Säätöanalyysi sijaintirajoittimista korkeanpaineisissa alueissa

1 Johdanto

Sähkön tuotannon, siirron ja jakelun järjestelmien on kehitettävä vastaamaan nopeasti kasvavaa sähköenergian kysyntää. Tämän kehityksen yksi keskeinen ongelma on lyhytsolmujen sähkövirran nopea kasvu. Lyhytsolmujen sähkövirran kasvu johtaa useisiin vaaroihin:

• sarjakytkettyjen laitteiden ylikuumeneminen vikopolussa;
• sähkövirran keskeytyshetkellä kasvavat väliaikaiset ja palautumisjännitteet, jotka voivat vahingoittaa eristysjärjestelmiä;
• erittäin suurten mekaanisten voimien syntymä kympipohjaisissa laitteissa (esimerkiksi muuntajissa, generaattoreissa, reaktoreissa);
• mahdollinen järjestelmän epävakaus riippuen vikasähkövirran suuruudesta ja poistoajasta;
• olemassa olevat särkytuslaitteet eivät enää ehkä pysty keskeyttämään kasvavaa vikasähkövirraa, mikä edellyttää kalliita korvauksia ajan ja rahojen osalta; näiden kulujen välttämiseksi rinnakkaisten sähkömuuntajien määrää saattaa rajoitetaan tai järjestelmän yhteydet vähennetään, mikä heikentää siirtokapasiteettia ja järjestelmän luotettavuutta;
• kasvavat vikasähkövirrat pidentävät korjaustoimenpiteitä, mikä johtaa pidempään sähkökatkokseen ja suurempiin taloudellisiin tappioihin;
• pienetyn verkon luotettavuuden.

Nykyisin kolme pääasiallista ratkaisua on saatavilla näiden vaikutusten lievittämiseksi:

• verkkorakenteiden rakentaminen minimoiden vika-ehdot;
• käyttö särkytuslaitteilla, joilla on suurempi keskeyttämisvoima, tai heikommien särkytuslaitteiden korvaaminen tehokkaammilla;
• verkon muuttaminen vähentääksesi lyhytsolmujen tasoa. Näiden ratkaisujen yhdistelmä tyypillisesti käytetään optimoimaan verkko-osuuden suunnittelua samalla kun ylläpidetään järjestelmän luotettavuutta hyväksyttävillä rajoilla. Kuitenkin vika-ehdot eivät voi koskaan täysin poistua, ja sähkölaitteiden suunnittelu jatkuvasti kasvavien lyhytsolmujen sähkövirtaa perusteella ei ole kaupallisesti toteuttamiskelpoista. Kolmas ratkaisu voidaan edelleen jakaa seuraavasti:
  • järjestelmän yhteyksien vähentäminen (esimerkiksi bussijako);
  • vikasähkövirran rajoittimien (FCL) soveltaminen.

Särkytuslaitteiden korvaaminen laitteilla, joilla on suurempi keskeyttämisvoima, on kallista ratkaisua, eikä sitä ole aina mahdollista. Lisäksi suojausjärjestelmät näyttävät viiveitä vian havaitsemisessa relen määrittelyjen perusteella. Särkytuslaitteen toiminta ja kaaren sammuminen eivät ole välittömiä, vaan ne vaativat yleensä 3–5 kiertokierrosta täydelliseen vikan poistamiseen. Tämän vuoksi vikasähkövirtoja yleensä ei voida keskeyttää ensimmäisen 2–8 kiertokierroksen jälkeen vian ilmetessä. Tässä ajassa erittäin suuret sähkövirrat kulkevat sarjakytkettyjen laitteiden läpi vikapolussa, ja jopa tämä lyhyt aika voi olla tuhoisa, erityisesti ensimmäisellä kiertokierroksella, kun vikasähkövirran jännitekomponentti on erityisen suuri.

Bussijako ja järjestelmän yhteyksien vähentäminen voidaan pitää vaihtoeinoa tähän ongelmaan. Ne kuitenkin aiheuttavat muita toimintahaasteita, kuten siirtokapasiteetin vähentymisen, sähkövirran kulun muutoksen ja tappioiden lisääntymisen. FCL:n tarve johtuu kalliiden ja alttiiden laitteiden suojaamisen tarpeesta. Yleisesti ottaen kaikki ehdotetut FCL-strategiat perustuvat korkean impedanssin lisäämiseen sarjapolaan vian aikana, eroavat vain toteutuksessa. Ideaalisen FCL:n halutut ominaisuudet ovat yleensä:

• erittäin alhainen impedanssi normaaleissa sähköjärjestelmän olosuhteissa;
• korkean impedanssin lisääminen vian aikana;
• nopea toiminta rajoittaakseen vikasähkövirran jännitekomponenttia;
• monien toimintojen mahdollisuus lyhyen ajan sisällä ja itsepalautuminen;
• ei harmonioiden tuomista sähköjärjestelmään;
• tilapäisten ylipiteiden minimoiminen;
• korkea luotettavuus.

2 Vikasähkövirran rajoittimien luotettavuus

FCL:n soveltaminen sähköasemissa on yleensä motivoitu kahdesta pääasiallisesta syystä:

• välttää kalliin ratkaisun asennetuille särkytuslaitteille korvaamalla ne sellaisilla, joilla on suurempi lyhytsolmun kapasiteetti;
• ylläpitää sähköaseman topologiaa ja välttää bussijako toimintaa tai luotettavuuden vuoksi. Nykyään ei ole luotettavia lähteitä tai viitteitä FCL:n luotettavuuden ominaisuuksista; siksi tässä tutkimuksessa pyritään analysoimaan tätä kysymystä teknisten ominaisuuksien perusteella. Jotkut FCL:t käyttävät erittäin monimutkaisia tekniikoita, mikä saattaa vähentää niiden luotettavuutta.

On olemassa erilaisia FCL-tyyppejä, joista resonanssityyppiset ja superjohtavat FCL:t ovat enemmän huomattavia.

A. Resonanssityyppiset FCL:t

Useita konfiguraatioita on ehdotettu resonanssityyppisille FCL:eille. Ne luokitellaan yleensä sarjaresonanssityyppisiksi ja rinnakkaisresonanssityyppisiksi FCL:iksi. Resonanssityyppisillä FCL:illä on useita suotuisia ominaisuuksia vian rajoittamiseksi, mukaan lukien:

• Toiminta ilman sähkövirran keskeyttämistä;
• Nopea reaktio vioihin;
• Kyky kuljettaa lyhytsolmun sähkövirran vian aikana;
• Uudelleenasetuskyky.

Kuitenkin resonanssityyppiset FCL:t koostuvat yleensä useista komponenteista, ja kokonaisen luotettavuuden riippuu jokaisen komponentin oikeasta toiminnasta. Lisäksi jotkut resonanssityyppiset FCL:t vaativat ulkoista aktivointilaitetta, mikä tarkoittaa, että tarvitaan lisäkomponentteja vian havaitsemiseen ja aktivoinnin aloittamiseen. Tämä lisää järjestelmän monimutkaisuutta ja vähentää luotettavuutta. Siksi itseaktivoidut FCL:t ovat selvästi luotettavampia.

B. Superjohtavat FCL:t

Resonanssityyppisiin FCL:iin verrattuna superjohtavat FCL:t vaativat vähemmän komponentteja ja ne ovat itseaktivoidut. Vikasähkövirran rajoittamisen strategia on yksinkertainen ja perustuu superjohtavan materiaalin luonnolliseen käyttäytymiseen. Superjohtavuus esiintyy vain erittäin alhaisissa lämpötiloissa, joten superjohtaviin FCL:iin tarvitaan lisärahoituslaitteita, mikä lisää investointikustannuksia. Tässä artikkelissa esitetty käsite on rajattu arvioimaan FCL:n soveltamisen vaikutusta sähköaseman luotettavuuteen.

3 FCL:n vika-tilat

Muuten kuin muut komponentit korkeajänniteasemissa, FCL:t näyttävät erilaisia vika-tiloja, joita on otettava huomioon arvioidessaan siirtosähköaseman luotettavuutta, joka sisältää FCL:n. Tässä osiossa verrataan eri tyyppisten FCL:n vika-asteita.

On perustavanlaatuinen suhde koko järjestelmän luotettavuuteen ja sen alajärjestelmien määrään, jotka kaikki on toiminnassa saavuttaakseen halutun kokonaistoiminnon.

• A. Aktiiviset vika-tilat
• B. Passiiviset vika-tilat
• C. Kiinteät vika-tilat

Ilmeisesti FCL:t, jotka vaativat aktivointijärjestelmää (ulkopuolisesti aktivoidut FCL:t), näyttävät suurempia vika-asteita. Yleisesti ottaen kaikki FCL:t, jotka sisältävät aktivoinnin tai kommutaation, vaativat useiden kytkentälaitteiden järjestelmällistä toimintaa, mikä edellyttää tarkkaa synkronointia ja koordinointia, mikä merkittävästi lisää monimutkaisuutta verrattuna perinteisiin särkytuslaitteisiin.

Resonanssityyppisissä FCL:issä (sekä ulkopuolisesti että itseaktivoiduissa) kiinteät vika-tilat voivat syntyä resonanssikomponenttien ominaisuuksien muutoksista toimintaolosuhteiden, kuten lämpötilan, muuttuessa tai toiminnassa ei-nimellisissä olosuhteissa.

Superjohtavat FCL:t näyttävät tällaisia vika-tiloja vain liiallisessa jäädytysolosuhteissa, mikä on harvinainen. Siksi voidaan sanoa, että superjohtavilla FCL:illä ei ole tämäntyyppistä vika-tilaa. Useimmissa tapauksissa superjohtavia FCL:itä voidaan suunnitella ennustettavilla parametreilla, ja ne kestävät tuhatia aktivointi- ja palautuskierroksia. Lisäksi pienempien FCL:iden käyttö isompien sijaan parantaa sekä luotettavuutta että sähkövirran rajoittamiskykyä. Taulukko 1 vertaa lyhyesti eri FCL-tyypit välillä eri vika-tilojen esiintymisasteita.

4 Käytännön soveltaminen

Esimerkkinä oleva sähköasema, jota kuvassa 1 on käytetty arvioidakseen FCL:n soveltamisen vaikutusta sähköaseman luotettavuuteen. On hyvin tiedossa, että huollossa on tavallista käyttää bussijako-särkytuslaitteita hallitsemaan suojausjärjestelmiä ja parantamaan sähköaseman konfiguraatioiden joustavuutta. Kun sähköaseman vikasähkövirran taso ylittää särkytuslaitteiden keskeyttämisvoiman, bussijako-särkytuslaitteen korvaaminen FCL:llä tulee käsiksi. Todellakin, Inter-Bus FCL on yksi yleisimmistä FCL:n sovelluksista.

Oletetaan, että kaikki 330 kV-bussia yhdistetyt kuormat ovat samoja. Luotettavuusarviointi keskittyy kuormaan 1 vasemman 330 kV-bussin ja kuormaan 5 oikean 330 kV-bussin. Kuorman luotettavuus arvioidaan seuraavilla indekseillä: (1) Kuormituksen menetys todennäköisyys (%); (2) Vuoden sähkökatkokset (U). 330 kV-bussia oletetaan täysin luotettavaksi. Välttääksemme tarpeettomia laskutoimituksia, vika-tilat, jotka sisältävät useamman kuin kolmen komponentin samanaikaisen vian, eivät ole otettu huomioon. Koska tällaisten vika-tilojen esiintymisaste on hyvin alhainen, tämä oletus ei tuo merkittävää virhettä.

Taulukko 2 näyttää komponenttien vika-asteet ja korjausaikat. Alkuperäisessä analyysissa laskemme vasemman 330 kV-bussin liittyvät luotettavuusindeksit. Tehdäksemme informoitu ja kattava vertailu, teoreettisesti meidän tulisi laskea luotettavuusindeksit kaikille kuormituksen pisteille L1:stä L7:een. Kuitenkin, koska nämä kuormitukset ovat samankaltaisia ja yhdistetty samalle bussille, niillä on samankaltaisia vika-tiloja. Siksi meidän tarvitsee laskea luotettavuusindeksit vain kuormituksen pisteelle 1 (L1) vasemmalla bussilla ja kuormituksen pisteelle 5 (L5) oikealla bussilla.

Kuten edellä mainittiin, kaksi todennäköisyysindeksiä käytetään analyysiin: kuormituksen menetys todennäköisyys (f/vuosi) ja vuoden sähkökatkokset (tunteina/vuodessa, A). Nämä indeksit arvioidaan yhden komponentin vian tapauksessa.

Kahden komponentin samanaikaisen vian tapauksessa ekvivalentti vika-aste (λₑ), keskiarvoinen sähkökatkosten kesto (r) ja vuoden sähkökatkokset (u) ilmaistaan seuraavasti:

Kolmen tason samanaikaisen vian tapauksessa se ilmaistaan seuraavasti:

Ottaen huomioon kaikki vika-tilat, kokonaisvaikutusaste ja vuoden sähkökatkokset voidaan laskea seuraavasti:

Taulukko 3 näyttää kuormituksen luotettavuusanalyysin tulokset.

Nyt sama laskenta suoritetaan toiselle 230 kV-bussin johtoille. Taulukko 4 näyttää tulokset, jotka liittyvät kuormituksen pisteeseen LS.

5 Johtopäätös

Tässä artikkelissa esitetään vikasähkövirran rajoittimien (FCL) soveltaminen sähköaseman luotettavuuden parantamiseksi, kuvataan matemaattinen malli ja menettely luotettavuuden laskemiseksi, ja arvioidaan FCL:n soveltamisen vaikutusta sähköaseman luotettavuuteen. Tulokset osoittavat, että sähköaseman luotettavuus paranee FCL:n käytöllä. Myös herkkyysanalyysi on suoritettu tutkimaan eri parametrien, kuten FCL:n aktiivisen vika-asteen, passiivisen vika-asteen ja korjausaajan, vaikutusta luotettavuusindekseihin.