Betrouwbaarheidsanalyse van stroombeperkers in hogespanningsstations

1 Inleiding

Om aan de snel groeiende vraag naar elektrische energie te voldoen, moeten de systemen voor elektriciteitsopwekking, -overdracht en -distributie zich evenredig ontwikkelen. Een van de kritische problemen die hieruit voortvloeien, is de snelle toename van kortsluitsstromen. De stijging van kortsluitsstromen leidt tot verschillende gevaren:

• oververhitting van serie-verbonden apparaten langs het foutpad;
• toegenomen tijdelijke en herstelspanningen tijdens de stroomonderbreking, wat isolatiesystemen kan beschadigen;
• het genereren van uiterst hoge mechanische krachten in spoelapparatuur (bijvoorbeeld transformatoren, generatoren, reactors);
• potentiële systeeminstabiliteit afhankelijk van de grootte en schakeltijd van de foutstroom;
• bestaande circuitbrekers kunnen mogelijk niet langer de toegenomen foutstroom onderbreken, waardoor kostbare vervangingen nodig zijn in termen van tijd en geld; om dergelijke kosten te vermijden, kunnen parallelle transformators beperkt worden of de systeeminterconnectiviteit verlaagd, wat de overdrachtcapaciteit en betrouwbaarheid van het systeem compromitteert;
• toegenomen foutstromen verlengen correctieve acties, wat leidt tot langere storingstijden en grotere economische verliezen;
• verminderde netwerkbetrouwbaarheid.

Momenteel zijn er drie hoofdoplossingen beschikbaar om deze effecten te verlichten:

• het bouwen van netwerkstructuren met minimale foutkans;
• het gebruik van circuitbrekers met een hogere onderbrekingscapaciteit of het vervangen van zwakkere brekers door krachtigere;
• het wijzigen van het netwerk om de niveaus van kortsluitsstromen te verlagen. Meestal wordt een combinatie van deze oplossingen toegepast om een optimale netwerkindeling te bereiken terwijl de systeembetrouwbaarheid binnen aanvaardbare grenzen wordt gehandhaafd. Echter, de mogelijkheid van fouten kan nooit volledig worden uitgesloten, en het ontwerpen van elektrische apparatuur op basis van steeds toenemende kortsluitsstromen is commercieel onpraktisch. De derde oplossing kan verder worden ingedeeld in:
  • reduceren van systeeminterconnectiviteit (bijvoorbeeld bus splitsing);
  • toepassen van foutstroombeperkers (FCLs).

Het vervangen van circuitbrekers met een hogere onderbrekingscapaciteit is een kostbare oplossing en kan in bepaalde gevallen niet haalbaar zijn. Bovendien vertonen beschermingssystemen vertragingen in foutdetectie op basis van relaispecificaties. Het functioneren van circuitbrekers en het doven van bogen is niet onmiddellijk, en vereist meestal 3–5 cycli om een fout volledig te elimineren. Daarom kunnen foutstromen meestal niet binnen de eerste 2–8 cycli na het optreden van een fout worden onderbroken. Tijdens deze periode stromen zeer hoge stromen door serie-apparaten in het foutpad, en zelfs deze korte duur kan verwoestend zijn, vooral tijdens de eerste cyclus wanneer de gelijkstroomcomponent van de foutstroom bijzonder hoog is.

Bus splitsing en verminderde systeeminterconnectiviteit kunnen als alternatieven worden beschouwd om dit probleem aan te pakken. Echter, zij brengen andere operationele uitdagingen met zich mee, zoals verminderde overdrachtscapaciteit, gewijzigde stroomstroming en toegenomen verliezen. De noodzaak voor FCLs ontstaat uit de noodzaak om kostbare en kwetsbare apparatuur te beschermen. Over het algemeen zijn alle voorgestelde FCL-strategieën gebaseerd op het invoeren van hoge impedantie in het seriepad tijdens een fout, waarbij alleen de implementatie verschilt. De gewenste kenmerken van een ideale FCL zijn meestal:

• zeer lage impedantie onder normale omstandigheden van het powersysteem;
• invoering van hoge impedantie tijdens een fout;
• snelle werking om de gelijkstroomcomponent van de foutstroom te beperken;
• vermogen voor meerdere operaties binnen een korte tijd en zelfherstel;
• geen introductie van harmonischen in het powersysteem;
• minimalisatie van tijdelijke overspanningen;
• hoge betrouwbaarheid.

2 Betrouwbaarheid van Foutstroombeperkers

De toepassing van FCLs in onderstations wordt over het algemeen gemotiveerd door twee hoofdredenen:

• het vermijden van de dure oplossing om geïnstalleerde circuitbrekers te vervangen door brekers met een hogere kortsluitcapaciteit;
• behoud van de topologie van het onderstation en het vermijden van bus splitsing wegens operationele of betrouwbaarheidsproblemen. Momenteel zijn er geen betrouwbare bronnen of referenties beschikbaar over de betrouwbaarheidskenmerken van FCLs; daarom willen we in deze studie dit probleem analyseren door technische kenmerken in overweging te nemen. Sommige FCLs gebruiken zeer complexe technologieën, wat hun betrouwbaarheid kan verminderen.

Er bestaan verschillende types FCLs, waarvan resonantietype en supergeleidende FCLs meer prominent zijn.

A. Resonantietype FCLs

Er zijn talrijke configuraties voor resonantietype FCLs voorgesteld. Ze worden over het algemeen ingedeeld als reeksseries resonantietype en parallel resonantietype FCLs. Resonantietype FCLs hebben verschillende gunstige kenmerken voor foutbeperking, waaronder:

• Werking zonder stroomonderbreking;
• Snelle reactie op fouten;
• Vermogen om kortsluitstroom gedurende de foutduur te dragen;
• Resetmogelijkheid.

Echter, resonantietype FCLs bestaan meestal uit meerdere componenten, en de algehele betrouwbaarheid hangt af van de juiste werking van elke component. Bovendien vereisen sommige resonantietype FCLs een externe trigger, wat extra componenten nodig maakt om de kortsluiting te detecteren en de trigger in te zetten. Dit vergroot de systeemcomplexiteit en vermindert de betrouwbaarheid. Daarom zijn zelf-triggerende FCLs duidelijk betrouwbaarder.

B. Supergeleidende FCLs

In vergelijking met resonantietype FCLs vereisen supergeleidende FCLs minder componenten en zijn ze zelf-triggerend. De strategie voor foutstroombeperking is eenvoudig en gebaseerd op het natuurlijke gedrag van supergeleidende materialen. Supergeleiding bestaat alleen bij zeer lage temperaturen, dus supergeleidende FCLs vereisen extra koelapparatuur, wat de investeringskosten verhoogt. Het concept dat in dit artikel wordt voorgesteld, is beperkt tot het evalueren van de impact van de toepassing van FCLs op de betrouwbaarheid van het onderstation.

3 Foutmodi van FCLs

Net als andere componenten in hoogspanningsonderstations tonen FCLs verschillende foutmodi die in overweging moeten worden genomen bij de beoordeling van de betrouwbaarheid van overdrachtsonderstations met FCLs. Deze sectie vergelijkt de foutfrequenties van verschillende types FCLs.

Er is een fundamenteel verband tussen de betrouwbaarheid van een compleet systeem en het aantal subsystemen, die allemaal correct moeten functioneren om de gewenste algehele functie te bereiken.

• A. Actieve foutmodi
• B. Passieve foutmodi
• C. Vaste foutmodi

Duidelijk hebben FCLs die een triggersysteem vereisen (extern getriggerde FCLs) hogere foutfrequenties. In het algemeen betrekken alle FCLs die triggering of commutatie impliceren sequentiële bewerkingen van meerdere schakelapparaten, wat nauwkeurige synchronisatie en coördinatie vereist, wat aanzienlijk complexer is dan conventionele circuitbrekers.

Bij resonantietype FCLs (zowel extern als zelfgetriggerd) kunnen vaste foutmodi ontstaan door variaties in de kenmerken van de resonantelementen veroorzaakt door veranderingen in bedrijfsomstandigheden zoals temperatuur, of werking onder niet-gespecificeerde omstandigheden.

Supergeleidende FCLs tonen dergelijke foutmodi alleen bij extreme koeling, wat zelden voorkomt. Dus kan gezegd worden dat supergeleidende FCLs feitelijk deze foutmodus niet hebben. In de meeste gevallen kunnen supergeleidende FCLs worden ontworpen met voorspelbare parameters en duizenden activering- en herstelcycli doorstaan. Bovendien kan het gebruik van kleinere FCLs in plaats van grotere de betrouwbaarheid en de stroombeperkingscapaciteit verbeteren. Tabel 1 vergelijkt kort de voorkomensfrequenties van verschillende foutmodi voor diverse FCL-types.

4 Praktische Toepassing

Een modelonderstation zoals weergegeven in figuur 1 wordt gebruikt om de impact van de implementatie van FCLs op de betrouwbaarheid van het onderstation te evalueren. Het is bekend dat tijdens onderhoud het gebruik van bussectiecircuitbrekers om beschermingschema's te beheren en de flexibiliteit van onderstationsconfiguraties te verhogen een veel voorkomende praktijk is. Wanneer het niveau van de foutstroom in een onderstation de onderbrekingscapaciteit van de circuitbrekers overstijgt, wordt het vervangen van de bussectiecircuitbreker door een FCL een haalbare oplossing. Inderdaad is Inter-Bus FCL een van de meest voorkomende toepassingen van FCLs.

Stel dat alle belastingen die zijn aangesloten op de 330 kV bus identiek zijn. De betrouwbaarheidsbeoordeling richt zich op Belasting 1 aan de linkse 330 kV bus en Belasting 5 aan de rechtse 330 kV bus. De betrouwbaarheid van de belasting wordt geëvalueerd aan de hand van de volgende indicatoren: (1) Verlieskans van de belasting (%); (2) Jaarlijks storendetijd (U). De 330 kV bus wordt ervan uitgegaan dat hij volledig betrouwbaar is. Om onnodige berekeningen te vermijden, worden foutmodi die het simultane falen van meer dan drie componenten betreffen, niet meegenomen. Aangezien de voorkomensfrequentie van dergelijke foutmodi zeer laag is, introduceert deze aanname geen significant foutief element.

Tabel 2 toont de foutfrequenties en reparatietimes van de componenten. Voor de initiële analyse beginnen we met het berekenen van de betrouwbaarheidsindicatoren die gerelateerd zijn aan de linkse 330 kV bus. Om een goed geïnformeerde en uitgebreide vergelijking te maken, zouden we theoretisch de betrouwbaarheidsindicatoren voor alle belastingspunten van L1 tot L7 moeten berekenen. Echter, aangezien deze belastingen vergelijkbaar zijn en aangesloten zijn op dezelfde bus, zullen ze vergelijkbare foutmodi hebben. Daarom hoeven we alleen de betrouwbaarheidsindicatoren voor Belastingspunt 1 (L1) aan de linkse bus en Belastingspunt 5 (L5) aan de rechtse bus te berekenen.

Zoals hierboven vermeld, worden twee probabilistische indicatoren gebruikt voor de analyse: verlieskans van de belasting (in f/jaar) en jaarlijks storendetijd (in uren/jaar, A). Deze indicatoren worden geëvalueerd voor het geval van een enkel componentenfout.

Voor het geval van simultaan falen van twee componenten worden de equivalente foutfrequentie (λₑ), gemiddelde storendetijd (r) en jaarlijks storendetijd (u) als volgt uitgedrukt:

Voor het geval van simultaan falen op drie niveaus wordt het als volgt uitgedrukt:

Met inachtneming van alle foutmodi kunnen de totale foutfrequentie en de totale jaarlijkse storendetijd als volgt worden berekend:

Tabel 3 toont de resultaten van de betrouwbaarheidsanalyse voor de belastingen.

Nu wordt dezelfde berekening uitgevoerd voor de voeders op de andere 230 kV bus. Tabel 4 toont de resultaten die betrekking hebben op belastingspunt LS.

5 Conclusie

In dit artikel wordt de toepassing van foutstroombeperkers (FCLs) besproken om de betrouwbaarheid van onderstations te verbeteren, de wiskundige modellen en procedures voor betrouwbaarheidsberekeningen worden beschreven, en de impact van de implementatie van FCLs op de betrouwbaarheid van onderstations wordt geëvalueerd. De resultaten laten zien dat de betrouwbaarheid van onderstations verbeterd wordt door het gebruik van FCLs. Er wordt ook een sensitiviteitsanalyse uitgevoerd om de invloed van verschillende parameters, zoals de actieve foutfrequentie, passieve foutfrequentie en reparatietijd van de FCL, op de betrouwbaarheidsindicatoren te onderzoeken.