Анализ надежности ограничителей тока короткого замыкания в высоковольтных подстанциях

1 Введение

Для удовлетворения быстро растущего спроса на электроэнергию системы генерации, передачи и распределения электричества должны развиваться соответственно. Одной из ключевых проблем, возникающих в результате этого развития, является быстрый рост токов короткого замыкания. Увеличение токов короткого замыкания приводит к нескольким опасностям:

• перегрев последовательно соединенных устройств вдоль пути неисправности;
• увеличение переходных и восстановительных напряжений при прерывании тока, что может повредить системы изоляции;
• генерация крайне высоких механических сил в оборудовании на основе катушек (например, трансформаторах, генераторах, реакторах);
• потенциальная нестабильность системы в зависимости от величины и времени устранения тока неисправности;
• существующие выключатели могут больше не быть способными прерывать увеличенный ток неисправности, что требует дорогостоящей замены во времени и деньгах; чтобы избежать таких затрат, параллельные трансформаторы могут быть ограничены или сокращена взаимосвязь системы, что компрометирует пропускную способность и надежность системы;
• увеличение токов неисправности продлевает время корректирующих действий, что приводит к более длительным перебоям в подаче электроэнергии и большим экономическим потерям;
• уменьшение надежности сети.

В настоящее время доступны три основных решения для смягчения этих эффектов:

• строительство сетевых структур с минимальной вероятностью неисправностей;
• использование выключателей с большей прерывной мощностью или замена слабых выключателей на более мощные;
• модификация сети для снижения уровней короткого замыкания. Обычно используется комбинация этих решений, чтобы достичь оптимального проектирования сети, сохраняя надежность системы в допустимых пределах. Однако возможность неисправностей никогда полностью не может быть исключена, и проектирование оборудования на основе постоянно увеличивающихся токов короткого замыкания коммерчески непрактично. Третье решение можно разделить на:
  • снижение взаимосвязи системы (например, разделение шины);
  • применение ограничителей токов короткого замыкания (FCLs).

Замена выключателей с большей прерывной мощностью является дорогостоящим решением и может быть невыполнимой в некоторых случаях. Кроме того, системы защиты демонстрируют задержки в обнаружении неисправностей на основе спецификаций реле. Операция выключателя и гашение дуги не являются мгновенными, обычно требуя 3-5 циклов для полного устранения неисправности. В результате токи неисправности обычно не могут быть прерваны в течение первых 2-8 циклов после возникновения неисправности. В этот период через последовательно соединенные устройства в пути неисправности протекают очень высокие токи, и даже это кратковременное состояние может быть разрушительным, особенно в первый цикл, когда постоянная составляющая тока неисправности особенно высока.

Разделение шин и снижение взаимосвязи системы могут рассматриваться как альтернативы для решения этой проблемы. Однако они вводят другие операционные вызовы, такие как уменьшение пропускной способности, изменение потока мощности и увеличение потерь. Необходимость FCLs возникает из необходимости защиты дорогостоящего и уязвимого оборудования. Обычно все предлагаемые стратегии FCL основаны на введении высокого импеданса в последовательный путь при неисправности, различаясь только реализацией. Желаемые характеристики идеального FCL обычно включают:

• очень низкий импеданс при нормальных условиях работы энергосистемы;
• введение высокого импеданса при неисправности;
• быстрое действие для ограничения постоянной составляющей тока неисправности;
• возможность множественных операций в короткое время и самовосстановление;
• не введение гармоник в энергосистему;
• минимизация переходных перенапряжений;
• высокая надежность.

2 Надежность ограничителей токов короткого замыкания

Применение FCLs в подстанциях обычно мотивировано двумя основными причинами:

• избегание дорогостоящего решения по замене установленных выключателей на те, которые имеют большую прерывную мощность;
• сохранение топологии подстанции и избегание разделения шин по операционным или надежностным причинам. В настоящее время нет надежных источников или ссылок на характеристики надежности FCLs; таким образом, в этом исследовании мы стремимся проанализировать эту проблему, рассматривая технические характеристики. Некоторые FCLs используют высоко сложные технологии, что может снизить их надежность.

Существуют различные типы FCLs, среди которых наиболее выдающимися являются резонансные и сверхпроводящие FCLs.

A. Резонансные FCLs

Было предложено множество конфигураций для резонансных FCLs. Они обычно классифицируются как серийные резонансные и параллельные резонансные FCLs. Резонансные FCLs обладают несколькими благоприятными характеристиками для ограничения неисправностей, включая:

• работу без прерывания тока;
• быстрый отклик на неисправности;
• способность проводить ток короткого замыкания в течение продолжительности неисправности;
• возможность сброса.

Однако, резонансные FCLs обычно состоят из нескольких компонентов, и общая надежность зависит от правильной работы каждого компонента. Кроме того, некоторые резонансные FCLs требуют внешнего устройства запуска, что означает необходимость дополнительных компонентов для обнаружения короткого замыкания и инициирования запуска. Это увеличивает сложность системы и снижает надежность. Поэтому FCLs, запускаемые самостоятельно, явно более надежны.

B. Сверхпроводящие FCLs

По сравнению с резонансными FCLs, сверхпроводящие FCLs требуют меньше компонентов и являются самоуправляемыми. Стратегия ограничения тока неисправности проста и основана на естественном поведении сверхпроводящих материалов. Сверхпроводимость существует только при очень низких температурах, поэтому сверхпроводящие FCLs требуют дополнительного оборудования для охлаждения, что увеличивает инвестиционные затраты. Концепция, предложенная в этой статье, ограничена оценкой влияния применения FCLs на надежность подстанции.

3 Модели отказов FCLs

Как и другие компоненты в высоковольтных подстанциях, FCLs демонстрируют различные модели отказов, которые следует учитывать при оценке надежности подстанций, включающих FCLs. В этом разделе сравниваются частоты отказов различных типов FCLs.

Существует фундаментальная связь между надежностью целой системы и количеством ее подсистем, все из которых должны работать правильно, чтобы достичь желаемой общей функции.

• A. Активные модели отказов
• B. Пассивные модели отказов
• C. Фиксированные модели отказов

Ясно, что FCLs, требующие системы запуска (внешне запускаемые FCLs), имеют более высокие частоты отказов. В целом, любой FCL, включающий запуск или коммутацию, включает последовательные операции нескольких коммутирующих устройств, требующих точной синхронизации и координации, что значительно увеличивает сложность по сравнению с обычными выключателями.

В резонансных FCLs (как внешне, так и самоуправляемых) фиксированные модели отказов могут возникать из-за изменений характеристик резонансных элементов, вызванных изменениями условий эксплуатации, такими как температура, или работой в нерейтинговых условиях.

Сверхпроводящие FCLs демонстрируют такие модели отказов только при чрезмерном охлаждении, которое редко происходит. Таким образом, можно сказать, что сверхпроводящие FCLs практически не имеют этой модели отказов. В большинстве случаев сверхпроводящие FCLs могут быть спроектированы с предсказуемыми параметрами и выдерживать тысячи циклов активации и восстановления. Кроме того, использование меньших FCLs вместо больших может улучшить как надежность, так и способность ограничивать ток. Таблица 1 кратко сравнивает частоты различных моделей отказов для различных типов FCLs.

4 Практическое применение

Образец подстанции, показанный на рис. 1, используется для оценки влияния внедрения FCLs на надежность подстанции. Известно, что во время технического обслуживания использование выключателей секционирования шины для управления системами защиты и повышения гибкости конфигураций подстанции является обычной практикой. Когда уровень тока неисправности на подстанции превышает прерывную мощность выключателей, замена выключателя секционирования шины на FCL становится жизнеспособным решением. Действительно, Inter-Bus FCL является одним из самых распространенных применений FCLs.

Предположим, что все нагрузки, подключенные к шине 330 кВ, одинаковы. Оценка надежности сосредоточена на нагрузке 1 на левой шине 330 кВ и нагрузке 5 на правой шине 330 кВ. Надежность нагрузки оценивается с использованием следующих индексов: (1) вероятность потери нагрузки (%); (2) годовое время отключения (U). Шина 330 кВ считается полностью надежной. Чтобы избежать ненужных расчетов, не рассматриваются модели отказов, включающие одновременный отказ более трех компонентов. Поскольку частота таких моделей отказов очень низкая, это предположение не вносит значительной ошибки.

Таблица 2 показывает частоты отказов и время ремонта компонентов. Для начального анализа мы начинаем с расчета индексов надежности, связанных с левой шиной 330 кВ. Чтобы сделать обоснованное и всестороннее сравнение, теоретически, мы должны рассчитать индексы надежности для всех точек нагрузки от L1 до L7. Однако, учитывая, что эти нагрузки схожи и подключены к одной и той же шине, они будут иметь схожие модели отказов. Поэтому нам нужно рассчитать индексы надежности только для точки нагрузки 1 (L1) на левой шине и точки нагрузки 5 (L5) на правой шине.

Как упоминалось выше, для анализа используются два вероятностных индекса: вероятность потери нагрузки (в f/год) и годовое время отключения (в часах/год, A). Эти индексы оцениваются для случая отказа одного компонента.

Для случая одновременного отказа двух компонентов эквивалентная частота отказа (λₑ), средняя продолжительность отключения (r) и годовое время отключения (u) выражаются следующим образом:

Для случая одновременного отказа на трех уровнях это выражается следующим образом:

Учитывая все модели отказов, общая частота отказов и общее годовое время отключения могут быть рассчитаны следующим образом:

Таблица 3 показывает результаты анализа надежности для нагрузок.

Теперь выполняется тот же расчет для фидеров на другой шине 230 кВ. Таблица 4 показывает результаты, относящиеся к точке нагрузки LS.

5 Заключение

В данной статье представлено применение ограничителей токов короткого замыкания (FCLs) для повышения надежности подстанций, описывается математическая модель и процедура расчета надежности, а также оценивается влияние внедрения FCLs на надежность подстанций. Результаты показывают, что надежность подстанций повышается за счет использования FCLs. Также проводится анализ чувствительности, чтобы изучить влияние различных параметров, таких как активная частота отказов, пассивная частота отказов и время ремонта FCL, на индексы надежности.