوع موازی رزونانسی تقسیم‌بندی می‌شوند. FCLs نوع رزونانسی چندین ویژگی مطلوب برای محدود کردن خطا دارند، از جمله:

• عملکرد بدون قطع جریان؛
• پاسخ سریع به خطا؛
• قابلیت تحمل جریان خطا در طول مدت خطا؛
• قابلیت بازیابی.

با این حال، FCLs نوع رزونانسی معمولاً شامل اجزای متعددی هستند و قابلیت اطمینان کلی به عملکرد صحیح هر مؤلفه بستگی دارد. علاوه بر این، برخی از FCLs نوع رزونانسی به دستگاه خارجی برای تریگرینگ نیاز دارند، به این معنا که نیاز به اجزای اضافی برای تشخیص خطا و آغاز تریگرینگ است. این امر پیچیدگی سیستم را افزایش می‌دهد و قابلیت اطمینان را کاهش می‌دهد. بنابراین، FCLs خود-تریگرینگ واضح‌تر قابلیت اطمینان بیشتری دارند.

ب. FCLs فوق رسانا

در مقایسه با FCLs نوع رزونانسی، FCLs فوق رسانا به تعداد کمتری از اجزا نیاز دارند و خود-تریگرینگ هستند. استراتژی محدود کردن جریان خطا ساده است و بر روی رفتار طبیعی مواد فوق رسانا استوار است. فوق رسانایی فقط در دماهای بسیار پایین وجود دارد، بنابراین FCLs فوق رسانا نیاز به تجهیزات خنک‌کننده اضافی دارند که هزینه سرمایه را افزایش می‌دهد. مفهوم پیشنهادی در این مقاله به ارزیابی تأثیر استفاده از FCLs بر قابلیت اطمینان زیرستانسیون محدود شده است.

۳ حالت‌های خرابی FCLs

مانند سایر اجزا در زیرستانسیون‌های ولتاژ بالا، FCLs حالت‌های خرابی مختلفی دارند که باید در ارزیابی قابلیت اطمینان زیرستانسیون‌های انتقالی که FCLs را شامل می‌شوند، در نظر گرفته شوند. این بخش نرخ‌های خرابی انواع مختلف FCLs را مقایسه می‌کند.

رابطه بنیادی 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.

• الف. حالت‌های خرابی فعال
• ب. حالت‌های خرابی غیرفعال
• ج. حالت‌های خرابی ثابت

به وضوح، FCLs که به سیستم تریگرینگ نیاز دارند (FCLs تریگرینگ خارجی) نرخ‌های خرابی بالاتری دارند. به طور کلی، هر FCL که شامل تریگرینگ یا کمونوتیشن است، شامل عملیات متوالی چندین دستگاه تغییر وضعیت است که نیاز به هماهنگی و همزمان‌سازی دقیق دارد و پیچیدگی آن را به طور قابل توجهی نسبت به مدار قطع‌کننده‌های معمولی افزایش می‌دهد.

در FCLs نوع رزونانسی (هر دو تریگرینگ خارجی و خود-تریگرینگ)، حالت‌های خرابی ثابت ممکن است به دلیل تغییرات در ویژگی‌های المان رزونانسی ناشی از تغییرات در شرایط عملکرد مانند دما یا عملکرد در شرایط غیرمتعارف ایجاد شوند.

FCLs فوق رسانا فقط در صورت خنک‌سازی بیش از حد، که به ندرت رخ می‌دهد، چنین حالت‌های خرابی ثابتی دارند. بنابراین می‌توان گفت که FCLs فوق رسانا به طور اساسی این حالت خرابی را ندارند. در اکثر موارد، FCLs فوق رسانا می‌توانند با پارامترهای پیش‌بینی‌پذیر 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 قابلیت محدود کردن جریان را بهبود بخشد. جدول ۱ به طور خلاصه نرخ‌های وقوع حالت‌های خرابی مختلف را در انواع مختلف FCLs مقایسه می‌کند.

۴ کاربرد عملی

یک زیرستانسیون نمونه نشان داده شده در شکل ۱ برای ارزیابی تأثیر استفاده از FCLs بر قابلیت اطمینان زیرستانسیون استفاده شده است. به خوبی شناخته شده است که در زمان نگهداری، استفاده از مدار قطع‌کننده‌های تقسیم شین برای مدیریت طرح‌های محافظ و افزایش انعطاف‌پذیری ساختار زیرستانسیون عملیاتی معمول است. وقتی سطح جریان خطا در یک زیرستانسیون از ظرفیت قطع مدار قطع‌کننده‌ها فراتر رود، جایگزینی مدار قطع‌کننده تقسیم شین با یک FCL یک راه‌حل قابل قبول می‌شود. در واقع، FCL بین شین یکی از کاربردهای معمول FCLs است.

فرض کنید که تمام بارهای متصل به شین ۳۳۰ kV یکسان هستند. ارزیابی قابلیت اطمینان بر روی بار ۱ در شین ۳۳۰ kV چپ و بار ۵ در شین ۳۳۰ kV راست متمرکز است. قابلیت اطمینان بار با استفاده از شاخص‌های زیر ارزیابی می‌شود: (۱) احتمال از دست دادن بار (٪)؛ (۲) زمان قطع سالانه (U). شین ۳۳۰ kV فرض می‌شود کاملاً قابل اطمینان است. برای جلوگیری از محاسبات اضافی، حالت‌های خرابی که شامل خرابی همزمان بیش از سه مؤلفه است در نظر گرفته نمی‌شود. از آنجا که نرخ وقوع چنین حالت‌های خرابی بسیار کم است، این فرضیه خطای قابل توجهی ایجاد نمی‌کند.

جدول ۲ نرخ‌های خرابی و زمان‌های تعمیر مؤلفه‌ها را نشان می‌دهد. برای تحلیل اولیه، با محاسبه شاخص‌های قابلیت اطمینان مرتبط با شین ۳۳۰ kV چپ شروع می‌کنیم. برای انجام یک مقایسه آگاهانه 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، حالت‌های خرابی مشابهی خواهند داشت. بنابراین، تنها نیاز داریم شاخص‌های قابلیت اطمینان را برای نقطه بار ۱ (L1) در شین چپ و نقطه بار ۵ (L5) در شین راست محاسبه کنیم.

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

برای حالت خرابی همزمان دو مؤلفه، نرخ خرابی معادل (λₑ)، مدت قطع متوسط (r) و زمان قطع سالانه (u) به صورت زیر بیان می‌شوند:

برای حالت خرابی همزمان در سه سطح، به صورت زیر بیان می‌شود:

با در نظر گرفتن تمام حالت‌های خرابی، نرخ خرابی کل و زمان قطع سالانه کل می‌توانند به صورت زیر محاسبه شوند:

جدول ۳ نتایج تحلیل قابلیت اطمینان برای بارها را نشان می‌دهد.

حالا، همان محاسبه برای فیدرهای شین ۲۳۰ kV دیگر انجام می‌شود. جدول ۴ نتایج مربوط به نقطه بار LS را نشان می‌دهد.