ניתוח אמינות של מגבילי זרם פגיעה בתחנות מתח גבוה

1 מבוא

כדי לעמוד בדרישה המהירה לגידול בצריכת חשמל, מערכות ייצור, העברת וחלוקת החשמל צריכות להתפתח בהתאם. אחת מהבעיות הקריטיות הנובעות מתהליך זה היא עלייה מהירה בזרמי קצר-مدار. עלייה זו בזרמי קצר-مدار מובילה למספר סיכונים:

• חימום של מכשירים מחוברים בסדר לאורך מסלול התקלה;
• עלייה במתחים זמניים ובתחיית מתח במהלך הפסקת הזרם, שיכולים להזיק למערכות בידוד;
• יצירה של כוחות מכניים גבוהים מאוד בציוד מבוסס קוי (לדוגמה, טרנספורמרים, גנרטורים, ריאקטורים);
• -instability פוטנציאלית של המערכת בהתאם לגודל והזמן של הסרת הזרם של התקלה;
• מעגלים קוטעים קיימים עשויים לא להיות מסוגלים להפסיק את הזרם המוגדל של התקלה, מה שמצריך החלפות יקרות בזמן ובכסף; כדי למנוע נזקים כאלה, ניתן להגביל טרנספורמרים מקבילים או להפחית את התאמה בין מערכות, מה שמגביר את יכולת ההעברה והאמינות של המערכת;
• זרמי תקלה מוגדלים מאריכים את זמן הפעולות החופרניות, מה שגורם לתקופות ניתוק ארוכות יותר ונזקים כלכליים גדולים יותר;
• היווצרות אמינות מצומצמת של הרשת.

כיום, שלוש פתרונות עיקריים זמינים להפחתת השפעות אלו:

• בניית מבני רשת עם הסתברות תקלה מינימלית;
• שימוש במעגלים קוטעים בעלי יכולת הפסקה גבוהה יותר או החלפת מעגלים קוטעים חלשים בחדשים חזקים יותר;
• שינוי הרשת כדי להפחית את רמות הקצר-مدار. בדרך כלל משתמשים בשילוב של פתרונות אלה כדי להשיג עיצוב רשת אופטימלי תוך שמירה על אמינות מערכת בתנאים סבירים. עם זאת, האפשרות לתקלות לעולם לא יכולה להיפסק לחלוטין, ועיצוב ציוד חשמל על בסיס זרמי קצר-مدار מגברים אינו מעשי מסחרית. הפתרון השלישי יכול להתחלק ל:
  • הפחתת התאמה בין מערכות (לדוגמה, חלוקת אוטובוס);
  • יישום מגבולי זרם תקלה (FCLs).

החלפת מעגלים קוטעים בבעלי יכולת הפסקה גבוהה יותר היא פתרון יקר ואינה תמיד אפשרית. בנוסף, מערכות הגנה מראות עיכובים בהבחנה בתקלות בהתאם למגבלות הרגליים. פעולת מעגל הקוטע והכיבוי של קשת האור הם לא מיידיים, ולרוב נדרשים 3-5 מחזורים להסרת התקלה באופן מלא. לכן, זרמי תקלה בדרך כלל אינם יכולים להיפסק בתוך שני-שמונה המחזורים הראשונים אחרי תקלה. במהלך תקופה זו, זרמים גבוהים מאוד עוברים דרך מכשירים מחוברים בסדר במסלול התקלה, ואפילו תקופה קצרה זו יכולה להיות הרסנית, במיוחד במהלך המחזור הראשון כאשר רכיב ה-D.C של זרם התקלה הוא גבוה במיוחד.

חלוקה של אוטובוס והפחתת התאמה בין מערכות יכולות להיחשב כתחליף לטיפול בעניין. עם זאת, הן מכניסות אתגרים תפעוליים אחרים, כגון הפחתת יכולת ההעברה, שינוי זרימת הכוח והגדלת ההפסדים. הצורך ב-FCLs נובע מהצורך להגן על ציוד יקר ופגיע. בדרך כלל, כל האסטרטגיות המוצעות של FCL מבוססות על הכנסת עמידות גבוהה למסלול הסדר במהלך תקלה, והן שונות רק במימוש. התכונות המבוקשות של FCL אידיאלי הן בדרך כלל:

• עמידות נמוכה מאוד בתנאי מערכת חשמל נורמליים;
• הכנסת עמידות גבוהה במהלך תקלה;
• פעולת מהירה להגביל את רכיב ה-D.C של זרם התקלה;
• יכולת לבצע פעולות מרובות תוך זמן קצר ולהתאושש;
• לא להכניס הרמוניות למערכת החשמל;
• הקטנת מתחים זמניים;
• אמינות גבוהה.

2 אמינות מגבולי זרם תקלה

היישום של FCLs בתחנות משנה בדרך כלל ממניעים שניים עיקריים:

• הימנעות מהפתרון היקר של החלפת מעגלים קוטעים מותקנים בבעלי יכולת קצר-مدار גבוהה יותר;
• שמירת הטופולוגיה של תחנת המשנה והימנעות מחילוק אוטובוס בשל בעיות תפעוליות או אמינות. כיום, אין מקורות או הפניות אמינים לגבי מאפייני האמינות של FCLs; לכן, במחקר זה אנו מנסים לנתח את הבעיה הזו באמצעות שיקולים טכנולוגיים. חלק מה-FCLs משתמשים בטכנולוגיות מורכבות מאוד, שעשויות להפחית את האמינות שלהם.

ישנם סוגים שונים של FCLs, בהם FCLs משוננים ו-FCLs על-מADMconductors הם יותר בולטים.

א. FCLs משוננים

הוצעו מספר קונפיגורציות עבור FCLs משוננים. הם מסווגים בדרך כלל כ-FCLs משוננים בסדר ו-FCLs משוננים מקבילים. FCLs משוננים מיצגים מספר מאפיינים חיוביים להגבלת תקלות, כולל:

• פעולת ללא הפסקת זרם;
• תגובה מהירה לתקלות;
• יכולת לשאת זרם קצר-مدار במהלך תקלה;
• יכולת איפוס.

עם זאת, FCLs משוננים בדרך כלל מורכבים מרכיבים מרובים, והאמינות הכללית תלויה בפעולתם הנכונה של כל רכיב. בנוסף, חלק מה-FCLs המשוננים דורשים מכשיר יצירה חיצוני, מה שאומר שהן זקוקות לרכיבים נוספים להבחנה בקצר-مدار ולהתחיל את היצירה. זה מגביר את מורכבות המערכת ומפחית את האמינות. לכן, FCLs המפעילים את עצמם הם בבירור יותר אמינים.

ב. FCLs על-מADMconductors

בהשוואה ל-FCLs משוננים, FCLs על-מADMconductors דורשים פחות רכיבים והם מפעילים את עצמם. האסטרטגיה להגביל זרם תקלה פשוטה ומבוססת על ההתנהגות הטבעית של חומרים על-מADMconductors. על-מADMconductivity קיים רק בטמפרטורות נמוכות מאוד, כך ש-FCLs על-מADMconductors דורשים ציוד יקיר נוסף, מה שמגביר את ההשקעה. המושג המוצע במאמר זה מוגבל להערכת השפעת יישום FCL על אמינות תחנת המשנה.

3 מצבים של כשל של FCLs

כמו רכיבים אחרים בתחנות משנה בעומסים גבוהים, FCLs מראים מצבים שונים של כשל שצריכים להיחשב בהערכת האמינות של תחנות המשנה שמשתמשות ב-FCLs. בפרק זה משווים את שיעורי הכשל של סוגי שונים של FCLs.

יש קשר בסיסי בין האמינות של מערכת שלמה למספר תת-המערכות שלה, כולן צריכות לפעול נכון כדי להשיג את הפונקציה הכוללת המבוקשת.

• א. מצבים של כשל פעיל
• ב. מצבים של כשל פסיבי
• ג. מצבים של כשל קבוע

ברור ש-FCLs הדורשים מערכת יצירה (FCLs מופעלים חיצונית) יש להם שיעורי כשל גבוהים יותר. באופן כללי, כל FCL המעריך יצירה או החלפה כולל פעולות סדרתיות של מכשירי החלפה מרובים, הדורשים סינכרון וקואורדינציה מדוייקים, מה שמגביר את המורכבות בהשוואה למעגלים קוטעים קונבנציונליים.

ב-FCLs משוננים (גם מופעלים חיצונית וגם מפעילים את עצמם), מצבים של כשל קבועים יכולים להיווצר עקב שינויים במאפייני אלמנט הרזוננס כתוצאה משינויים בתנאי הפעולה כמו טמפרטורה, או פעולה בתנאים שאינם מדורגים.

FCLs על-מADMconductors מראים מצבים כאלה רק בהקרנה יתרה, מה שקורה לעיתים רחוקות. לכן, ניתן לומר ש-FCLs על-מADMconductors בעיקרון לא מראים מצב זה של כשל. ברוב המקרים, ניתן לתכנן FCLs על-מADMconductors עם פרמטרים צפויים ולעמוד במאות אלפי מחזורים של פעילות והתאוששות. בנוסף, שימוש ב-FCLs קטנים במקום גדולים יכול לשפר את האמינות ואת יכולת הגבלת הזרם. טבלה 1 משווה בקצרה את שיעורי התרחשות מצבים שונים של כשל בסוגים שונים של FCLs.

4 יישום מעשי

תחנת משנה דוגמית המוצגת בציור 1 משמשת להערכת השפעת יישום FCLs על אמינות תחנת המשנה. ידוע כי במהלך תחזוקה, נהוג להשתמש במעגלים קוטעים חלוקת אוטובוס לניהול תוכניות הגנה לשיפור גמישות תחנות המשנה. כאשר רמת הזרם של התקלה בתחנת המשנה עולה על יכולת הפסקת המעגלים הקוטעים, החלפת מעגל הקוטע חלוקת האוטובוס ב-FCL היא פתרון אפשרי. אכן, FCL בין אוטובוסים הוא אחד היישומים הנפוצים ביותר של FCLs.

נניח שכל העומסים המחוברים לאוטובוס 330 kV הם זהים. הערכה של אמינות עומסים מתמקדת בעומס 1 באוטובוס 330 kV השמאלי ובעומס 5 באוטובוס 330 kV הימני. אמינות עומסים נמדדת באמצעות מדדים הבאים: (1) הסתברות אובדן עומס (%); (2) זמן ניתוק שנתי (U). מניחים כי אוטובוס 330 kV הוא אמין לחלוטין. כדי להימנע לחישובים מיותרים, מצבים של כשל המערבים כשל של יותר משלושה רכיבים בו זמנית אינם נלקחים בחשבון. מכיוון שההסתברות להתרחשות מצבים כאלה היא מאוד נמוכה, הנחה זו אינה מכניסה שגיאה משמעותית.

טבלה 2 מציגה את שיעורי הכשל והזמן של תיקון הרכיבים. עבור ניתוח ראשוני, מתחילים בחישוב המדדים של האמינות המرتبطים עם אוטובוס 330 kV השמאלי. כדי לבצע השוואה מדעית ומקיפה, באופן תיאורטי צריך לחשב את מדדי האמינות לכל נקודות העומס מ-L1 עד L7. עם זאת, בהינתן שהעומסים הללו דומים ומחוברים לאותו אוטובוס, הם יהיו במצבים של כשל דומים. לכן, די לחשב את מדדי האמינות עבור נקודת עומס 1 (L1) באוטובוס השמאלי ונקודת עומס 5 (L5) באוטובוס הימני.

כפי שהוזכר לעיל, שני מדדים הסתברותיים משמשים לנתח: הסתברות אובדן עומס (ב-f/yr) וזמן ניתוק שנתי (ב-shours/year, A). המדדים האלו נמדדים במקרה של כשל של רכיב יחיד.

במקרה של כשל בו זמנית של שני רכיבים, השיעור השקול של כשל (λₑ), זמן ניתוק ממוצע (r), וזמן ניתוק שנתי (u) מתבטאים כך:

במקרה של כשל בו זמנית בשלושה רמות, הוא מתבטא כך:

בהתחשב בכל מצבים של כשל, שיעור הכשל הכולל והזמן השנתי הכולל של ניתוק יכולים לחושב כך:

טבלה 3 מציגה את תוצאות ניתוח האמינות לעומסים.

עכשיו מבצעים את אותו חישוב עבור המשוברים באוטובוס 230 kV השני. טבלה 4 מציגה את התוצאות הקשורות לנקודת עומס LS.

5 סיכום

מאמר זה מציג את יישום מגבולי זרם תקלה (FCLs) להגברת האמינות של תחנות משנה, מתאר את המודל המתמטי והשיטה לחישוב אמינות, ומערך הערכה להשפעת יישום FCL על אמינות תחנות המשנה. התוצאות מצביעות על כך שהאמינות של תחנות המשנה משתפרת באמצעות שימוש ב-FCLs. ניתוח רגישות גם מתבצע כדי לבדוק את השפעת פרמטרים שונים, כגון שיעור כשל פעיל, שיעור כשל פסיבי, וזמן תיקון של FCL, על מדדי האמינות.