Pagsusuri sa Kahandalan ng mga Fault Current Limiter sa Mataas na Voltaheng Substation

1 Pagkakakilala

Upang tugunan ang mabilis na lumalaking pangangailangan para sa elektrikong enerhiya, ang mga sistema ng paggawa, pagpapadala, at pagbabahagi ng kuryente ay dapat mag-ugnay-ugnayan nang may katugmaan. Isa sa mga mahalagang isyu na ito'y nagdudulot ng mabilis na pagtaas ng short-circuit currents. Ang pagtaas ng short-circuit currents ay nagdudulot ng ilang panganib:

• overheating ng mga serye-connected devices sa fault path;
• pagtaas ng transient at recovery voltages sa panahon ng pagputol ng kuryente, na maaaring masira ang mga insulation systems;
• pagbuo ng napakataas na mekanikal na puwersa sa coil-based equipment (halimbawa, transformers, generators, reactors);
• potensyal na hindi matatag na sistema depende sa laki at pag-clear ng fault current;
• mga umiiral na circuit breakers ay maaaring hindi na makapag-interrupt sa pinatataas na fault current, na nangangailangan ng mahal na pagpapalit sa oras at pera; upang iwasan ang mga gastos, maaaring limitahan ang parallel power transformers o bawasan ang system interconnectivity, na nakakapinsala sa transmission capacity at system reliability;
• pinatataas na fault currents ay nagpapahaba ng mga corrective actions, na nagreresulta sa mas mahabang outage durations at mas malaking economic losses;
• bawas na grid reliability.

Sa kasalukuyan, tatlong pangunahing solusyon ang magagamit upang mabawasan ang mga epekto:

• pagtatayo ng grid structures na may minimal na probability ng fault;
• paggamit ng circuit breakers na may mas mataas na interrupting capacity o pagpapalit ng mas mahinang breakers sa mas kapakipakinabang;
• pag-modify ng grid upang mabawasan ang short-circuit levels. Isang kombinasyon ng mga solusyon na ito ang karaniwang ginagamit upang makamit ang optimal na network design habang inaasikaso ang system reliability sa tinatanggap na hangganan. Gayunpaman, ang posibilidad ng mga fault ay hindi maaaring lubos na alisin, at ang pagdisenyo ng power equipment batay sa patuloy na pagtaas ng short-circuit currents ay hindi praktikal sa komersyo. Ang ikatlong solusyon ay maaaring higit na hatiin sa:
  • pagbawas ng system interconnectivity (halimbawa, bus splitting);
  • pag-apply ng fault current limiters (FCLs).

Ang pagpapalit ng circuit breakers na may mas mataas na interrupting capacity ay isang mahal na solusyon at maaaring hindi praktikal sa ilang kaso. Bukod dito, ang mga protection systems ay nagpapakita ng pagkaantala sa fault detection batay sa relay specifications. Ang operasyon ng circuit breaker at arc extinction ay hindi instantaneous, na karaniwan ay nangangailangan ng 3–5 cycles upang buong ma-clear ang fault. Bilang resulta, ang fault currents ay karaniwan ay hindi maaaring maputol sa loob ng unang 2–8 cycles pagkatapos ng fault. Sa panahong ito, napakataas na kuryente ang nagpapatakbo sa mga serye-connected devices sa fault path, at kahit ang maikling panahon na ito ay maaaring masira, lalo na sa unang cycle kung saan ang DC component ng fault current ay partikular na mataas.

Ang bus splitting at pagbawas ng system interconnectivity ay maaaring ituring bilang mga alternatibo upang tugunan ang isyung ito. Gayunpaman, sila ay nagpapakilala ng iba pang operational challenges, tulad ng pagbawas ng transmission capacity, pagbabago ng power flow, at pagtaas ng losses. Ang pangangailangan para sa FCLs ay nanggagaling sa kinakailangang protektahan ang mga mahal at vulnerable na equipment. Sa pangkalahatan, lahat ng inihandog na FCL strategies ay batay sa paglalagay ng mataas na impedance sa series path sa panahon ng fault, na may kaunting pagkakaiba lamang sa implementasyon. Ang inaasahang characteristics ng ideal na FCL ay karaniwang:

• napakababang impedance sa normal na kondisyon ng power system;
• paglalagay ng mataas na impedance sa panahon ng fault;
• mabilis na operasyon upang limitahan ang DC component ng fault current;
• kapabilidad para sa maraming operasyon sa maikling panahon at self-recovery;
• walang pagpapakilala ng harmonics sa power system;
• minimization ng transient overvoltages;
• mataas na reliability.

2 Reliability ng Fault Current Limiters

Ang aplikasyon ng FCLs sa mga substation ay karaniwang motibado ng dalawang pangunahing dahilan:

• pag-iwas sa mahal na solusyon ng pagpapalit ng na-instal na circuit breakers sa mga may mas mataas na short-circuit capacity;
• panatilihin ang substation topology at iwasan ang bus splitting dahil sa operational o reliability issues. Sa kasalukuyan, walang reliable sources o references tungkol sa reliability characteristics ng FCLs; kaya, sa pag-aaral na ito, layunin namin na analisahin ang isyung ito sa pamamagitan ng pag-consider ng technical characteristics. Ang ilang FCLs ay gumagamit ng napakompleks na teknolohiya, na maaaring mabawasan ang kanilang reliability.

May iba't ibang uri ng FCLs, kung saan ang resonant-type at superconducting FCLs ang mas prominent.

A. Resonant-Type FCLs

Maraming configurations para sa resonant-type FCLs ang inihandog. Sila ay karaniwang naklasebil bilang series resonant-type at parallel resonant-type FCLs. Ang resonant-type FCLs ay may ilang favorable characteristics para sa fault limitation, kabilang dito:

• Operasyon nang walang pagputol ng kuryente;
• Mabilis na response sa faults;
• Kakayahang mag-carry ng short-circuit current sa panahon ng fault duration;
• Reset capability.

Gayunpaman, ang resonant-type FCLs ay karaniwang binubuo ng maraming components, at ang kabuuang reliability ay depende sa tama na operasyon ng bawat component. Bukod dito, ang ilang resonant-type FCLs ay nangangailangan ng external triggering device, na nangangahulugan ng extra components na kailangan upang magsensing ng short circuit at simulan ang triggering. Ito ay nagpapataas ng system complexity at nagbabawas ng reliability. Kaya, ang self-triggered FCLs ay mas reliable.

B. Superconducting FCLs

Kumpara sa resonant-type FCLs, ang superconducting FCLs ay nangangailangan ng mas kaunti na components at self-triggered. Ang fault current limiting strategy ay simple at batay sa natural behavior ng superconducting materials. Ang superconductivity ay umiiral lamang sa napakababang temperatura, kaya ang superconducting FCLs ay nangangailangan ng karagdagang cooling equipment, na nagpapataas ng investment costs. Ang concept na inihandog sa paper na ito ay limitado sa pag-evaluate ng impact ng FCL application sa substation reliability.

3 Failure Modes ng FCLs

Tulad ng iba pang components sa high-voltage substations, ang FCLs ay nagpapakita ng iba't ibang failure modes na dapat isaalang-alang sa pag-assess ng reliability ng transmission substations na may FCLs. Ang seksyon na ito ay nag-uugnay ng failure rates ng iba't ibang uri ng FCLs.

Mayroong pundamental na ugnayan sa pagitan ng reliability ng buong sistema at ang bilang ng mga subsystems nito, na lahat ay dapat tumunghali nang tama upang makamit ang inaasahang kabuuang function.

• A. Active failure modes
• B. Passive failure modes
• C. Fixed failure modes

Narito, ang FCLs na nangangailangan ng triggering system (externally triggered FCLs) ay may mas mataas na failure rates. Sa pangkalahatan, anumang FCL na nangangailangan ng triggering o commutation ay nangangailangan ng sequential operations ng maraming switching devices, na nangangailangan ng precise synchronization at coordination, na nangangahulugan ng mas mataas na complexity kumpara sa conventional circuit breakers.

Sa resonant-type FCLs (both externally at self-triggered), fixed failure modes maaaring lumitaw dahil sa variations sa resonant element characteristics na dulot ng pagbabago ng operating conditions tulad ng temperatura, o operasyon sa non-rated conditions.

Ang superconducting FCLs ay lamang nagpapakita ng mga ganitong failure modes sa sobrang pag-cool, na bihira nang mangyari. Kaya, maaaring sabihin na ang superconducting FCLs ay hindi talaga may ganitong failure mode. Sa karamihan ng mga kaso, ang superconducting FCLs ay maaaring idisenyo na may predictable parameters at maaaring tanggihan libu-libong activation at recovery cycles. Bukod dito, ang paggamit ng mas maliit na FCLs sa halip na mas malaki ay maaaring mapabuti ang parehong reliability at current-limiting capability. Ang Table 1 ay maikling nag-uugnay ng occurrence rates ng iba't ibang failure modes sa iba't ibang uri ng FCLs.

4 Practical Application

Isang sample substation na ipinapakita sa Fig. 1 ang ginagamit upang i-evaluate ang impact ng pag-implement ng FCLs sa substation reliability. Kilala na ang paggamit ng bus-sectioning circuit breakers upang mamahala sa protection schemes at mapabuti ang flexibility ng substation configurations sa panahon ng maintenance. Kapag ang fault current level sa substation ay lumampas sa interrupting capacity ng mga circuit breakers, ang pagpapalit ng bus-sectioning breaker sa FCL ay naging viable solution. Tunay nga, ang Inter-Bus FCL ay isa sa mga pinakakaraniwang aplikasyon ng FCLs.

Assume na ang lahat ng loads na konektado sa 330 kV bus ay identiko. Ang reliabilitiy assessment ay nakatuon sa Load 1 sa kaliwa 330 kV bus at Load 5 sa kanan 330 kV bus. Ang load reliability ay i-evaluate gamit ang mga sumusunod na indices: (1) Load loss probability (%); (2) Annual outage time (U). Inaasahan na ang 330 kV bus ay fully reliable. Upang iwasan ang hindi kinakailangang calculations, ang mga failure modes na may kasamang simultaneous failure ng higit sa tatlong components ay hindi isinasama. Dahil ang occurrence rate ng mga ganitong failure modes ay napakababa, ang assumption na ito ay hindi nagpapakilala ng significant error.

Ang Table 2 ay nagpapakita ng failure rates at repair times ng mga components. Para sa initial analysis, sisimulan natin ang pag-compute ng reliability indices na may kaugnayan sa kaliwa 330 kV bus. Upang makapagbigay ng maalam at comprehensive comparison, teoretikal na, dapat nating i-compute ang reliability indices para sa lahat ng load points mula L1 hanggang L7. Ngunit, dahil ang mga loads na ito ay similar at konektado sa parehong bus, ang mga ito ay magkakaroon ng similar na failure modes. Kaya, kailangan lamang nating i-compute ang reliability indices para sa Load Point 1 (L1) sa kaliwa bus at Load Point 5 (L5) sa kanan bus.

Tulad ng nabanggit, ang dalawang probabilistic indices ang ginagamit para sa analysis: load loss probability (in f/yr) at annual outage time (in hours/year, A). Ang mga indices na ito ay i-evaluate para sa kaso ng single component failure.

Para sa kaso ng simultaneous failure ng dalawang components, ang equivalent failure rate (λₑ), average outage duration (r), at annual outage time (u) ay inilalarawan bilang sumusunod:

Para sa kaso ng simultaneous failure sa tatlong lebel, ito ay inilalarawan bilang sumusunod:

Sa pag-consider ng lahat ng failure modes, ang kabuuang failure rate at ang kabuuang annual outage time ay maaaring i-compute bilang sumusunod:

Ang Table 3 ay nagpapakita ng resulta ng reliabilitiy analysis para sa mga loads.

Ngayon, ang parehong calculation ay gagawin para sa feeders sa ibang 230 kV bus. Ang Table 4 ay nagpapakita ng resulta na may kaugnayan sa load point LS.

5 Conclusion

Ang paper na ito ay nagpapakita ng aplikasyon ng fault current limiters (FCLs) sa pagpapabuti ng substation reliability, naglalarawan ng mathematical model at procedure para sa reliabilitiy calculation, at nag-evaluate ng impact ng FCL implementation sa substation reliability. Ang mga resulta ay nagpapakita na ang substation reliability ay nabubuhayin sa pamamagitan ng paggamit ng FCLs. Ginawa rin ang sensitivity analysis upang suriin ang impluwensya ng iba't ibang parameters—tulad ng active failure rate, passive failure rate, at repair time ng FCL—sa mga reliability indices.