Анализа на надежноста на ограничителите на фалутантни стрми во високонапонски подстанции

1 Вовед

За да се задоволи брзо растечкиот барање за електрична енергија, системите за производство, пренос и дистрибуција на електроенергија мораат да се развијаат соодветно. Еден од критичните проблеми кои произлегуваат од овој развој е брзата надворешна на токот на кратко поврзување. Повеќето опасности кои произлегуваат од овој пораст на токот на кратко поврзување вклучуваат:

• загревување на сериески поврзаните уреди по патот на грешката;
• повеќетранситорни и вратнички напони во време на прекин на токот, што може да повреди изолационите системи;
• генерирање на екстремно високи механички сили во опремата базирана на цеви (нпр. трансформатори, генератори, реактори);
• потенцијална нестабилност на системот во зависност од големината и временото на клиринг на токот на грешката;
• постојачките прекинувачи можеби вече не се способни да прекинат повеќетокот на грешката, што ја прави потребната скапа замена во време и пари; за да се избегне таков тип трошок, паралелните трансформатори за електроенергија можат да бидат ограничени или се намалува интерконективноста на системот, што компромитира капацитетот на пренос и надежноста на системот;
• повеќетоковите на грешката продлжуваат корективените акции, што доведува до подолг период на прекин на енергијата и повеќе економски загуби;
• намалена надежност на мрежата.

Тренутно, три главни решенија се достапни за намалување на овие ефекти:

• изградба на мрежни структури со минимална веројатност за грешка;
• користење на прекинувачи со повеќе капацитет за прекин или замена на слаби прекинувачи со повеќе способни;
• модификација на мрежата за намалување на нивоата на кратко поврзување. Обично се користи комбинација од овие решенија за постигнување оптимален дизајн на мрежата, додека се одржува надежноста на системот во прифатливи границе. Меѓутоа, можността за грешки никогаш не може да се елиминира целосно, и дизајнирањето на електроопрема засновано на секогаш повеќе токови на кратко поврзување е комерцијално непрактично. Третото решеније може да се подели на:
  • намалување на интерконективноста на системот (нпр. сплитување на барака);
  • апликација на ограничителите на токот на грешката (FCLs).

Замената на прекинувачите со повеќе капацитет за прекин е скапо решение и можеби не е феазибилно во одредени случаи. Поради тоа, системите за заштита покажуваат забава во детекцијата на грешката во зависност од спецификациите на релеот. Операцијата на прекинувачот и гасењето на лукот не се моментални, обично бараат 3-5 циклуси за целосно клиринг на грешката. Затоа, токовите на грешката обично не можат да се прекинат во првите 2-8 циклуси по појава на грешката. Во овој период, многу високи токови текат низ сериески поврзаните уреди по патот на грешката, и дори и овој краток период може да биде разрушителен, особено во првиот циклус кога DC компонентата на токот на грешката е особено висока.

Сплитувањето на барака и намалувањето на интерконективноста на системот може да се сметаат како алтернативи за справување со овој проблем. Меѓутоа, тие воведуваат други оперативни предизвици, како намалена капацитет за пренос, изменет ток на моќта и повеќе загуби. Нуждата за FCLs потекнува од потребата за заштита на скапа и осетлива опрема. Обично, сите предложени стратегии за FCLs се засноваат на вметнување на висок импеданс во сериескиот пат во време на грешка, различавајќи само во имплементација. Желателните карактеристики на идеален FCL обично се:

• многу ниски импеданс во нормални услови на системот за електроенергија;
• вметнување на висок импеданс во време на грешка;
• брза операција за ограничување на DC компонентата на токот на грешката;
• способност за многу операции во кратко време и самоврат;
• нема внесување на хармонии во системот за електроенергија;
• минимизација на транзиторните надворешни напони;
• висока надежност.

2 Надежност на ограничителите на токот на грешката

Апликацијата на FCLs во подстанции обично е мотивирана од две главни причини:

• избегнување на скапото решение за замена на инсталираните прекинувачи со она што имаат повеќе капацитет за кратко поврзување;
• одржување на топологијата на подстанцијата и избегнување на сплитување на барака поради оперативни или надежни причини. Тренутно, нема надежни извори или референци за карактеристиките на надежноста на FCLs; затоа, во ова проучување, нашата цел е да анализираме овој проблем со разгледување на техничките карактеристики. Некои FCLs користат многу комплексни технологии, што може да ги намали нивната надежност.

Постојат различни видови на FCLs, меѓу кои резонантните и свртните FCLs се поизразени.

А. Резонантни FCLs

Биле предложени многу конфигурации за резонантни FCLs. Обично се класифицираат како сериески резонантни и паралелни резонантни FCLs. Резонантните FCLs имаат неколку благоприятни карактеристики за ограничување на грешката, вклучувајќи:

• Операција без прекин на токот;
• Брз одговор на грешката;
• Способност да понесе токот на кратко поврзување во време на грешката;
• Можност за ресет.

Меѓутоа, резонантните FCLs обично се состојат од многу компоненти, и општата надежност зависи од правилната работа на секој компонент. Поради тоа, само-тригерирани FCLs се очигледно повеќе надежни.

В. Свртни FCLs

В споредба со резонантните FCLs, свртните FCLs бараат помалку компоненти и се само-тригерирани. Стратегијата за ограничување на токот на грешката е едноставна и заснована на природното однесување на свртните материјали. Свртноста постои само при многу ниски температури, па свртните FCLs бараат дополнителна опрема за хладење, што го зголемува инвестициона цената. Концептот предложен во овој труд е ограничен на евалуација на влијанието на примената на FCLs на надежноста на подстанцијата.

3 Модели на несправедливост на FCLs

Како и другите компоненти во високонапонските подстанции, FCLs покажуваат различни модели на несправедливост, кои треба да се разгледаат при проценка на надежноста на преносните подстанции со FCLs. Овој дел ги споредува стапките на несправедливост на различните видови на FCLs.

Постои основна врска помеѓу надежноста на целосен систем и бројот на неговите подсистеми, сите кои мораат да работат правилно за да се постигне желаната целосна функција.

• А. Активни модели на несправедливост
• В. Пасивни модели на несправедливост
• Ц. Фиксни модели на несправедливост

Очигледно, FCLs кои бараат систем за тригерирање (екстернално тригерирани FCLs) имаат повеќе стапки на несправедливост. Во општо, секој FCL кој вклучува тригерирање или комутирање вклучува последователни операции на многу прекинувачи, што бара прецизна синхронизација и координација, значително зголемувајќи комплексноста во споредба со конвенционалните прекинувачи.

Во резонантните FCLs (и екстернално и само-тригерирани), фиксни модели на несправедливост може да се појават поради варијации на карактеристиките на резонантниот елемент причинети од промени во оперативните услови како температурата, или работа под нетипични услови.

Свртните FCLs покажуваат такви модели на несправедливост само при прекомерно хладење, што ретко се случува. Затоа, може да се каже дека свртните FCLs в суштина не имаат овој модел на несправедливост. Во повеќето случаи, свртните FCLs можат да се дизајнираат со предвидливи параметри и да изддржат хиљади активација и вратници. Поради тоа, користењето на помали FCLs наместо на големи може да подобри и надежноста и капацитетот за ограничување на токот. Табела 1 кратко ги споредува стапките на појава на различни модели на несправедливост за различни видови на FCLs.

4 Практична примена

Примерна подстанција прикажана на Сл. 1 се користи за евалуација на влијанието на примената на FCLs на надежноста на подстанцијата. Познато е дека во време на одржувание, користењето на прекинувачи за секционирање на барака за управување со системите за заштита и подобрување на флексибилноста на конфигурациите на подстанцијата е заедничка практика. Кога нивото на токот на грешката во подстанцијата надминува капацитетот за прекин на прекинувачите, замена на прекинувачот за секционирање на барака со FCL станува вијабилно решение. Наистина, Inter-Bus FCL е една од најчестите апликации на FCLs.

Претпоставете дека сите натоварувања поврзани со 330 кV барака се идентични. Проценката на надежноста се фокусира на Натоварување 1 на левата 330 кV барака и Натоварување 5 на десната 330 кV барака. Надежноста на натоварувањето се евалуира со следниве индекси: (1) Веројатност за губење на натоварување (%); (2) Годишно време на прекин (U). Бараката 330 кV се претпоставува дека е целосно надежна. За да се избегнат ненужни пресметки, модели на несправедливост кои вклучуваат истовремено несправедување на повеќе од три компоненти не се разгледуваат. Бидејќи стапката на појава на такви модели на несправедливост е многу ниска, оваа претпоставка не внесува значителна грешка.

Табела 2 покажува стапките на несправедливост и времената на поправка на компонентите. За првична анализа, започнуваме со пресметување на индексите на надежност поврзани со левата 330 кV барака. За да се направи информирана и целосна сравненица, теоретски, треба да се пресметаат индексите на надежност за сите точки на натоварување од L1 до L7. Меѓутоа, засhton