Analisi della affidabilità dei limitatori di corrente di cortocircuito nelle sottostazioni ad alta tensione

1 Introduzione

Per soddisfare la rapida crescita della domanda di energia elettrica, i sistemi di generazione, trasmissione e distribuzione dell'energia devono svilupparsi di conseguenza. Uno dei problemi critici che sorge da questo sviluppo è l'aumento rapido delle correnti di cortocircuito. L'aumento delle correnti di cortocircuito porta a diversi pericoli:

• surriscaldamento dei dispositivi in serie lungo il percorso del guasto;
• aumento delle tensioni transitorie e di recupero durante l'interruzione della corrente, che potrebbero danneggiare i sistemi di isolamento;
• generazione di forze meccaniche estremamente elevate nei dispositivi a base di bobine (ad esempio, trasformatori, generatori, reattori);
• possibile instabilità del sistema in funzione dell'entità e del tempo di sgancio della corrente di guasto;
• gli interruttori esistenti potrebbero non essere più in grado di interrompere la corrente di guasto aumentata, rendendo necessarie sostituzioni costose in termini di tempo e denaro; per evitare tali spese, si possono limitare i trasformatori paralleli o ridurre l'interconnessione del sistema, il che compromette la capacità di trasmissione e la affidabilità del sistema;
• le correnti di guasto aumentate prolungano le azioni correttive, portando a interruzioni più lunghe e a perdite economiche maggiori;
• ridotta affidabilità della rete.

Attualmente, sono disponibili tre soluzioni principali per mitigare questi effetti:

• costruire strutture di rete con minima probabilità di guasto;
• utilizzare interruttori con maggiore capacità di interruzione o sostituire interruttori deboli con altri più capaci;
• modificare la rete per ridurre i livelli di cortocircuito. Di solito, una combinazione di queste soluzioni viene impiegata per ottenere un progetto ottimale della rete mantenendo l'affidabilità del sistema entro limiti accettabili. Tuttavia, la possibilità di guasti non può mai essere completamente eliminata, e progettare apparecchiature elettriche basate su correnti di cortocircuito sempre crescenti è commercialmente impraticabile. La terza soluzione può essere ulteriormente suddivisa in:
  • ridurre l'interconnessione del sistema (ad esempio, la divisione della barra);
  • applicare limitatori di corrente di guasto (FCL).

Sostituire gli interruttori con altri dotati di maggiore capacità di interruzione è una soluzione costosa e potrebbe non essere fattibile in alcuni casi. Inoltre, i sistemi di protezione presentano ritardi nella rilevazione dei guasti in base alle specifiche dei relè. L'operazione degli interruttori e l'estinzione dell'arco non sono istantanee, richiedendo tipicamente 3-5 cicli per sganciare completamente un guasto. Di conseguenza, le correnti di guasto di solito non possono essere interrotte entro i primi 2-8 cicli dopo l'insorgenza del guasto. Durante questo periodo, correnti molto elevate fluiscono attraverso i dispositivi in serie lungo il percorso del guasto, e anche questa breve durata può essere distruttiva, specialmente durante il primo ciclo quando la componente continua della corrente di guasto è particolarmente alta.

La divisione della barra e la riduzione dell'interconnessione del sistema possono essere considerate come alternative per affrontare questo problema. Tuttavia, introducono altre sfide operative, come la riduzione della capacità di trasmissione, la modifica del flusso di potenza e l'aumento delle perdite. La necessità di FCL deriva dalla necessità di proteggere attrezzature costose e vulnerabili. In generale, tutte le strategie FCL proposte si basano sull'inserimento di un'impedenza elevata nel percorso in serie durante un guasto, differenziandosi solo nell'implementazione. Le caratteristiche desiderate di un FCL ideale sono generalmente:

• impedenza molto bassa nelle condizioni normali del sistema di potenza;
• inserimento di un'impedenza elevata durante un guasto;
• funzionamento rapido per limitare la componente continua della corrente di guasto;
• capacità di operazioni multiple in un breve tempo e autoricupero;
• nessuna introduzione di armoniche nel sistema di potenza;
• minimizzazione delle sovratensioni transitorie;
• alta affidabilità.

2 Affidabilità dei Limitatori di Corrente di Guasto

L'applicazione di FCL nelle sottostazioni è generalmente motivata da due ragioni principali:

• evitare la soluzione costosa di sostituire gli interruttori installati con quelli dotati di maggiore capacità di cortocircuito;
• mantenere la topologia della sottostazione e evitare la divisione della barra per motivi operativi o di affidabilità. Attualmente, non sono disponibili fonti o riferimenti affidabili sulle caratteristiche di affidabilità degli FCL; pertanto, in questo studio, ci proponiamo di analizzare questo aspetto considerando le caratteristiche tecniche. Alcuni FCL utilizzano tecnologie altamente complesse, che potrebbero ridurne l'affidabilità.

Esistono vari tipi di FCL, tra cui i limitatori di tipo risonante e superconduttivi sono più prominenti.

A. FCL di Tipo Risonante

Sono state proposte numerose configurazioni per FCL di tipo risonante. Sono generalmente classificati come FCL di tipo risonante in serie e FCL di tipo risonante in parallelo. Gli FCL di tipo risonante possiedono diverse caratteristiche favorevoli per la limitazione dei guasti, tra cui:

• funzionamento senza interruzione della corrente;
• risposta rapida ai guasti;
• capacità di gestire la corrente di cortocircuito durante la durata del guasto;
• capacità di reset.

Tuttavia, gli FCL di tipo risonante sono solitamente composti da più componenti, e l'affidabilità complessiva dipende dal corretto funzionamento di ciascun componente. Inoltre, alcuni FCL di tipo risonante richiedono un dispositivo di attivazione esterno, il che significa che sono necessari componenti aggiuntivi per rilevare il cortocircuito e iniziare l'attivazione. Ciò aumenta la complessità del sistema e riduce l'affidabilità. Pertanto, gli FCL auto-attivati sono evidentemente più affidabili.

B. FCL Superconduttivi

In confronto agli FCL di tipo risonante, gli FCL superconduttivi richiedono meno componenti ed sono auto-attivati. La strategia di limitazione della corrente di guasto è semplice e basata sul comportamento naturale dei materiali superconduttivi. La superconduttività esiste solo a temperature molto basse, quindi gli FCL superconduttivi richiedono attrezzature di raffreddamento aggiuntive, aumentando i costi di investimento. Il concetto proposto in questo articolo è limitato alla valutazione dell'impatto dell'applicazione di FCL sull'affidabilità della sottostazione.

3 Modi di Guasto degli FCL

Come altri componenti nelle sottostazioni ad alta tensione, gli FCL presentano diversi modi di guasto che devono essere considerati nella valutazione dell'affidabilità delle sottostazioni di trasmissione che li incorporano. Questa sezione confronta le frequenze di guasto di diversi tipi di FCL.

C'è una relazione fondamentale tra l'affidabilità di un sistema completo e il numero dei suoi sottosistemi, tutti i quali devono funzionare correttamente per ottenere la funzione complessiva desiderata.

• A. Modi di guasto attivi
• B. Modi di guasto passivi
• C. Modi di guasto fissi

Chiaramente, gli FCL che richiedono un sistema di attivazione (FCL attivati esternamente) hanno frequenze di guasto più elevate. In generale, qualsiasi FCL che coinvolge l'attivazione o la commutazione implica operazioni sequenziali di più dispositivi di commutazione, richiedendo sincronizzazione e coordinazione precise, aumentando notevolmente la complessità rispetto agli interruttori convenzionali.

Negli FCL di tipo risonante (sia attivati esternamente che auto-attivati), i modi di guasto fissi possono verificarsi a causa di variazioni nelle caratteristiche degli elementi risonanti causate da cambiamenti nelle condizioni di funzionamento come la temperatura, o l'operazione in condizioni non nominali.

Gli FCL superconduttivi presentano tali modi di guasto solo in caso di raffreddamento eccessivo, che raramente si verifica. Pertanto, si può dire che gli FCL superconduttivi non hanno essenzialmente questo modo di guasto. In molti casi, gli FCL superconduttivi possono essere progettati con parametri prevedibili e resistere a migliaia di cicli di attivazione e recupero. Inoltre, l'uso di FCL più piccoli invece di quelli più grandi può migliorare sia l'affidabilità che la capacità di limitazione della corrente. La tabella 1 confronta brevemente le frequenze di occorrenza di diversi modi di guasto tra vari tipi di FCL.

4 Applicazione Pratica

Una sottostazione campione mostrata nella Figura 1 viene utilizzata per valutare l'impatto dell'implementazione di FCL sull'affidabilità della sottostazione. È noto che durante la manutenzione, l'uso di interruttori di sezionamento della barra per gestire schemi di protezione e migliorare la flessibilità delle configurazioni delle sottostazioni è una pratica comune. Quando il livello di corrente di guasto in una sottostazione supera la capacità di interruzione degli interruttori, la sostituzione dell'interruttore di sezionamento della barra con un FCL diventa una soluzione fattibile. Infatti, l'Inter-Bus FCL è una delle applicazioni più comuni degli FCL.

Si assume che tutti i carichi collegati alla barra 330 kV siano identici. La valutazione dell'affidabilità si concentra sul Carico 1 alla barra 330 kV di sinistra e sul Carico 5 alla barra 330 kV di destra. L'affidabilità del carico viene valutata utilizzando i seguenti indici: (1) Probabilità di perdita del carico (%); (2) Tempo di interruzione annuale (U). Si assume che la barra 330 kV sia completamente affidabile. Per evitare calcoli inutili, non vengono considerati i modi di guasto che coinvolgono la contemporanea rottura di più di tre componenti. Poiché la frequenza di tali modi di guasto è molto bassa, questa assunzione non introduce errori significativi.

La tabella 2 mostra le frequenze di guasto e i tempi di riparazione dei componenti. Per l'analisi iniziale, iniziamo calcolando gli indici di affidabilità associati alla barra 330 kV di sinistra. Per fare un confronto informato e completo, teoricamente dovremmo calcolare gli indici di affidabilità per tutti i punti di carico da L1 a L7. Tuttavia, dato che questi carichi sono simili e collegati alla stessa barra, avranno modi di guasto simili. Pertanto, dobbiamo calcolare gli indici di affidabilità solo per il Punto di Carico 1 (L1) sulla barra di sinistra e il Punto di Carico 5 (L5) sulla barra di destra.

Come menzionato sopra, vengono utilizzati due indici probabilistici per l'analisi: probabilità di perdita del carico (in f/anno) e tempo di interruzione annuale (in ore/anno, A). Questi indici vengono valutati per il caso di guasto di un singolo componente.

Per il caso di guasto simultaneo di due componenti, la frequenza di guasto equivalente (λₑ), la durata media di interruzione (r) e il tempo di interruzione annuale (u) sono espressi come segue:

Per il caso di guasto simultaneo su tre livelli, viene espresso come segue:

Considerando tutti i modi di guasto, la frequenza di guasto totale e il tempo di interruzione annuale totale possono essere calcolati come segue:

La tabella 3 mostra i risultati dell'analisi di affidabilità per i carichi.

Ora, lo stesso calcolo viene eseguito per i feeder sull'altra barra 230 kV. La tabella 4 mostra i risultati relativi al punto di carico LS.

5 Conclusione

Questo articolo presenta l'applicazione dei limitatori di corrente di guasto (FCL) per migliorare l'affidabilità delle sottostazioni, descrive il modello matematico e la procedura per il calcolo dell'affidabilità, e valuta l'impatto dell'implementazione degli FCL sull'affidabilità delle sottostazioni. I risultati indicano che l'affidabilità delle sottostazioni migliora con l'impiego degli FCL. Viene inoltre condotta un'analisi di sensibilità per esaminare l'influenza di vari parametri, come la frequenza di guasto attiva, la frequenza di guasto passiva e il tempo di riparazione degli FCL, sugli indici di affidabilità.