Yfirlit yfir áreiðanleika straumtakmarkara í hágildis spennustöðum

1 Inngangur

Til að mæta hröðlega vaxandi dreif fyrir raforku verður orkuframleiðsla, flutningur og dreifing að bætast samhliða. Einn af stærstu spurningum sem kemur upp með þessari þróun er hröð vaxandi straumar á skammtengingar. Hækkan í skammtengingarstraumum leiðir til nokkurra hættuástanda:

• ofvarming tölulegra tengda rafrænna eigna á skammtengingarleiðinni;
• hækkað efni yfirgangs- og endurvirkisvoltage við straumhvila, sem gæti skemmt insulation kerfi;
• framleiðsla sérstaklega hárra mekanískra krafta í spoenubundnu tæki (t.d. umrýmja, gerðarafræn, reaktor);
• möguleg óstöðugleiki kerfisins eftir magni og hreiningartíma skammtengingarstraums;
• núverandi circuit breakers munu ekki lengur vera á möguleikum að hætta á hækkaðum skammtengingarstraumi, sem hefur kostnaðarmikla bylgur í tíma og peningum; til að undan komast slíkum kostnaðarmiklum geta parallel power transformers verið takmarkaðir eða system interconnectivity minnkað, sem brotar umflutningskapas og system reliability;
• hækkt skammtengingarstraumur lengir réttindi aðgerða, sem leifir til lengri útburðartíma og stærri fjárhagsverðbréfu;
• minnkað grid reliability.

Nú eru þrjár aðal lausnir tiltækar til að lágmarka þessa áhrif:

• byggðu netkerfi með lægsta líkindi á villu;
• nota circuit breakers með hærri hættuþróunarkapas eða skipta út veikari breakers með mun kraftmiklu;
• breyta netinu til að minnka skammtengingarlevels. Samsett af þessum lausnum er venju notað til að ná bestu netkerfi með því að halda system reliability innan samþykktar marka. En hættan af villu má aldrei alveg eyða, og hönnun power equipment á milli hækkaðum skammtengingarstraumum er ekki hugmyndalegt. Þriðja lausnin er hægt skipt í:
  • minnka system interconnectivity (t.d. bus splitting);
  • nota fault current limiters (FCLs).

Skipta út circuit breakers með hærri hættuþróunarkapas er dýr lausn og gæti ekki verið hægt í sumum tilvikum. Auk þess, protection systems sýna hættu í að finna villu eftir relay specifications. Circuit breaker operation og arc extinction er ekki augljóst, venju þarf 3–5 cycles til að fullkomlega hreina villu. Því miður, skammtengingarstraumur er venju ekki hægt að hætta á fyrstu 2–8 cycles eftir villu. Í þessum tíma, mjög há straumar fara í gegnum series devices á skammtengingarleiðinni, og jafnvel þessi stuttur tími getur verið eyðendur, sérstaklega í fyrsta cycle þegar DC component af skammtengingarstraumi er sérstaklega hátt.

Bus splitting og minnkað system interconnectivity geta verið notuð sem alternatíf til að leysa þetta máls. En þau bera aðrar rekstursauðveldi, eins og minnkað umflutningskapas, breytt power flow, og hækkt tap. Þörfin fyrir FCLs kemur frá þörf til að tryggja kostnaðarmikla og sveimtækt tæki. Venju eru allar tilboðnar FCL strategies byggðar á að setja hæga impedance í series path á villu, munast aðeins í framkvæmd. Önskuðar eiginleikar ideal FCL eru venju:

• mjög lága impedance undir normal power system conditions;
• setja hæga impedance á villu;
• hraða aðgerð til að lágmarka DC component af skammtengingarstraumi;
• geta fyrir mörga aðgerðir innan stuttar tíma og sjálfs-endurheimt;
• ekki setja harmonics í power system;
• lágmarka transient overvoltages;
• há reliability.

2 Reliability of Fault Current Limiters

Notkun FCLs í substation er venju motað af tveim aðal orsökum:

• undan komast dýru lausnunni að skipta út stilltu circuit breakers með þeim sem hafa hærri short-circuit capacity;
• halda substation topology og undan komast bus splitting vegna reksturs eða reliability issues. Nú er engin staðfesta upplýsingar eða referansar á reliability characteristics of FCLs; þannig að í þessari rannsókn ætlum við að greina þetta máls með að skoða teknilegar eiginleikar. Sumir FCLs nota mjög flókna teknologíu, sem gæti lágmarkað reliability þeirra.

Það eru ýmsar tegundir af FCLs, meðal annars resonant-type og superconducting FCLs sem eru frekar fremur.

A. Resonant-Type FCLs

Margar skipanir fyrir resonant-type FCLs hafa verið tilboðnar. Þau eru venju flokkuð sem series resonant-type og parallel resonant-type FCLs. Resonant-type FCLs hafa nokkrar góðar eiginleika fyrir villu lágmarka, eins og:

• Aðgerð án straumhvíldar;
• Hrað svör við villu;
• Geta borið skammtengingarstraum á villutíma;
• Reset capability.

En resonant-type FCLs hafa venju margar hluti, og allsherjar reliability fer eftir réttu aðgerð hvors hluts. Auk þess, sumir resonant-type FCLs þurfa external triggering device, sem þýðir að auka hluti eru nauðsynlegir til að skrá skammtengingar og byrja triggering. Þetta hækkar system complexity og lágmarkar reliability. Þannig eru self-triggered FCLs augljóst meiri reliability.

B. Superconducting FCLs

Samanborðað við resonant-type FCLs, superconducting FCLs þurfa færri hluti og eru self-triggered. Villu lágmarka strategy er einfald og byggð á náttúrulegu hætti superconducting materials. Superconductivity er aðeins til við mjög lága hita, svo superconducting FCLs þurfa auka kjólakerfi, sem hækkar investeringskostnað. Konseptið sem tilboðið er í þessu rit er takmarkað við að meta áhrif FCL application á substation reliability.

3 Failure Modes of FCLs

Sama og aðrar hluti í high-voltage substations, FCLs sýna mismunandi failure modes sem ætti að skoða við að meta reliability transmission substations með FCLs. Þessi kafla samanburðar failure rates mismunandi tegunda af FCLs.

Það er grunnlíkan samhengi milli reliability af fullkomnu system og fjölda hans subsystems, allir sem þurfa að virka rétt til að ná önskuðu allsherjar function.

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

Augljóst, FCLs sem þurfa triggering system (externally triggered FCLs) hafa hærri failure rates. Venju, allir FCLs sem involvira triggering eða commutation involvira sequential operations af mörgum switching devices, sem þurfa nákvæm synchronization og coordination, sem hækkar mjög complexity samanburði við conventional circuit breakers.

Í resonant-type FCLs (both externally and self-triggered), fixed failure modes geta komið upp vegna mismunandi resonant element characteristics vegna breytinga á operating conditions eins og hita, eða aðgerð undir non-rated conditions.

Superconducting FCLs sýna bara slíka failure modes við of miklar kjól, sem sjaldan kemur fyrir. Þannig, getur verið sagt að superconducting FCLs munu ekki hafa þessa failure mode. Venju, geta superconducting FCLs verið hönnuð með forspurnar parameters og standa þúsundir activation og recovery cycles. Auk þess, notkun minni FCLs í stað stærri getur bætt bæði reliability og current-limiting capability. Tabel 1 samanburðar kort occurrence rates mismunandi failure modes á mismunandi FCL types.

4 Practical Application

Dæmi substation sýnt í Fig. 1 er notuð til að meta áhrif implement FCLs á substation reliability. Það er vel þekkt að á viðhaldi, er notuð bus-sectioning circuit breakers til að stjórna protection schemes og bæta flexibility substation configurations. Þegar skammtengingarstraumur í substation fer yfir hættuþróunarkapas circuit breakers, skipta út bus-sectioning breaker með FCL verður hægt lausn. Í raun, Inter-Bus FCL er ein af algengustu notkun FCLs.

Gerum ráð fyrir að allar loads tengdar 330 kV bus séu eins. Reliability assessment fokuserar á Load 1 á vinstra 330 kV bus og Load 5 á hægra 330 kV bus. Load reliability er metin með eftirfarandi indices: (1) Load loss probability (%); (2) Annual outage time (U). 330 kV bus er gerð ráð fyrir að vera fully reliable. Til að undan komast óþarfa reikninga, failure modes sem involvira samhliða failure af fleiri en þremur hlutum er ekki skoðað. Þar sem occurrence rate af slíkum failure modes er mjög lágt, þetta ráð tekur ekki tillit til mikill villa.

Tabel 2 sýnir failure rates og repair times hluta. Fyrir upphaflega grein, byrjum við með að reikna reliability indices tengd vinstra 330 kV bus. Til að gera informað og fullkomlegt samanburð, skyldum við venju reikna reliability indices fyrir allar load points frá L1 til L7. En, gefið að þessar loads eru likar og tengdir sama bus, munu þær hafa líka failure modes. Þannig, þurfum við aðeins að reikna reliability indices fyrir Load Point 1 (L1) á vinstra bus og Load Point 5 (L5) á hægra bus.

Svo sem nefnt var, tvö probabilistic indices eru notuð fyrir grein: load loss probability (í f/yr) og annual outage time (í klst/ár, A). Þessi indices eru metin fyrir case af single component failure.

Fyrir case af samhliða failure af tveimur hlutum, er equivalent failure rate (λₑ), average outage duration (r), og annual outage time (u) skýrt sem eftirfarandi:

Fyrir case af samhliða failure á þremur stigum, er skýrt sem eftirfarandi:

Með að skoða allar failure modes, er total failure rate og total annual outage time hægt að reikna sem eftirfarandi:

Tabel 3 sýnir reliability analysis results fyrir loads.

Nú, sama reikningur er gert fyrir feeders á öðrum 230 kV bus. Tabel 4 sýnir niðurstöður tengd load point LS.

5 Ályktun

Þetta rit lýsir notkun fault current limiters (FCLs) í aukning substation reliability, lýsir mathematical model og procedure fyrir reliability calculation, og metur áhrif FCL implementation á substation reliability. Niðurstöður bendi að substation reliability er aukið með notkun FCLs. Sensitivity analysis er einnig gert til að skoða áhrif mismunandi parameters—sem active failure rate, passive failure rate, og repair time of the FCL—á reliability indices.