Reliabilitetsanalyse av feilstrømshemmere i høyspenningsunderstasjoner

1 Innføring

For å møte den raskt voksende etterspørselen etter elektrisk energi, må kraftproduksjon, overføring og distribusjonssystemer utvikles i takt. Et av de kritiske problemene som oppstår av denne utviklingen, er den raske økningen i kortslutningsstrømmer. Økningen i kortslutningsstrømmer fører til flere farer:

• overoppvarming av seriekoplettede enheter langs feilveien;
• økte transiente og gjenopprettings spenninger under strømavbrudd, som kan skade isoleringssystemer;
• generering av ekstremt høye mekaniske krefter i spolebasert utstyr (for eksempel transformatorer, generatorer, reaktorer);
• potensiell systemustabilitet avhengig av størrelsen og ryddetiden for feilstrømmen;
• eksisterende sirkuitsbrytere kan ikke lenger være i stand til å avbryte den økte feilstrømmen, noe som nødvendiggjør kostbare erstatter i tid og penger; for å unngå slike utgifter, kan parallelle krafttransformatorer bli begrenset eller systemets kobling redusert, noe som kompromitterer overføringskapasiteten og systemets pålitelighet;
• økte feilstrømmer forlenget korrektive tiltak, som fører til lengre utfallstider og større økonomiske tap;
• redusert nettets pålitelighet.

For øyeblikket er det tre hovedløsninger tilgjengelige for å mildre disse effektene:

• konstruere nettverkstrukturer med minimal feilsannsynlighet;
• bruke sirkuitsbrytere med høyere avbrytningskapasitet eller erstatte svakere brytere med mer kapable ene;
• modifisere nettet for å redusere kortslutningsnivåer. En kombinasjon av disse løsningene brukes typisk for å oppnå optimal nettverksdesign mens man beholder systemets pålitelighet innen akseptable grenser. Imidlertid kan muligheten for feil aldri bli fullstendig eliminert, og design av kraftutstyr basert på stadig økende kortslutningsstrømmer er kommercielt ufornuftig. Den tredje løsningen kan videre deles inn i:
  • redusere systemets kobling (for eksempel bus splitting);
  • bruke feilstrømbegrensere (FCLs).

Erstatning av sirkuitsbrytere med høyere avbrytningskapasitet er en dyrt løsning og kan ikke være praktisk i visse tilfeller. I tillegg viser beskyttelsessystemer forsinkelser i feildetektering basert på relèspesifikasjoner. Sirkuitsbryteroperasjon og buelukking er ikke umiddelbare, og krever vanligvis 3-5 sykluser for å fylle en feil. Dermed kan feilstrømmer vanligvis ikke avbrytes innen de første 2-8 syklusene etter at en feil forekommer. Under denne perioden flyter svært høye strømmer gjennom seriekoplettede enheter langs feilveien, og selv denne korte varigheten kan være destruktiv, spesielt under den første syklusen når DC-komponenten av feilstrømmen er spesielt høy.

Bus splitting og redusert systemkobling kan betraktes som alternativer for å løse dette problemet. Imidlertid introduserer de andre driftsutfordringer, som redusert overføringskapasitet, endret strømflyt og økte tap. Behovet for FCLs oppstår av nødvendigheten å beskytte kostbare og sårbare enheter. Generelt er alle foreslåtte FCL-strategier basert på å sette inn høy impedans i serieveien under en feil, og de skiller seg bare i implementering. De ønskede egenskapene til en ideal FCL er typisk:

• svært lav impedans under normale kraftsystemforhold;
• innsetting av høy impedans under en feil;
• rask operasjon for å begrense DC-komponenten av feilstrømmen;
• evne til flere operasjoner innen kort tid og selv-gjenoppretting;
• ingen introduksjon av harmoniske i kraftsystemet;
• minimering av transiente overvoltage;
• høy pålitelighet.

2 Pålitelighet av Feilstrømbegrensere

Bruken av FCLs i understasjoner er generelt motivert av to hovedgrunner:

• unngå den dyre løsningen med å erstatte installerte sirkuitsbrytere med de som har høyere kortslutningskapasitet;
• vedlikeholde understasjonstopologi og unngå bus splitting på grunn av drifts- eller pålitelighetsproblemer. For øyeblikket finnes det ingen pålitelige kilder eller referanser om pålitelighetsegenskapene til FCLs; derfor, i denne studien, forsøker vi å analysere dette problemet ved å ta hensyn til tekniske egenskaper. Noen FCLs bruker høygradig komplekse teknologier, noe som kan redusere deres pålitelighet.

Det finnes ulike typer FCLs, hvorav resonant-type og superledende FCLs er mer fremtredende.

A. Resonant-Type FCLs

Mange konfigurasjoner for resonant-type FCLs har blitt foreslått. De er generelt klassifisert som serie resonant-type og parallelle resonant-type FCLs. Resonant-type FCLs har flere gunstige egenskaper for feilbegrensning, inkludert:

• Operasjon uten strømavbrudd;
• Rask respons til feil;
• Evne til å føre kortslutningsstrøm under feilvarighet;
• Nullstillingskapasitet.

Imidlertid består resonant-type FCLs typisk av flere komponenter, og den totale påliteligheten avhenger av riktig funksjon hos hver komponent. I tillegg krever noen resonant-type FCLs et eksternt utløsende enhet, noe som betyr at ekstra komponenter er nødvendige for å oppdage kortslutning og initiere utløsning. Dette øker systemkompleksiteten og reduserer påliteligheten. Derfor er selvutløsende FCLs tydelig mer pålitelige.

B. Superledende FCLs

Sammenlignet med resonant-type FCLs, krever superledende FCLs fåre komponenter og er selvutløsende. Feilstrømbegrensingsstrategien er enkel og basert på den naturlige oppførselen til superledende materialer. Superledning eksisterer bare ved svært lave temperaturer, så superledende FCLs krever ekstra kjøleværktøy, noe som øker investeringskostnadene. Konseptet foreslått i denne artikkelen er begrenset til å evaluere effekten av FCL-bruk på understasjonspålitelighet.

3 Feilmåter for FCLs

Som andre komponenter i høyspänningsunderstasjoner, viser FCLs ulike feilmåter som skal tas hensyn til ved vurdering av påliteligheten til overføringsunderstasjoner som inneholder FCLs. Denne seksjonen sammenligner feilraten for ulike typer FCLs.

Det er en grunnleggende relasjon mellom påliteligheten til et komplett system og antallet av dets subsystemer, som alle må fungere riktig for å oppnå den ønskede totale funksjonen.

• A. Aktive feilmåter
• B. Passive feilmåter
• C. Fastfeilmåter

Klar, FCLs som krever et utløsende system (eksternt utløste FCLs) har høyere feilrater. Generelt involverer enhver FCL som involverer utløsning eller kommutasjon sekvensielle operasjoner av flere slåringsenheter, som krever nøyaktig synkronisering og koordinering, noe som øker kompleksiteten betydelig sammenlignet med konvensjonelle sirkuitsbrytere.

I resonant-type FCLs (både eksternt og selvutløste) kan fastfeilmåter oppstå på grunn av variasjoner i resonantelementegenskaper forårsaket av endringer i driftsbetingelser som temperatur, eller drift under ikke-normerte forhold.

Superledende FCLs viser bare slike feilmåter under overdreven kjøling, noe som sjelden forekommer. Derfor kan det si at superledende FCLs i praksis ikke har denne feilmåten. I de fleste tilfeller kan superledende FCLs designes med forutsigbare parametere og tåle tusenvis av aktivering- og gjenopprettings-sykler. I tillegg kan bruk av mindre FCLs i stedet for større, forbedre både pålitelighet og strømbegrensningsevne. Tabell 1 sammenligner kort feilmåter over forskjellige FCL-typer.

4 Praktisk Bruk

En eksempel-understasjon vist i Fig. 1 brukes for å evaluere effekten av implementering av FCLs på understasjonspålitelighet. Det er godt kjent at under vedlikehold, er det vanlig praksis å bruke bus-seksjoneringssirkuitsbrytere for å administrere beskyttelsesskjemaer og forbedre fleksibiliteten i understasjonskonfigurasjoner. Når feilstrømnivået i en understasjon overstiger avbrytningskapasiteten til sirkuitsbryterne, blir det en mulig løsning å erstatte bus-seksjoneringssirkuitsbryteren med en FCL. Virkelig, Inter-Bus FCL er en av de mest vanlige anvendelsene av FCLs.

Anta at alle belastninger koblet til 330 kV-bussen er identiske. Pålitelighetsvurderingen fokuserer på Belastning 1 på venstre 330 kV-buss og Belastning 5 på høyre 330 kV-buss. Belastningspålitelighet evalueres ved hjelp av følgende indekser: (1) Sannsynlighet for belastningsmist (i %); (2) Årlig utfallstid (U). 330 kV-bussen antas å være fullt pålitelig. For å unngå unødvendige beregninger, tas ikke feilmåter som involverer samtidig feil av mer enn tre komponenter hensyn til. Siden forekomsten av slike feilmåter er veldig lav, introduserer denne antagelsen ikke signifikant feil.

Tabell 2 viser feilrater og reparasjonstider for komponentene. For den inledende analyse, starter vi med å beregne pålitelighetsindeksene knyttet til venstre 330 kV-buss. For å gjøre en informert og omfattende sammenligning, burde vi teoretisk beregne pålitelighetsindeksene for alle belastningspunkter fra L1 til L7. Imidlertid, gitt at disse belastningene er liknende og koblet til samme buss, vil de ha liknende feilmåter. Derfor trenger vi bare å beregne pålitelighetsindeksene for Belastningspunkt 1 (L1) på venstre buss og Belastningspunkt 5 (L5) på høyre buss.

Som nevnt ovenfor, brukes to probabilistiske indekser for analysen: sannsynlighet for belastningsmist (i f/år) og årlig utfallstid (i timer/år, A). Disse indeksene vurderes for tilfellet en enkelt komponentfeil.

For tilfellet samtidig feil av to komponenter, uttrykkes den ekvivalente feilraten (λₑ), gjennomsnittlige utfallstid (r) og årlig utfallstid (u) som følger:

For tilfellet samtidig feil på tre nivåer, uttrykkes det som følger:

Med hensyn til alle feilmåter, kan den totale feilraten og den totale årlige utfallstiden beregnes som følger:

Tabell 3 viser pålitelighetsanalyseresultatene for belastingene.

Nå utføres den samme beregningen for ledningene på den andre 230 kV-bussen. Tabell 4 viser resultatene relatert til belastningspunkt LS.

5 Konklusjon

Denne artikkelen presenterer bruken av feilstrømbegrensere (FCLs) for å forbedre understasjonspålitelighet, beskriver den matematiske modellen og prosedyren for pålitelighetsberegning, og vurderer effekten av FCL-implementering på understasjonspålitelighet. Resultatene indikerer at understasjonspåliteligheten forbedres ved å bruke FCLs. En sensitivitetsanalyse utføres også for å undersøke innvirkningen av ulike parametre - som aktiv feilrate, passiv feilrate og reparasjonstid for FCL - på pålitelighetsindeksene.