Analiza zanesljivosti omejevalcev stržnega toka v visokonapetostnih podstanicah

1 Uvod

Za izpolnjevanje hitro rastučega povpraševanja po električni energiji morajo sistemi za proizvodnjo, prenos in distribucijo električne energije razvijati. Eden od ključnih problemov, ki izhaja iz tega razvoja, je hitro naraščanje strmih tokov. Povečanje strmih tokov vodi do več nevarnosti:

• preseganje vrhunskih temperatur serijsko povezanih naprav na poti okvar;
• večja prehodna in obnovitvena napetost med prekinitvijo toka, ki lahko poškoduje izolacijske sisteme;
• ustvarjanje zelo visokih mehaničnih sil v napravah z bobinami (npr. transformatorji, generatorji, reaktorji);
• potencialna nestabilnost sistema, odvisno od velikosti in časa odpravljanja strmnega toka;
• postoječi preklopniki morda več niso sposobni prekiniti povečanega strmnega toka, kar zahteva dragi nadomesti v času in denarju; da se izognemo takšnim stroškom, bi lahko omejili vzporedne transformatorje ali zmanjšali povezanost sistema, kar kompromitira prenosno kapaciteto in zanesljivost sistema;
• povečani strmi tokovi podaljšujejo popravilne ukrepe, kar vodi do daljših prekinitv in večjih gospodarskih izgub;
• zmanjšana zanesljivost omrežja.

Trenutno so na voljo tri glavne rešitve za zmanjšanje teh učinkov:

• gradnja omrežnih struktur z minimalno verjetnostjo okvar;
• uporaba preklopnikov z višjo prekinitveno zmogljivostjo ali zamenjava manj močnih preklopnikov z bolj močnimi;
• modifikacija omrežja za zmanjšanje ravni strmih tokov. Običajno se uporablja kombinacija teh rešitev, da se doseže optimalen dizajn omrežja, hkrati pa se ohranja zanesljivost sistema znotraj sprejemljivih mej. Vendar nikoli ni mogoče popolnoma izključiti možnosti okvar, in projektiranje elektroenergetske opreme na osnovi vedno večjih strmih tokov ni trgovinsko praktično. Tretja rešitev se lahko nadalje razdeli na:
  • zmanjšanje povezanosti sistema (npr. razdelitev busa);
  • uporaba ograničevalnikov strmih tokov (FCL).

Zamenjava preklopnikov z višjo prekinitveno zmogljivostjo je draga rešitev in v določenih primerih morda ni mogoča. Poleg tega zaščitni sistemi kažejo zamude pri zaznavanju okvar glede na specifikacije releja. Operacija preklopnika in ugasitev loka ni trenutna, običajno zahteva 3–5 ciklov, da se popolnoma odstrani okvara. Torej, strmi tokovi običajno ne morejo biti prekinjeni v prvih 2–8 ciklih po nastanku okvare. V tem obdobju tečejo zelo visoki tokovi skozi serije naprav na poti okvare, in celo ta kratko obdobje lahko bodo uničujoče, še posebej v prvem ciklu, ko je DC sestavina strmnega toka posebej visoka.

Razdelitev busa in zmanjšanje povezanosti sistema se lahko uporabljata kot alternativi za reševanje tega problema. Vendar prinašata druge operativne izzive, kot so zmanjšana prenosna kapaciteta, spremenjen tok energije in večja izguba. Potreba po FCL-ih izhaja iz potrebe za zaščito dragih in ranljivih naprav. Običajno so vse predlagane strategije FCL-ov temeljene na vstavljanju visokega upora v serijo med okvaro, razlikujete se le v implementaciji. Želeni lastnosti idealnega FCL-ja so običajno:

• zelo nizki upor v normalnih pogoji delovanja sistema;
• vstavljanje visokega upora med okvaro;
• hitra operacija za omejevanje DC sestavine strmnega toka;
• zmožnost večkratnega delovanja v kratkem času in samovarnost;
• brez vnašanja harmonik v sistem;
• zmanjšanje prehodnih previsokih napetosti;
• visoka zanesljivost.

2 Zanesljivost ograničevalnikov strmih tokov

Uporaba FCL-ov v pretvorovalnih postajah je običajno motivirana z dvema glavnima razlogoma:

• izogibanje dragi rešitvi, ki vključuje zamenjavo nameščenih preklopnikov z višjo zmogljivostjo za strme tokove;
• očuvanje topologije pretvorovalne postaje in izogibanje razdelitve busa zaradi operativnih ali zanesljivostnih razlogov. Trenutno ni na voljo nobenih zanesljivih virov ali referenc o zanesljivostnih karakteristikah FCL-ov; zato v tej studiji želimo analizirati ta problem, upoštevajoč tehnične značilnosti. Nekateri FCL-i uporabljajo zelo kompleksne tehnologije, ki lahko zmanjšajo njihovo zanesljivost.

Obstoje različni tipi FCL-ov, med katerimi so resonantni in nadprovodni FCL-i bolj prominentni.

A. Resonantni FCL-i

Predlaganih je bilo veliko konfiguracij resonantnih FCL-ov. Običajno jih razdelimo na serije resonantnih in vzporednih resonantnih FCL-ov. Resonantni FCL-i imajo nekaj ugodnih značilnosti za omejevanje okvar, vključno z:

• Delovanje brez prekinitve toka;
• Hitro odzivanje na okvare;
• Možnost prenašanja strmnega toka med trajanjem okvare;
• Zmožnost ponastavitve.

Vendar resonantni FCL-i običajno sestavljajo več komponent, in celotna zanesljivost je odvisna od pravilnega delovanja vsake komponente. Dodatno, nekateri resonantni FCL-i zahtevajo zunanji aktivacijski uređaj, kar pomeni, da so potrebne dodatne komponente za zaznavanje okvare in začetek aktivacije. To poveča kompleksnost sistema in zmanjša zanesljivost. Zato so samodejni FCL-i očitno bolj zanesljivi.

B. Nadprovodni FCL-i

V primerjavi s resonantnimi FCL-i zahtevajo nadprovodni FCL-i manj komponent in so samodejni. Strategija omejevanja strmih tokov je preprosta in temelji na naravnem obnašanju nadprovodnih materialov. Nadprovodnost obstaja samo pri zelo nizkih temperaturah, zato nadprovodni FCL-i zahtevajo dodatno hlačno opremo, kar poveča investicijske stroške. Koncept, predstavljen v tem članku, se omejuje na oceno vpliva uporabe FCL-ov na zanesljivost pretvorovalne postaje.

3 Načini odpovedi FCL-ov

Kot ostale komponente v visokonapetostnih pretvorovalnih postajah, FCL-i prikazujejo različne načine odpovedi, ki jih je treba upoštevati pri oceni zanesljivosti pretvorovalnih postaj, ki vključujejo FCL-e. Ta odsek primerja stopnje odpovedi različnih tipov FCL-ov.

Obstaja osnovna povezava med zanesljivostjo celotnega sistema in številom njegovih podsistemi, ki morajo vse pravilno delovati, da bi dosegli želeno celotno funkcionalnost.

• A. Aktivni načini odpovedi
• B. Pasivni načini odpovedi
• C. Fiksni načini odpovedi

Očitno imajo FCL-i, ki zahtevajo aktivacijski sistem (zunanje aktivirani FCL-i), višje stopnje odpovedi. V splošnem vsak FCL, ki vključuje aktivacijo ali komutacijo, zahteva zaporedno delovanje več preklopnih naprav, kar zahteva natančno sinhronizacijo in usklajevanje, kar znatno poveča kompleksnost v primerjavi z navadnimi preklopniki.

Pri resonantnih FCL-ih (sicer zunanje in samodejno aktivirani) lahko nastanejo fiksni načini odpovedi zaradi sprememb značilnosti resonantnih elementov zaradi sprememb delovnih pogojev, kot so temperature, ali delovanje pod nenavadnimi pogoji.

Nadprovodni FCL-i prikazujejo take načine odpovedi le pri prevelikem hlačenju, kar se redko zgodi. Torej, lahko rečemo, da nadprovodni FCL-i bistveno ne imajo tega načina odpovedi. V večini primerov se nadprovodni FCL-i lahko zasnujejo z predvidljivimi parametri in prenašajo tisoče ciklov aktivacije in obnove. Dodatno, uporaba manjših FCL-ov namesto večjih lahko izboljša zanesljivost in zmogljivost omejevanja toka. Tabela 1 krateče primerja stopnje pojavljanja različnih načinov odpovedi med različnimi tipi FCL-ov.

4 Praktična uporaba

Primer pretvorovalne postaje, prikazan na Sliki 1, se uporablja za oceno vpliva implementacije FCL-ov na zanesljivost pretvorovalne postaje. Je dobro znano, da je med vzdrževanjem običajno praksa uporabljati preklopnike za razdelitev busa za upravljanje zaščitnih shem in izboljšanje fleksibilnosti konfiguracij pretvorovalne postaje. Ko preseže raven strmih tokov v pretvorovalni postaji prekinitveno zmogljivost preklopnikov, postane zamenjava preklopnika za razdelitev busa z FCL-jem primerna rešitev. Res je, da je Inter-Bus FCL eden najpogostejših uporab FCL-ov.

Predpostavimo, da so vsi bremena, povezana s 330 kV busom, enaka. Ocena zanesljivosti se osredotoča na Breme 1 na levem 330 kV busu in Breme 5 na desnem 330 kV busu. Zanesljivost bremena se ocenjuje z naslednjimi kazalci: (1) Verjetnost izgube bremena (%); (2) Letni čas prekinitve (U). 330 kV bus se predpostavlja, da je popolnoma zanesljiv. Da se izognejo nepotrebnim izračunom, se načini odpovedi, ki vključujejo hkratno odpoved več kot treh komponent, ne upoštevajo. Ker je stopnja pojavljanja takšnih načinov odpovedi zelo nizka, ta predpostavka ne prinaša značilnih napak.

Tabela 2 prikazuje stopnje odpovedi in čase popravila komponent. Za začetno analizo začnemo s izračunom zanesljivostnih kazalcev, povezanih z levim 330 kV busom. Za informiran in celosten primerjava, bi teoretično morale izračunati zanesljivostne kazalce za vse točke bremena od L1 do L7. Vendar, ker so ta bremena podobna in povezana z istim busom, bodo imela podobne načine odpovedi. Torej, moramo izračunati zanesljivostne kazalce le za točko bremena 1 (L1) na levem busu in točko bremena 5 (L5) na desnem busu.

Kot je omenjeno zgoraj, se za analizo uporabita dva verjetnostna kazalca: verjetnost izgube bremena (v f/letu) in letni čas prekinitve (v urah/leto, A). Ti kazalci so ocenjeni za primer enosmerne odpovedi komponente.

Za primer hkratne odpovedi dveh komponent se ekvivalentna stopnja odpovedi (λₑ), povprečni čas prekinitve (r) in letni čas prekinitve (u) izrazijo kot sledi:

Za primer hkratne odpovedi na treh ravneh se izraza kot sledi:

Ob upoštevanju vseh načinov odpovedi se skupna stopnja odpovedi in skupni letni čas prekinitve lahko izračuna kot sledi:

Tabela 3 prikazuje rezultate analize zanesljivosti bremena.

Sedaj se izvede isti izračun za napajalnike na drugem 230 kV busu. Tabela 4 prikazuje rezultate, povezane s točko bremena LS.

5 Zaključek

Ta članek predstavlja uporabo ograničevalnikov strmih tokov (FCL-ov) za izboljšanje zanesljivosti pretvorovalnih postaj, opisuje matematični model in postopek za izračun zanesljivosti ter ocenjuje vpliv implementacije FCL-ov na zanesljivost pretvorovalne postaje. Rezultati kažejo, da je zanesljivost pretvorovalne postaje izboljšana z uporabo FCL-ov. Izvedena je tudi analiza občutljivosti, da se preuči vpliv različnih parametrov, kot so stopnja aktivnih odpovedi, pasivnih odpovedi in čas popravila FCL-ov, na zanesljivostne kazalce.