Analiza pouzdanosti ograničitelja strujnih grešaka u visokonaponskim podstanicama

1 Uvod

Kako bi se ispunio brzo rastući potraznja za električnom energijom, sustavi proizvodnje, prijenosa i distribucije moraju se razvijati u skladu s tim. Jedan od ključnih problema koji iz toga proizlazi jest brz porast strujnih krugova. Porast strujnih krugova dovodi do nekoliko opasnosti:

• pregrejavanje serijski povezanih uređaja duž putanje greške;
• porast privremene i oporavne napona tijekom prekida struje, što može oštetiti sustave izolacije;
• stvaranje ekstremno visokih mehaničkih sila u bobinama (na primjer, transformatori, generatori, reaktori);
• potencijalna nestabilnost sustava ovisno o veličini i vremenu otkrivanja strujnog kruga;
• postojeći prekidaci više nisu sposobni prekidati porast strujnog kruga, što zahtijeva skupone zamjene u vremenu i novcu; kako bi se takve troškove izbjegle, paralelni transformatori možda trebaju biti ograničeni ili smanjena povezanost sustava, što kompromitira kapacitet prijenosa i pouzdanost sustava;
• porast strujnih krugova produžuje korektivne radnje, što dovodi do dužih prekida i većih gospodarskih gubitaka;
• smanjena pouzdanost mreže.

Trenutno, postoje tri glavna rješenja za umanjenje ovih učinaka:

• izgradnja mrežnih struktura s minimalnom vjerojatnošću greške;
• korištenje prekidaca s većom mogućnošću prekida ili zamjena slabijskih prekidaca s moćnijima;
• modifikacija mreže za smanjenje razina strujnih krugova. Obično se kombiniraju ova rješenja kako bi se postigao optimalni dizajn mreže uz održavanje pouzdanosti sustava unutar prihvatljivih granica. Međutim, mogućnost grešaka nikada se ne može potpuno eliminirati, a dizajniranje električnih uređaja na osnovu stalno rastućih strujnih krugova nije trgovinsko praktično. Treće rješenje može se dalje podijeliti u:
  • smanjenje povezanosti sustava (na primjer, dijeljenje busa);
  • primjena ograničitelja strujnih krugova (FCL-ovi).

Zamjena prekidaca s većom mogućnošću prekida je skupa rješenja i u nekim slučajevima može biti nerealizabilna. Nadalje, sustavi zaštite pokazuju kašnjenja u otkrivanju grešaka ovisno o specifikacijama releja. Rad prekidaca i gasenje luka nisu trenutni, obično zahtijevaju 3-5 ciklusa da bi se potpuno otklonila greška. Stoga, strujni krugovi obično se ne mogu prekinuti unutar prvih 2-8 ciklusa nakon pojavljivanja greške. Tijekom tog vremenskog perioda, vrlo visoke struje teku kroz serijski povezane uređaje duž putanje greške, i čak i ta kratka trajanja može biti uništavajuća, posebno tijekom prvog ciklusa kada je DC komponenta strujnog kruga posebno visoka.

Dijeljenje busa i smanjena povezanost sustava mogu se smatrati alternativama za rješavanje ovog problema. Međutim, one uvode druge operativne izazove, poput smanjenog kapaciteta prijenosa, promijenjenog toka snage i povećanih gubitaka. Potreba za FCL-ovima nastaje iz nužnosti zaštite skupih i ranjivih uređaja. Općenito, sva predložena FCL strategija temeljena su na umetanju visokog impedansa u serijsku putanju tijekom greške, razlikuju se samo u implementaciji. Željene karakteristike idealnog FCL-a obično su:

• vrlo niski impedans u normalnim uvjetima rada električnog sustava;
• umetanje visokog impedansa tijekom greške;
• brzi rad za ograničavanje DC komponente strujnog kruga;
• mogućnost više radnji unutar kratkog vremenskog perioda i samovraćanje;
• bez uvodnja harmonika u električni sustav;
• minimalizacija privremenih prekomjernih napona;
• visoka pouzdanost.

2 Pouzdanost ograničitelja strujnih krugova

Primjena FCL-ova u pretvorima obično je motivirana dvije glavne razloga:

• izbjegavanje skupog rješenja zamjene instaliranih prekidaca s onima s većom mogućnošću prekida strujnih krugova;
• zadržavanje topologije pretvoru i izbjegavanje dijeljenja busa zbog operativnih ili pouzdanih razloga. Trenutno, nema pouzdanih izvora ili referenci o pouzdanim karakteristikama FCL-ova; stoga, u ovom istraživanju ciljamo analizirati ovaj problem uzimajući u obzir tehničke karakteristike. Neki FCL-ovi koriste vrlo složene tehnologije, što može smanjiti njihovu pouzdanost.

Postoji različitih tipova FCL-ova, među kojima su rezonantni i nadprovodni FCL-ovi najviše istaknuti.

A. Rezonantni FCL-ovi

Predloženo je mnogo konfiguracija rezonantnih FCL-ova. Općenito se klasificiraju kao serijeski rezonantni i paralelni rezonantni FCL-ovi. Rezonantni FCL-ovi posjeduju nekoliko povoljnih karakteristika za ograničavanje grešaka, uključujući:

• Rad bez prekida struje;
• Brz odgovor na greške;
• Mogućnost nositi strujni krug tijekom trajanja greške;
• Vraćanje na stanje.

Međutim, rezonantni FCL-ovi obično se sastoje od više komponenata, a ukupna pouzdanost ovisi o ispravnom radu svake pojedine komponente. Također, neki rezonantni FCL-ovi zahtijevaju vanjski aktivirajući uređaj, što znači da su potrebne dodatne komponente za otkrivanje strujnog kruga i iniciranje aktivacije. To povećava složenost sustava i smanjuje pouzdanost. Stoga, FCL-ovi koji se sami aktiviraju očito su pouzdaniji.

B. Nadprovodni FCL-ovi

U usporedbi s rezonantnim FCL-ovima, nadprovodni FCL-ovi zahtijevaju manje komponenata i automatski se aktiviraju. Strategija ograničavanja strujnog kruga jednostavna je i temeljena na prirodnom ponašanju nadprovodnih materijala. Nadprovodnost postoji samo na vrlo niskim temperaturama, pa nadprovodni FCL-ovi zahtijevaju dodatnu hlađenje opremu, što povećava investicijske troškove. Koncept predložen u ovom radu ograničen je na procjenu utjecaja primjene FCL-ova na pouzdanost pretvoru.

3 Načini propusta FCL-ova

Poput drugih komponenti u visokonaponskim pretvorima, FCL-ovi imaju različite načine propusta koje treba uzeti u obzir prilikom procjene pouzdanosti pretvoru s FCL-ovima. Ovaj odjeljak uspoređuje stopu propusta različitih tipova FCL-ova.

Postoji fundamentalni odnos između pouzdanosti kompletnog sustava i broja njegovih podskupova, svi od kojih moraju točno raditi kako bi se postigla željena ukupna funkcija.

• A. Aktivni načini propusta
• B. Pasivni načini propusta
• C. Fiksni načini propusta

Očito, FCL-ovi koji zahtijevaju sistem aktivacije (vanjski aktivirani FCL-ovi) imaju višu stopu propusta. Općenito, bilo koji FCL koji uključuje aktivaciju ili komutaciju uključuje sekvencijalne radnje više prekidačkih uređaja, što zahtijeva preciznu sinkronizaciju i koordinaciju, znatno povećavajući složenost u usporedbi s konvencionalnim prekidacima.

U rezonantnim FCL-ovima (oba vanjski i sami aktivirani), fiksni načini propusta mogu nastati zbog varijacija karakteristika rezonantnih elemenata uzrokovanih promjenama u radnim uvjetima, poput temperature, ili rada pod neratednim uvjetima.

Nadprovodni FCL-ovi pokazuju takve načine propusta samo u slučajevima prekomjernog hlađenja, što rijetko događa. Stoga se može reći da nadprovodni FCL-ovi u biti nemaju ovaj način propusta. U većini slučajeva, nadprovodni FCL-ovi mogu se dizajnirati s predvidljivim parametrima i održati tisuće ciklusa aktivacije i oporavka. Nadalje, korištenje manjih FCL-ova umjesto većih može poboljšati i pouzdanost i mogućnost ograničavanja struje. Tablica 1 kraće uspoređuje stupnjeve pojavljivanja različitih načina propusta različitih tipova FCL-ova.

4 Praktična primjena

Prikazano je primjer pretvore na slici 1 kako bi se procijenio utjecaj primjene FCL-ova na pouzdanost pretvore. Poznato je da se tijekom održavanja koriste prekidaci za dijeljenje busa za upravljanje shemama zaštite i poboljšanje fleksibilnosti konfiguracija pretvore. Kada razine strujnih krugova u pretvoru premaši mogućnost prekida prekidaca, zamjena prekidaca za dijeljenje busa s FCL-om postaje moguće rješenje. Zapravo, Inter-Bus FCL je jedna od najčešćih primjena FCL-ova.

Pretpostavimo da su svi opterećenja povezani sa 330 kV busom identični. Procjena pouzdanosti fokusira se na Opterećenje 1 na lijevom 330 kV busu i Opterećenje 5 na desnom 330 kV busu. Pouzdanost opterećenja procjenjuje se koristeći sljedeće indekse: (1) Vjerojatnost gubitka opterećenja (%); (2) Godišnje vrijeme prekida (U). 330 kV bus se pretpostavlja da je potpuno pouzdan. Da bi se izbjegli nepotrebni izračuni, načini propusta koji uključuju istovremeni propust više od tri komponente nisu uzeti u obzir. Budući da je stopa pojavljivanja takvih načina propusta vrlo niska, ova pretpostavka ne uvodi značajnu pogrešku.

Tablica 2 prikazuje stope propusta i vremena popravka komponenti. Za početnu analizu, počnemo izračunavanjem indeksa pouzdanosti vezanih za lijevi 330 kV bus. Da bi se izvršio informiran i sveobuhvatan usporedba, teorijski bi trebali izračunati indekse pouzdanosti za sve točke opterećenja od L1 do L7. Međutim, budući da su ta opterećenja slična i povezana na isti bus, imat će slične načine propusta. Stoga nam je potrebno izračunati indekse pouzdanosti samo za točku opterećenja 1 (L1) na lijevom busu i točku opterećenja 5 (L5) na desnom busu.

Kao što je gore navedeno, za analizu koriste se dva vjerojatnosna indeksa: vjerojatnost gubitka opterećenja (u f/godinu) i godišnje vrijeme prekida (u satima/godinu, A). Ovi indeksi su procijenjeni za slučaj propusta jedne komponente.

Za slučaj istovremenog propusta dvije komponente, ekvivalentna stopa propusta (λₑ), prosječno vrijeme prekida (r) i godišnje vrijeme prekida (u) izražavaju se na sljedeći način:

Za slučaj istovremenog propusta na tri razina, izražava se na sljedeći način:

Uzimajući u obzir sve načine propusta, ukupna stopa propusta i ukupno godišnje vrijeme prekida mogu se izračunati na sljedeći način:

Tablica 3 prikazuje rezultate analize pouzdanosti za opterećenja.

Sada se isti izračun izvršava za isporuke na drugom 230 kV busu. Tablica 4 prikazuje rezultate vezane za točku opterećenja LS.

5 Zaključak

Ovaj rad predstavlja primjenu ograničitelja strujnih krugova (FCL-ova) u poboljšanju pouzdanosti pretvoru, opisuje matematički model i postupak za izračun pouzdanosti, te procjenjuje utjecaj primjene FCL-ova na pouzdanost pretvoru. Rezultati pokazuju da se pouzdanost pretvore poboljšava korištenjem FCL-ova. Izvedena je i analiza osjetljivosti kako bi se ispitalo utjecaj različitih parametara, poput stope aktivnih propusta, stope pasivnih propusta i vremena popravka FCL-ova, na indekse pouzdanosti.