Magasfeszültsű alakítók hibajáram-korlátozóinak megbízhatósági elemzése

1 Bevezetés

Az elektrikus energia gyorsan növekvő igényének kielégítése érdekében a villamosenergia-termelés, -átviteli és -elosztási rendszerek fejlődésre szorulnak. Ezen fejlődés egyik kritikus kérdése a rövidzárló áramok gyors növekedése. A rövidzárló áramok emelkedése több veszélyt is jelent:

• a hibavonalon sorban kapcsolt eszközök túlmelegedése;
• a folyamatmegszakítás közbeni átmeneti és helyreálló feszültségek növekedése, ami károsíthatja az izolációs rendszereket;
• nagyon magas mechanikai erők generálása tekercs-alapú berendezésekben (pl. transzformátorok, generátorok, reaktorok);
• a hibafolyam lehetséges instabilitása a hibafolyam nagyságától és tisztítási idejétől függően;
• a meglévő átkapcsolók már nem képesek lehetnek a növekedett hibafolyam megszakítására, ami költséges cseréket tesz szükségessé időben és pénzben; ezeket a költségeket elkerülendő korlátozhatók a párhuzamosan működő transzformátorok vagy csökkenthető a rendszer összeköttettsége, ami kompromisszumot jelent a továbbítási kapacitás és a rendszer megbízhatóságának terén;
• a növekedett hibafolyamok hosszabbítják a javítási intézkedéseket, ami hosszabb kiesési időt és nagyobb gazdasági veszteségeket eredményez;
• a hálózat megbízhatóságának csökkenése.

Jelenleg három fő megoldás áll rendelkezésre ennek a hatásnak enyhítésére:

• hálózati szerkezetek építése minimális hibavalószínűséggel;
• magasabb megszakítókapacitású átkapcsolók használata vagy a gyengébb átkapcsolók cseréje képességekkel rendelkezőkre;
• a hálózat módosítása a rövidzárló szintek csökkentésére. Ezeknek a megoldásoknak a kombinációja általában alkalmazandó optimális hálózattervezés érdekében, miközben a rendszer megbízhatóságát elfogadható határok között tartják. Ugyanakkor a hibák teljes kivonása sosem lehetséges, és a folyamatosan növekedő rövidzárló áramok alapján történő villamos berendezések tervezése gazdaságilag nem praktikus. A harmadik megoldást tovább oszthatjuk:
  • a rendszer összeköttettségének csökkentése (pl. buszosztás);
  • hibajáradék-korlátozók (FCL-ek) alkalmazása.

A magasabb megszakítókapacitású átkapcsolók cseréje költséges megoldás, amely bizonyos esetekben nem realisztikus. Továbbá, a védelmi rendszerek a relék specifikációja alapján mutatnak késleltetést a hiba felismerésében. Az átkapcsolók működése és ívkioltása nem azonnali, általában 3–5 ciklusig tart teljesen tiszta hibát. Ennek eredményeként a hibafolyam általában nem szakítható meg az első 2–8 ciklusban a hiba bekövetkezése után. Ez alatt nagyon magas áramok áramlanak a sorban lévő eszközökön, és még ez a rövid idő is károsíthat, különösen az első ciklusban, amikor a hibafolyam DC komponense különösen magas.

A buszosztás és a rendszer összeköttettségének csökkentése alternatív megoldás lehet ezen probléma kezelésére. Ugyanakkor más működési kihívásokat is bevezet, mint például a továbbítási kapacitás csökkenése, a teljesítményáram változása és a veszteségek növekedése. Az FCL-ek szükségessége a drága és sebezhető eszközök védelméből adódik. Általánosságban, minden előterjesztett FCL stratégia a sorban lévő útvonalba nagy ellenállás beszúrását hibás viselkedés esetén alapozza, csak a végrehajtási módja tér el. Egy ideális FCL kívánt jellemzői általában a következők:

• nagyon alacsony ellenállás normál villamos rendszer-feltételek mellett;
• nagy ellenállás beszúrása hiba esetén;
• gyors működés a hibafolyam DC komponensének korlátozása érdekében;
• többszörös működés képessége rövid idő alatt és saját regenerálódás;
• harmonikus hullámok bevezetésének kizárása a villamos rendszerbe;
• átmeneti túlfeszültségek minimalizálása;
• magas megbízhatóság.

2 Hibajáradék-korlátozók megbízhatósága

Az FCL-ek alkalmazása átalakóállomásokban általában két fő okból indokolódik:

• a telepített átkapcsolók költséges megoldásának elkerülése, amelyeket magasabb rövidzárló-kapacitással kellene cserélni;
• az átalakóállomás topológiajának fenntartása és a buszosztás elkerülése működési vagy megbízhatósági okokból. Jelenleg nincsenek megbízható források vagy referenciák az FCL-ek megbízhatósági jellemzőiről; ezért ebben a tanulmányban a technikai jellemzők figyelembevételével szándékozunk ezt a kérdést elemzésre bocsátani. Néhány FCL nagyon összetett technológiát alkalmaz, ami csökkentheti a megbízhatóságát.

Léteznek különböző típusú FCL-ek, amelyek közül a rezgésteremtő típusú és a szupravezető FCL-ek a legismertebbek.

A. Rezgésteremtő típusú FCL-ek

Számos konfiguráció jutott előre a rezgésteremtő típusú FCL-ekhez. Általában soros rezgésteremtő típusú és párhuzamos rezgésteremtő típusú FCL-ek között osztják. A rezgésteremtő típusú FCL-ek több kedvező jellemzővel bírnak a hiba korlátozásához, beleértve:

• működést áramszakítás nélkül;
• gyors válasz a hibákra;
• képességet a rövidzárló áram viszonylag hosszú idejű továbbítására a hiba időtartama alatt;
• visszaállítási képességet.

Ugyanakkor a rezgésteremtő típusú FCL-ek általában több komponensből állnak, és az egész megbízhatósága a mindegyik komponens helyes működésétől függ. Továbbá, néhány rezgésteremtő típusú FCL külső triggerező eszközt igényel, ami azt jelenti, hogy extra komponensekre van szükség a rövidzárló érzékelésére és a triggerezés indítására. Ez növeli a rendszer összetettségét és csökkenti a megbízhatóságot. Tehát az önindító FCL-ek nyilvánvalóan megbízhatóbbak.

B. Szupravezető FCL-ek

Összevetésképpen a rezgésteremtő típusú FCL-ekkel, a szupravezető FCL-ek kevesebb komponensből állnak és önindítóak. A hibajáradék-korlátozó stratégia egyszerű, és a szupravezető anyagok természetes viselkedésére alapul. A szupravezetés csak nagyon alacsony hőmérsékleten létezik, tehát a szupravezető FCL-ek további hűtőberendezéseket igényelnek, ami növeli a befektetési költségeket. A cikkben bemutatott konceptus korlátozva marad a FCL-ek alkalmazásának hatásának kiértékelésére az átalakóállomások megbízhatóságának terén.

3 FCL-ek hibamódjai

Mint a többi komponens a magfeszültségű átalakóállomásokban, az FCL-ek is különböző hibamódokat mutatnak, amelyeket figyelembe kell venni a hálózati átalakóállomások megbízhatóságának kiértékelésekor. Ez a szakasz összehasonlítja különböző típusú FCL-ek hibarátait.

Van egy alapvető összefüggés a teljes rendszer megbízhatósága és az alrendszer száma között, amelyek mindegyike helyesen kell, hogy működjön a kívánt teljes funkció eléréséhez.

• A. Aktív hibamódok
• B. Passzív hibamódok
• C. Fix hibamódok

Egyértelmű, hogy a triggerező rendszert igénylő FCL-ek (külsőleg triggerezett FCL-ek) magasabb hibaráttal rendelkeznek. Általánosságban, bármilyen FCL, amely triggerezést vagy kommutációt igényel, több kapcsolóeszköz sorozatos működését igényli, ami pontos szinkronizációt és koordinációt igényel, ami jelentősen növeli a komplexitást a hagyományos átkapcsolókkal szemben.

A rezgésteremtő típusú FCL-eknél (mind külsőleg, mind önindítóan), fix hibamódok fordulhatnak elő a rezgésteremtő elem jellemzőinek változása miatt, melyek a működési feltételek (pl. hőmérséklet) vagy nem nominális feltételek működtetése során változnak.

A szupravezető FCL-ek csak túlzott hűtés esetén mutatják ezt a hibamódot, ami ritkán fordul elő. Így azt mondhatjuk, hogy a szupravezető FCL-ek lényegében nem rendelkeznek ezzel a hibamóddal. A legtöbb esetben a szupravezető FCL-ek előre meghatározott paraméterekkel tervezhetők, és több ezer aktiválási és helyreállítási ciklust képesek kivitelezni. Továbbá, a kisebb FCL-ek használata a nagyobbak helyett javíthatja a megbízhatóságot és a folyam-korlátozó képességet. Táblázat 1 röviden összehasonlítja a különböző hibamódok előfordulási rátaját a különböző FCL-típusok között.

4 Gyakorlati alkalmazás

Egy mintaállomást, amelyet 1. ábrán láthatunk, használtunk az FCL-ek alkalmazásának hatásának kiértékelésére az átalakóállomás megbízhatóságán. Jól ismert, hogy a karbantartás során a buszosztó átkapcsolók használata a védelmi sémák kezelésére és az állomás konfigurációinak rugalmasságának növelésére gyakori gyakorlat. Ha az állomásban a hibafolyam szintje meghaladja az átkapcsolók megszakítókapacitását, a buszosztó átkapcsoló cseréje FCL-re egy lehetséges megoldás. Valóban, a Buszon belüli FCL az FCL-ek leggyakrabban alkalmazott formája.

Tegyük fel, hogy a 330 kV buszhoz csatlakoztatott minden terhelés azonos. A megbízhatósági kiértékelés a bal oldali 330 kV busz 1-es terhelésére és a jobb oldali 330 kV busz 5-ös terhelésére összpontosít. A terhelés megbízhatóságát a következő mutatók segítségével értékeljük: (1) Terhelés elvesztési valószínűsége (%); (2) Éves kiesési idő (U). A 330 kV busz teljes megbízhatóságúnak tekinthető. Unnecessarily számítások elkerülése érdekében, a több mint három komponens egyszerre bekövetkező hibamódokat nem vesszük figyelembe. Mivel ilyen hibamódok előfordulási ráta nagyon alacsony, ez az elvi feltételezés nem okoz jelentős hibát.

Táblázat 2 a komponensek hibarátait és javítási idejét mutatja. Az elején a bal oldali 330 kV busz megbízhatósági mutatóit számítjuk. Ahhoz, hogy informált és átfogó összehasonlítást tegyünk, elméletileg a L1-től L7-ig terjedő minden terheléspont megbízhatósági mutatóit kellene kiszámítanunk. Ugyanakkor, mivel ezek a terhelések hasonlóak és ugyanahhoz a buszhoz vannak csatlakoztatva, hasonló hibamódokkal rendelkeznek. Ezért csak a bal oldali busz 1-es (L1) és a jobb oldali busz 5-ös (L5) terheléspontjának megbízhatósági mutatóit kell kiszámítanunk.

Ahogy fentebb említettük, két valószínűségi mutatót használtunk az elemzéshez: a terhelés elvesztési valószínűsége (f/év-ben) és az éves kiesési idő (órában/év, A). Ezek a mutatók a komponensenkénti hiba esetén kerültek kiértékelésre.

Két komponens egyszerre bekövetkező hiba esetén az ekvivalens hibaráta (λₑ), átlagos kiesési idő (r) és az éves kiesési idő (u) a következőképpen fejezhetők ki:

Három szinten egyszerre bekövetkező hiba esetén a következőképpen fejezhetők ki:

Minden hibamód figyelembevételével a teljes hibaráta és az éves kiesési idő a következőképpen számítható:

Táblázat 3 a terhelések megbízhatósági elemzésének eredményeit mutatja.

Most ugyanezt a számítást végzem a másik 230 kV busz tápegységeire. Táblázat 4 az LS terhelésponttal kapcsolatos eredményeket mutatja.

5 Következtetés

Ez a cikk a hibajáradék-korlátozók (FCL-ek) alkalmazását mutatja be az átalakóállomások megbízhatóságának növelésére, leírja a megbízhatósági számítás matematikai modelljét és eljárását, és kiértékeli a FCL-ek alkalmazásának hatását az állomások megbízhatóságán. Az eredmények azt mutatják, hogy a FCL-ek alkalmazása javítja az állomások megbízhatóságát. Egy érzékenységi elemzést is végzünk, amely a különböző paraméterek, mint például a FCL aktív hibaráta, passzív hibaráta és javítási ideje, hatását vizsgálja a megbízhatósági mutató