Analisis Kebolehpercayaan Pembatas Arus Kerosakan dalam Substasiun Voltan Tinggi

1 Pengenalan

Untuk memenuhi permintaan tenaga elektrik yang semakin meningkat, sistem penghasilan, penghantaran, dan pengagihan tenaga mesti berkembang secara seiring. Salah satu isu kritikal yang timbul dari perkembangan ini adalah peningkatan pesat dalam arus pendek. Peningkatan arus pendek ini membawa kepada beberapa bahaya:

• panasan berlebihan peranti siri yang terletak di sepanjang laluan kegagalan;
• peningkatan voltan transien dan pemulihan semasa penghentian arus, yang mungkin merosakkan sistem isolasi;
• pembentukan daya mekanikal yang sangat tinggi pada peralatan berdasarkan gegelung (contohnya, transformer, jana, reaktor);
• ketidakstabilan sistem yang mungkin wujud bergantung kepada magnitud dan masa penyelesaian arus kegagalan;
• pemutus litar sedia ada mungkin tidak lagi mampu menghentikan arus kegagalan yang bertambah, menyebabkan penggantian yang mahal dari segi masa dan wang; untuk mengelakkan kos seperti itu, transformer tenaga bersiri mungkin dibatasi atau interkoneksi sistem dikurangkan, yang mengorbankan kapasiti penghantaran dan kebolehpercayaan sistem;
• peningkatan arus kegagalan memanjangkan tindakan pembetulan, menyebabkan tempoh gangguan yang lebih lama dan kerugian ekonomi yang lebih besar;
• penurunan kebolehpercayaan grid.

Saat ini, tiga penyelesaian utama tersedia untuk mengurangkan kesan-kesan ini:

• membina struktur grid dengan kebarangkalian kegagalan minimal;
• menggunakan pemutus litar dengan kapasiti penghentian yang lebih tinggi atau menggantikan pemutus litar yang lemah dengan yang lebih mampu;
• memodifikasi grid untuk mengurangkan tahap arus pendek. Gabungan penyelesaian-penyelesaian ini biasanya digunakan untuk mencapai reka bentuk rangkaian yang optimum sambil mengekalkan kebolehpercayaan sistem dalam had yang boleh diterima. Walau bagaimanapun, kemungkinan kegagalan tidak dapat sepenuhnya dihapuskan, dan merancang peralatan tenaga berdasarkan arus pendek yang semakin meningkat adalah tidak praktikal secara komersial. Penyelesaian ketiga boleh dibahagikan menjadi:
  • mengurangkan interkoneksi sistem (contohnya, pembahagian bus);
  • menggunakan pembatas arus kegagalan (FCLs).

Menggantikan pemutus litar dengan kapasiti penghentian yang lebih tinggi adalah penyelesaian yang mahal dan mungkin tidak praktikal dalam sesetengah kes. Selain itu, sistem perlindungan menunjukkan kelewatan dalam pengesanan kegagalan berdasarkan spesifikasi relay. Operasi pemutus litar dan pemadam ark bukanlah seketika, biasanya memerlukan 3–5 siklus untuk sepenuhnya menyelesaikan kegagalan. Oleh itu, arus kegagalan biasanya tidak dapat dihentikan dalam 2–8 siklus pertama selepas kegagalan berlaku. Semasa tempoh ini, arus yang sangat tinggi mengalir melalui peranti siri di laluan kegagalan, dan walaupun tempoh singkat ini boleh merosakkan, terutamanya semasa siklus pertama apabila komponen DC arus kegagalan sangat tinggi.

Pembahagian bus dan pengurangan interkoneksi sistem boleh dipertimbangkan sebagai alternatif untuk menangani masalah ini. Walau bagaimanapun, ia memperkenalkan cabaran operasi lain, seperti penurunan kapasiti penghantaran, aliran kuasa yang berubah, dan peningkatan kerugian. Kebutuhan untuk FCLs muncul dari keperluan untuk melindungi peralatan yang mahal dan rentan. Secara umumnya, semua strategi FCL yang dicadangkan berdasarkan penyisipan impedans tinggi ke dalam laluan siri semasa kegagalan, berbeza hanya dalam pelaksanaannya. Ciri-ciri yang diinginkan bagi FCL ideal biasanya:

• impedans sangat rendah di bawah keadaan sistem tenaga normal;
• penyisipan impedans tinggi semasa kegagalan;
• operasi cepat untuk membatasi komponen DC arus kegagalan;
• keupayaan untuk pelbagai operasi dalam masa singkat dan pemulihan sendiri;
• tidak memperkenalkan harmonik ke dalam sistem tenaga;
• pengurangan voltan transien;
• kebolehpercayaan tinggi.

2 Kebolehpercayaan Pembatas Arus Kegagalan

Penggunaan FCLs di substation biasanya termotivasi oleh dua sebab utama:

• mengelakkan penyelesaian yang mahal iaitu menggantikan pemutus litar yang dipasang dengan yang mempunyai kapasiti arus pendek yang lebih tinggi;
• mengekalkan topologi substation dan mengelakkan pembahagian bus disebabkan isu operasi atau kebolehpercayaan. Saat ini, tiada sumber atau rujukan yang boleh dipercayai tentang ciri-ciri kebolehpercayaan FCLs; oleh itu, dalam kajian ini, kami bertujuan untuk menganalisis isu ini dengan mempertimbangkan ciri-ciri teknikal. Sesetengah FCLs menggunakan teknologi yang sangat kompleks, yang mungkin mengurangkan kebolehpercayaannya.

Terdapat pelbagai jenis FCLs, di antaranya FCL resonan dan superkonduktor lebih menonjol.

A. FCL Resonan

Banyak konfigurasi telah dicadangkan untuk FCL resonan. Mereka biasanya diklasifikasikan sebagai FCL resonan siri dan FCL resonan selari. FCL resonan mempunyai beberapa ciri yang menguntungkan untuk pembatasan kegagalan, termasuk:

• Operasi tanpa penghentian arus;
• Tanggapan cepat terhadap kegagalan;
• Kemampuan untuk membawa arus pendek semasa tempoh kegagalan;
• Kemampuan reset.

Walau bagaimanapun, FCL resonan biasanya terdiri daripada banyak komponen, dan kebolehpercayaan keseluruhan bergantung pada operasi yang betul setiap komponen. Tambahan pula, sesetengah FCL resonan memerlukan peranti pencetus luaran, bermaksud komponen tambahan diperlukan untuk mengesan arus pendek dan memulakan pencetus. Ini meningkatkan kekompleksan sistem dan mengurangkan kebolehpercayaan. Oleh itu, FCL yang mencetus sendiri jelas lebih boleh dipercayai.

B. FCL Superkonduktor

Berbanding FCL resonan, FCL superkonduktor memerlukan sedikit komponen dan mencetus sendiri. Strategi pembatasan arus kegagalan adalah mudah dan berdasarkan tingkah laku semula jadi bahan superkonduktor. Superkonduktiviti hanya wujud pada suhu yang sangat rendah, jadi FCL superkonduktor memerlukan peralatan pendinginan tambahan, meningkatkan kos pelaburan. Konsep yang dicadangkan dalam kertas ini terhad kepada menilai impak penggunaan FCL terhadap kebolehpercayaan substation.

3 Mod Pemecahan FCLs

Seperti komponen-komponen lain dalam substation voltan tinggi, FCLs menunjukkan mod pemecahan yang berbeza yang perlu dipertimbangkan semasa menilai kebolehpercayaan substation penghantaran yang mengandungi FCLs. Bahagian ini membandingkan kadar pemecahan pelbagai jenis FCLs.

Terdapat hubungan asas antara kebolehpercayaan sistem lengkap dan bilangan sub-sistemnya, semuanya mesti beroperasi dengan betul untuk mencapai fungsi keseluruhan yang diinginkan.

• A. Mod pemecahan aktif
• B. Mod pemecahan pasif
• C. Mod pemecahan tetap

Jelas, FCLs yang memerlukan sistem pencetus (FCL yang dicetus luaran) mempunyai kadar pemecahan yang lebih tinggi. Secara umum, mana-mana FCL yang melibatkan pencetus atau komutasi melibatkan operasi berurutan beberapa peranti beralih, memerlukan penyelarasan dan koordinasi yang tepat, meningkatkan kekompleksan secara signifikan berbanding pemutus litar konvensional.

Dalam FCL resonan (kedua-dua dicetus luaran dan dicetus sendiri), mod pemecahan tetap mungkin timbul akibat variasi ciri elemen resonan yang disebabkan oleh perubahan keadaan operasi seperti suhu, atau operasi di bawah keadaan tidak berperingkat.

FCL superkonduktor hanya menunjukkan mod pemecahan seperti itu apabila pendinginan berlebihan, yang jarang berlaku. Oleh itu, boleh dikatakan bahawa FCL superkonduktor pada dasarnya tidak mempunyai mod pemecahan ini. Dalam kebanyakan kes, FCL superkonduktor boleh direka dengan parameter yang boleh diramal dan tahan ribuan siklus aktivasi dan pemulihan. Selain itu, penggunaan FCL yang lebih kecil berbanding yang lebih besar boleh meningkatkan kedua-dua kebolehpercayaan dan keupayaan pembatasan arus. Jadual 1 membandingkan ringkas kadar berlaku mod pemecahan yang berbeza di antara pelbagai jenis FCL.

4 Aplikasi Praktikal

Substation contoh yang ditunjukkan dalam Gambar 1 digunakan untuk menilai impak pelaksanaan FCLs terhadap kebolehpercayaan substation. Ia diketahui bahawa semasa pemeliharaan, penggunaan pemutus litar pembahagian bus untuk menguruskan skema perlindungan dan meningkatkan fleksibiliti konfigurasi substation adalah amalan biasa. Apabila tahap arus kegagalan di substation melebihi kapasiti penghentian pemutus litar, menggantikan pemutus litar pembahagian bus dengan FCL menjadi penyelesaian yang layak. Memang, FCL Antar-Bus adalah salah satu aplikasi FCL yang paling biasa.

Anggapkan bahawa semua beban yang disambungkan ke bus 330 kV adalah serupa. Penilaian kebolehpercayaan fokus pada Beban 1 di bus 330 kV kiri dan Beban 5 di bus 330 kV kanan. Kebolehpercayaan beban dinilai menggunakan indeks berikut: (1) Kebarangkalian kehilangan beban (%); (2) Masa gangguan tahunan (U). Bus 330 kV diandaikan sepenuhnya boleh dipercayai. Untuk mengelakkan pengiraan yang tidak perlu, mod pemecahan yang melibatkan kegagalan serentak lebih daripada tiga komponen tidak dipertimbangkan. Kerana kadar berlaku mod pemecahan seperti itu sangat rendah, andaian ini tidak memperkenalkan ralat yang signifikan.

Jadual 2 menunjukkan kadar pemecahan dan masa baiki komponen. Untuk analisis awal, kita mula dengan mengira indeks kebolehpercayaan yang berkaitan dengan bus 330 kV kiri. Untuk membuat perbandingan yang mendalam dan menyeluruh, secara teori, kita harus mengira indeks kebolehpercayaan untuk semua titik beban dari L1 hingga L7. Walau bagaimanapun, mengingat beban-beban ini serupa dan disambungkan ke bus yang sama, mereka akan mempunyai mod pemecahan yang serupa. Oleh itu, kita hanya perlu mengira indeks kebolehpercayaan untuk Titik Beban 1 (L1) di bus kiri dan Titik Beban 5 (L5) di bus kanan.

Seperti yang disebutkan di atas, dua indeks probabilistik digunakan untuk analisis: kebarangkalian kehilangan beban (dalam f/tahun) dan masa gangguan tahunan (dalam jam/tahun, A). Indeks ini dievaluasi untuk kes kegagalan komponen tunggal.

Untuk kes kegagalan serentak dua komponen, kadar pemecahan setara (λₑ), purata masa gangguan (r), dan masa gangguan tahunan (u) dinyatakan seperti berikut:

Untuk kes kegagalan serentak pada tiga tahap, ia dinyatakan seperti berikut:

Dengan mempertimbangkan semua mod pemecahan, kadar pemecahan keseluruhan dan masa gangguan tahunan keseluruhan boleh dikira seperti berikut:

Jadual 3 menunjukkan hasil analisis kebolehpercayaan untuk beban-beban tersebut.

Sekarang, pengiraan yang sama dilakukan untuk feeder pada bus 230 kV yang lain. Jadual 4 menunjukkan hasil yang berkaitan dengan titik beban LS.

5 Kesimpulan

Kertas ini memaparkan penggunaan pembatas arus kegagalan (FCLs) dalam meningkatkan kebolehpercayaan substation, menerangkan model matematik dan prosedur pengiraan kebolehpercayaan, dan menilai impak pelaksanaan FCL terhadap kebolehpercayaan substation. Hasil-hasil menunjukkan bahawa kebolehpercayaan substation meningkat dengan penggunaan FCLs. Analisis sensitiviti juga dijalankan untuk meneliti pengaruh pelbagai parameter - seperti kadar pemecahan aktif, kadar pemecahan pasif, dan masa baiki FCL - terhadap indeks kebolehpercayaan.