Analisi tal-Affidabbiltà ta’ Limitawri tal-Kurrent tal-Ħalijiet f’Sottostazzjonijiet tal-Tens għal Voltiġġ Alta

1 Introduzzjoni

Biex tisoddisfa l-domanda kbira ta’ energija elektrika li qed tigdil rapidament, is-sistemi ta’ ġenerazzjoni, trasferiment u distribuzzjoni tal-enerġija għandhom jiżviluppaw f’mudan. Wieda minn dan il-ġid, huwa l-għalb kbir fil-kurrenti ta’ qisqarċirkit. L- żid fid-daqxiet ta’ qisqarċirkit jiġġenera bosta hazards:

• iskantallament tal-apparataturi serjali lung il-pereġu tal-falt;
• żid fil-voltiġġi transjentijiet u ta’ rikuperazzjoni waqt it-tqassim tal-kurrent, li jistgħu jsirbu sistemi ta’ isolament;
• ġenrazzjoni ta’ forzi mekanika ħafna fit-tielet tal-apparataturi bsata fuq spirali (pereżempju, transformaturi, ġeneraturi, reatturi);
• instabbiltà potenzjali tas-sistema skont l-ammont ta’ kurrent ta’ falt u d-durata ta’ sħiħa tal-falt;
• l-interruptors esistenti ma jistgħux ikunu jkunu qabili biex jinteqqisu l-kurrent ta’ falt imżid, li jneħħeż is-sostituzzjonijiet kostanti fid-dinja u ftit; biex tikbier dawn il-speġi, jistgħu jiġu limitati l-transformaturi tal-enerġija parallela jew inqas il-konektività tas-sistema, li jkomprova l-kapaċità ta’ trasferiment u r-affidabilità tas-sistema;
• l-kurrenti ta’ falt imżid jipprolungjaw l-açjonijiet korettivi, li jiġu lill-interrupmenti fl-erġa ta’ tidwel u l-ħsara ekonomika akbar;
• ridda fid-din fid-rete.

Attwalment, huma disponibbli tliet soluzzjonijiet prinċipali biex tniċċel l-effetti:

• konstruzzjoni ta’ strutturi tal-graflu bl-aċċidenti tal-falt minimi;
• l-użu tal-interruptors b’kapacita ta’ interruzzjoni iktar kbira jew is-sostituzzjoni tal-interruptors doli bl-oħrajn aktar kapabili;
• modifikazzjoni tal-graflu biex tniċċel livelli ta’ qisqarċirkit. Soluzzjonijiet ta’ din is-silġ solitament jiġu impiegati biex jagħmlu disegnu ottimal tal-netwerk sammeta l-affidabilità tas-sistema f’limits mitejja. Isemma, l-ipotizz tal-falt ma jistgħux jiġu eliminati affattwa, u l-disinn tal-apparataturi tal-enerġija bsata fuq kurrenti ta’ qisqarċirkit imżid mhux prattikabbli kommertzjalment. Is-soluzzjoni terta’ tista’ tkun divisa l-aktar fi:
  • tniċċel l-interkonnektivita’ tas-sistema (pereżempju, split tas-bus);
  • l-użu ta’ limitaturi tal-kurrenti ta’ falt (FCLs).

Is-sostituzzjoni tal-interruptors b’kapacita ta’ interruzzjoni iktar kbira hija soluzzjoni kostanti u ma jistgħux tkun prattikabbli f’dawn il-każijiet. B’ħal aktar, is-sistemi ta’ protezzjoni jimmutawwad fid-detekzjoni tal-falt skont is-speċifikazzjonijiet tal-relaj. L-operazzjoni tal-interruptor u l-estinzjoni tal-qaws ma jkunux instanta, normalment jiħtieġu 3–5 cikli biex is-sħiħa tal-falt tkompli. Kif konsegwenza, l-kurrenti ta’ falt solitament ma jistgħux jinteqqisu wara l-ewwel 2–8 cikli wara l-avviż tal-falt. Wara d-durata, kurrenti ħafna jfittxu lung apparataturi serjali lung il-pereġu tal-falt, u anki d-durata qasira tista’ tkun distruttiva, speċjalment wara l-ewwel ciklu meta l-komponent DC tal-kurrent ta’ falt huwa partiwar ħafna.

Il-split tas-bus u l-interkonnektivita’ tas-sistema inqas jistgħu jiġu kunsiderati bhal alternativi biex jindirizzaw din il-problema. Isemma, huma jintroduċu sfidijiet operattivi oħra, bħal l-kapaċità ta’ trasferiment inqas, l-flus tal-enerġija modifikat, u l-ħsara zghar. Il-necessita’ għal FCLs toħroġ mill-bisogna ta’ protezzjoni tal-apparataturi kostanti u vulnerabbli. Ġeneralement, kull strategija proposta ta’ FCL hija bsata fuq l-inseriment ta’ impedanza ħafna lung il-pereġu serjali waqt il-falt, differenti biss fis-silġ ta’ implementazzjoni. Il-karatteristiċi desiderati ta’ FCL ideali solitament huma:

• impedanza ħafna ħafna ta’ kondizioni normali tas-sistema tal-enerġija;
• l-inseriment ta’ impedanza kbira waqt il-falt;
• operazzjoni veloċi biex tlimita l-komponent DC tal-kurrent ta’ falt;
• kapabilità ta’ operazzjonijiet multipli wara l-ewwel ħin u l-rigenerazzjoni ta’ xellug;
• mhux introduzzjoni ta’ armoniki għal is-sistema tal-enerġija;
• minimizazzjoni tal-voltiġġi transjenti;
• affidabilità ħafna.

2 Affidabilità ta’ Fault Current Limiters

L-applikazzjoni ta’ FCLs f’sottostazjonijiet tipikament hi motivata minn żewġ raġunijiet prinċipali:

• ivvitjar is-soluzzjoni kostanti ta’ sostituzzjoni tal-interruptors installati b’oħrajn b’kapacita ta’ qisqarċirkit iktar kbira;
• is-soddisfa topoloġija tas-sottostazjoni u ivvitjar is-split tas-bus għal raġunijiet operattivi jew affidabilità. Attwalment, ma jkunux disponibbli sorsi u referenzi affidabbli dwar l-affidabilità ta’ karatteristiċi ta’ FCLs; b’hekk, f’din l-istudju, nagħmlu l-obbjettività ta’ analizzu ta’ din il-problema biex nikkonsidraw l-karatteristiċi tekniki. Dawn il-FCLs bażati fuq teknoloġiji ħafna komplikati, li jistgħu jiġu ridotti l-affidabilità tagħhom.

Huma diversi tipi ta’ FCLs, minn fejn il-resonant-type u superconducting FCLs huma aktar prominenti.

A. Resonant-Type FCLs

Ħafna konfigurazzjonijiet ta’ FCLs ta’ tip resonant ġew proponuti. Huma ġeneralment klassifikati bħala series resonant-type u parallel resonant-type FCLs. Il-FCLs ta’ tip resonant għandhom bosta karatteristiċi favurabbli għal limitazzjoni tal-falt, inkluż:

• Operazzjoni mingħajr interruzzjoni tal-kurrent;
• Rispons veloċi għal falts;
• Abilità biex jportjaw il-kurrent ta’ falt waqt id-durata tal-falt;
• Kapabilità ta’ reset.

Isemma, il-FCLs ta’ tip resonant ġeneralment huma bsata fuq komponenti multipli, u l-affidabilità komplet dipendi mill-operazzjoni korretta ta’ kull komponent. B’hekk, xi FCLs ta’ tip resonant irridu dispożitiv estern ta’ trigger, li ifisser komponenti extra neċessarji biex jidher il-falt u jivvjaġġaw l-avviż. Dan jiżdied il-komplikazzjoni tas-sistema u jniċċel l-affidabilità. B’hekk, il-FCLs ta’ avviż automati huwa evidenti aktar affidabili.

B. Superconducting FCLs

Salv il-FCLs ta’ tip resonant, il-FCLs superconducting irridu komponenti inqas u huma ta’ avviż automati. Il-strategija ta’ limitazzjoni tal-kurrent ta’ falt hija sempliċi u bsata fuq il-komportament naturali tal-materiali superconducting. Il-superconductivity tiftakkar biss f’temperaturi ħafna bażi, u kif konsegwenza, il-FCLs superconducting irridu attrezzatura addizzjonali ta’ raffreddament, li jiżdied speġi investiment. Il-konċett propost f’dan il-paper huwa limitat għal evalwazzjoni tal-impatt tal-applikazzjoni ta’ FCLs fuq l-affidabilità tas-sottostazjoni.

3 Modi ta’ falliment tal-FCLs

Kif l-ebda komponent f’sottostazjonijiet ta’ voltàġġ għoli, il-FCLs jippreżentaw modi diffrenti ta’ falliment li għandhom jiġu kunsiderati meta nvalutaw l-affidabilità tas-sottostazjonijiet ta’ trasferiment li jinkludu FCLs. Din is-silġ tiffara l-tasso ta’ failur ta’ tipi diffrenti ta’ FCLs.

Huwa relazzjoni fundamentali bejn l-affidabilità ta’ sistema komplet u l-numru ta’ sottosistemi tagħha, kollha li għandhom jagħmlu l-affarijiet korrettament biex jisodisfaw l-funzjonalità komplet desiderata.

• A. Modi ta’ falliment attivi
• B. Modi ta’ falliment passivi
• C. Modi ta’ falliment fissi

Evidentement, il-FCLs li rridu sistema ta’ avviż (externally triggered FCLs) għandhom tasso ta’ failur iktar kbir. B’hekk, kull FCL involvanti avviż jew commutation involvanti operazzjonijiet sequenziali ta’ dispożitiv multipli ta’ switch, li jirridu koordinazzjoni u sinkronizzazzjoni preċiża, jiżdied il-komplikazzjoni barra mill-interruptors konvenzjonali.

Fl-FCLs ta’ tip resonant (bażi externament u avviż automati), il-modi ta’ falliment fissi jistgħu jiġu mgħadda minn varjazzjonijiet fid-karatteristiċi tal-element resonant minħabba bidliet fid-kondizzjonijiet operattivi kif l-temperatur, jew l-operazzjoni ta’ non-rated kondizzjonijiet.

Il-FCLs superconducting jippreżentaw dawn il-modi ta’ falliment biss waqt il-raffreddament eccessiv, li jarri rare. B’hekk, jistgħu jqisu li l-FCLs superconducting mhumiex għal dawn il-modi ta’ falliment. Fl-aktar każijiet, l-FCLs superconducting jistgħu jiġu disinnati b’parametri prevedibili u jisbirgħu alfijiet ta’ sikli ta’ attivazzjoni u rigenerazzjoni. B’hekk, l-użu ta’ FCLs iktar Żgħar l-aktar kbir jipprovdi bosta affidabilità u kapabilità ta’ limitazzjoni tal-kurrent. Tabel 1 tiffara brevement l-incidenza ta’ modi diffrenti ta’ failur fl-FCLs ta’ tip diffrenti.

4 Applikazzjoni Prattika

Sottostazjoni ta’ esempijar mostrata f’Fig. 1 tiġi użata biex tivaluta l-impatt tal-implementazzjoni ta’ FCLs fuq l-affidabilità tas-sottostazjoni. Huwa notevoli li waqt il-manutenzjoni, l-użu tal-breakers ta’ bus-sectioning biex jmanadgħu skemi ta’ protezzjoni u jżidu l-flessibilità tas-sistemi tas-sottostazjoni huwa prattika ħafna magħrufa. Meta l-livell ta’ kurrent ta’ falt f’sottostazjoni jiġi superat mill-kapaċità ta’ interruzzjoni tal-breakers, is-sostituzzjoni tal-breaker ta’ bus-sectioning b’FCL tista’ tkun soluzzjoni possibbli. Infatti, Inter-Bus FCL huwa wieda minn l-applikazzjonijiet ta’ FCLs.

Assummu li kollox tal-loads mikonnessi mal-330 kV bus huma identiċi. L-valutazzjoni tal-affidabilità tikkonsentra fuq Load 1 fil-330 kV bus tal-lemin u Load 5 fil-330 kV bus tad-demin. L-affidabilità tal-load tievalwat permezz tal-indici segwenti: (1) Probabbiltà ta’ ħsara tal-load (%); (2) Durata ta’ interrupment annwali (U). Il-330 kV bus huwa assummut bħal affidabili totalment. Biex ivvitjaw l-kalkulazzjonijiet mhux neċessarji, il-modi ta’ failur involvanti l-falliment simultanju ta’ aktar minn tliet komponenti ma jkunux kunsiderati. Skont li l-incidenza ta’ dawn il-modi ta’ failur hija ħafna qasira, din l-assumpzzjoni ma tintrudux erġa signifikanti.

Tabel 2 turi l-tasso ta’ failur u l-ħin ta’ riparazzjoni tal-komponenti. Għal l-analiżi inizjali, nibdew bil-kalkul tal-indici ta’ affidabilità assosjati mal-330 kV bus tal-lemin. Biex niġibu l-analiżi infurma u komprensiva, teoretikament, għandna nkalkulaw l-indici ta’ affidabilità għal punti ta’ load minn L1 sa L7. Isemma, għal li dawn il-loads huma simili u mikonnessi mal-bus stess, huma jkunu għandhom modi ta’ failur simili. B’hekk, għandna nkalkulaw l-indici ta’ affidabilità għal Load Point 1 (L1) fil-bus tal-lemin u Load Point 5 (L5) fil-bus tad-demin biss.

Kif qegħdin noħlqu, żewġ indici probabilistici ġew użati għal l-analiżi: probabbiltà ta’ ħsara tal-load (f/annum) u durata ta’ interrupment annwali (fi orijenti/annum, A). Dawn l-indici jiġu evalwati għal każ ta’ failur ta’ komponent wahid.

Għal każ ta’ failur simultanju ta’ żewġ komponenti, il-tasso ta’ failur ekvivalent (λₑ), il-ħin medju ta’ interrupment (r), u l-ħin ta’ interrupment annwali (u) jiġu espresi hekk:

Għal każ ta’ failur simultanju ta’ tri livelli, huwa espres hekk:

Fil-konsiderazzjoni ta’ kollox modi ta’ failur, il-tasso ta’ failur totali u l-ħin ta’ interrupment annwali totali jistgħu jiġu kalkulati hekk:

Tabel 3 turi l-riżultati ta’ analiżi tal-affidabilità għal loads.

Issa, il-kalkul istess jiġi effettwat għal feeders fuq l-iktar 230 kV bus. Tabel 4 turi l-riżultati relatati mal-load point LS.

5 Konkluzzjoni

Din il-paġna tippresenta l-applikazzjoni ta’ fault current limiters (FCLs) biex tniċċel l-affidabilità tas-sottostazjoni, tdeskriw il-model matematiku u l-proċedura għal kalkul ta’ affidabilità, u tivalwa l-impatt tal-implementazzjoni ta’ FCLs fuq l-affidabilità tas-sottostazjoni. Ir-riżultati jindikaw li l-affidabilità tas-sottostazjoni tiġi mniċċla mill-użu ta’ FCLs. Analiżi ta’ sensitività ukoll jiġi effettwat biex jiġi studjat l-impatt ta’ parametri diffrenti – kif tasso ta’ failur attivi, tasso ta’ failur passivi, u l-ħin ta’ riparazzjoni tal-FCL – fuq l-indici ta’ affidabilità.