Analiza pouzdanosti ograničivača strujnih prekida u visokonaponskim transformatornim staniciama

1 Uvod

Da bi se ispunio brzo rastući potražnja za električnom energijom, sistemi proizvodnje, prenosa i raspodele moraju se razvijati odgovarajuće. Jedan od ključnih problema koji iz ovog razvoja proizilazi jeste brz porast strujnih krugova pri kvaru. Povećanje strujnih krugova pri kvaru dovodi do nekoliko opasnosti:

• pregrejavanje serijski spojenih uređaja duž putanje kvara;
• povećanje privremene i oporavne napona tijekom prekida struje, što može oštetiti sisteme izolacije;
• stvaranje ekstremno visokih mehaničkih sila u bobinastom opremu (npr., transformatori, generatori, reaktori);
• potencijalna nestabilnost sistema u zavisnosti od veličine i vremena čišćenja struje kvara;
• postojeći prekidaci struje više ne mogu prekidati povećanu struju kvara, što zahtijeva skupa zamjenu u vremenu i novcu; kako bi se takve troškove izbeglo, paralelni transformatori možda moraju biti ograničeni ili smanjena interkonectivnost sistema, što kompromitira kapacitet prenosa i pouzdanost sistema;
• povećana struja kvara produžava akcije ispravljanja, što dovodi do dužeg trajanja prekida i većih ekonomskih gubitaka;
• smanjena pouzdanost mreže.

Trenutno, na raspolaganju su tri glavna rješenja za umanjenje ovih efekata:

• izgradnja mrežnih struktura sa minimalnom vjerojatnošću kvara;
• upotreba prekidaca struje s većom sposobnošću prekida ili zamjena slabijih prekidaca s moćnijima;
• modifikacija mreže za smanjenje nivoa strujnih krugova pri kvaru. Obično se kombiniraju ova rješenja kako bi se postigao optimalni dizajn mreže uz održavanje pouzdanosti sistema unutar prihvatljivih granica. Međutim, mogućnost kvarova nikad ne može biti potpuno eliminisana, a dizajniranje elektroenergetske opreme na osnovu stalno rastuće struje kvara nije trgovinsko praktično. Treće rješenje može biti dalje podijeljeno na:
  • smanjenje interkonectivnosti sistema (npr., podela busa);
  • primjena ograničivača struje pri kvaru (FCL-ovi).

Zamjena prekidaca struje s većom sposobnošću prekida je skupa rješenja i u nekim slučajevima može biti nepraktična. Također, sistemi zaštite pokazuju kašnjenja u detekciji kvara na osnovu specifikacija releja. Rad prekidaca struje i gasenje luka nije trenutno, obično zahtijeva 3–5 ciklusa da se potpuno očisti kvar. Stoga, struja kvara obično ne može biti prekinuta unutar prvih 2–8 ciklusa nakon pojavljivanja kvara. Tijekom ovog perioda, vrlo visoka struja teče kroz serijski spojene uređaje duž putanje kvara, i čak i ova kratka trajanja može biti uništavajuća, posebno tijekom prvog ciklusa kada je DC komponenta struje kvara posebno visoka.

Podela busa i smanjena interkonectivnost sistema mogu se smatrati alternativama za rješavanje ovog problema. Međutim, one uvode druge operativne izazove, poput smanjenog kapaciteta prenosa, promijenjenog toka snage i povećanih gubitaka. Potreba za FCL-ovima proizilazi iz nužnosti zaštite skupih i osjetljivih opreme. Općenito, sva predložena rješenja FCL-ova temeljena su na ubacivanju visokog impedansa u serijsku putanju tijekom kvara, razlikuju se samo u implementaciji. Željene karakteristike idealnog FCL-a su obično:

• vrlo nizak impedans pod normalnim uslovima rada sistema;
• ubacivanje visokog impedansa tijekom kvara;
• brzi rad za ograničavanje DC komponente struje kvara;
• sposobnost višestrukih operacija unutar kratkog vremena i samopovratak;
• bez uvodjenja harmonika u sistem snaga;
• minimalizacija privremenih prekomjera napona;
• visoka pouzdanost.

2 Pouzdanost ograničivača struje pri kvaru

Primjena FCL-ova u pretvorama obično motivisana je dvema glavnim razloga:

• izbegavanje skupog rješenja zamjene instaliranih prekidaca struje sa onima s većom sposobnošću prekida struje kvara;
• održavanje topologije pretvore i izbegavanje podela busa zbog operativnih ili pouzdanih razloga. Trenutno, nema pouzdanih izvora ili referenci o karakteristikama pouzdanosti FCL-ova; stoga, u ovoj studiji ciljamo analizirati ovaj problem uzimajući u obzir tehničke karakteristike. Neki FCL-ovi koriste vrlo složene tehnologije, što može smanjiti njihovu pouzdanost.

Postoji različitih tipova FCL-ova, među kojima su rezonantni i nadstrujni FCL-ovi više istaknuti.

A. Rezonantni FCL-ovi

Predloženo je mnogo konfiguracija rezonantnih FCL-ova. Oni se obično klasificiraju kao serijeski rezonantni i paralelni rezonantni FCL-ovi. Rezonantni FCL-ovi posjeduju nekoliko povoljnih karakteristika za ograničavanje kvara, uključujući:

• rad bez prekida struje;
• brz odgovor na kvarove;
• sposobnost prenosa struje kvara tijekom trajanja kvara;
• mogućnost resetovanja.

Međutim, rezonantni FCL-ovi obično sastoje se od više komponenti, a ukupna pouzdanost zavisi od ispravnog rada svake komponente. Također, neki rezonantni FCL-ovi zahtijevaju vanjski okidački uređaj, što znači da su potrebne dodatne komponente za osetljivost na kvar i inicijalizaciju okidača. To povećava složenost sistema i smanjuje pouzdanost. Stoga, samookidački FCL-ovi su očito pouzdaniji.

B. Nadstrujni FCL-ovi

U poređenju s rezonantnim FCL-ovima, nadstrujni FCL-ovi zahtijevaju manje komponenti i su samookidački. Strategija ograničavanja struje kvara je jednostavna i temelji se na prirodnom ponašanju nadstrujnih materijala. Nadstrujnost postoji samo na vrlo niskim temperaturama, pa nadstrujni FCL-ovi zahtijevaju dodatnu hlađeći oprem, što povećava investicione troškove. Koncept predložen u ovom radu ograničen je na procjenu uticaja primjene FCL-ova na pouzdanost pretvora.

3 Načini kvarova FCL-ova

Kao i ostale komponente u visokonaponskim pretvorima, FCL-ovi imaju različite načine kvarova koje treba uzeti u obzir prilikom procjene pouzdanosti pretvora s FCL-ovima. Ovaj odlomak upoređuje stopu kvarova različitih tipova FCL-ova.

Postoji fundamentalna veza između pouzdanosti kompletnog sistema i broja njegovih podsistemi, svi od kojih moraju ispravno raditi kako bi se postigla željena ukupna funkcija.

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

Očito, FCL-ovi koji zahtijevaju sistem okidača (vanjski okidački FCL-ovi) imaju veću stopu kvarova. Općenito, bilo koji FCL koji uključuje okidač ili komutaciju uključuje sekvencijalne operacije više prekidača, zahtijevaju preciznu sinkronizaciju i koordinaciju, što značajno povećava složenost u usporedbi s konvencionalnim prekidacima struje.

U rezonantnim FCL-ovima (i vanjskih i samookidačkih), fiksni načini kvarova mogu nastati zbog varijacija karakteristika rezonantnih elemenata uz promjene uslova rada, poput temperature, ili rada pod nenominativnim uslovima.

Nadstrujni FCL-ovi pokazuju takve načine kvarova samo kod prekomjernog hlađenja, što rijetko dolazi do. Stoga se može reći da nadstrujni FCL-ovi u suštini nemaju ovaj način kvara. U većini slučajeva, nadstrujni FCL-ovi mogu biti dizajnirani sa predvidljivim parametrima i izdržavati hiljade ciklusa aktivacije i oporavka. Također, korištenje manjih FCL-ova umjesto većih može poboljšati i pouzdanost i sposobnost ograničavanja struje. Tabela 1 kraće upoređuje stope pojave različitih načina kvarova za različite tipove FCL-ova.

4 Praktična primjena

Prikazan je uzorak pretvore na slici 1 za procjenu uticaja primjene FCL-ova na pouzdanost pretvora. Poznato je da se tijekom održavanja, koristi prekidaci bus-sekcije za upravljanje shemama zaštite i poboljšanje fleksibilnosti konfiguracija pretvora. Kada nivo struje kvara u pretvoru premaši sposobnost prekida prekidaca struje, zamjena prekidaca bus-sekcije s FCL-om postaje moguće rješenje. Zaista, Inter-Bus FCL je jedna od najčešćih primjena FCL-ova.

Pretpostavimo da su svi opterećenja povezani s 330 kV bus identični. Procjena pouzdanosti fokusira se na Opterećenje 1 na lijevom 330 kV busu i Opterećenje 5 na desnom 330 kV busu. Pouzdanost opterećenja procjenjuje se pomoću sljedećih indeksa: (1) Vjerojatnost gubitka opterećenja (%); (2) Godišnje vrijeme prekida (U). 330 kV bus se pretpostavlja da je potpuno pouzdan. Da bi se izbjegle nepotrebne izračunavanja, načini kvarova koji uključuju istovremeni kvar više od tri komponente nisu uzeti u obzir. Budući da je stopa pojavljivanja takvih načina kvarova vrlo niska, ova pretpostavka ne dovodi do značajne greške.

Tabela 2 prikazuje stope kvarova i vremena popravke komponenti. Za početnu analizu, počnemo izračunavanjem indeksa pouzdanosti vezanih za lijevi 330 kV bus. Da bi se napravila informisan i sveobuhvatan upored, teoretski, trebali bismo izračunati indekse pouzdanosti za sve tačke opterećenja od L1 do L7. Međutim, budući da su ova opterećenja slična i povezana s istim busom, imat će slične načine kvarova. Stoga nam je potrebno izračunati indekse pouzdanosti samo za Tačku opterećenja 1 (L1) na lijevom busu i Tačku opterećenja 5 (L5) na desnom busu.

Kao što je spomenuto, za analizu su korištena dva vjerojatnosna indeksa: vjerojatnost gubitka opterećenja (u f/god) i godišnje vrijeme prekida (u sati/god, A). Ovi indeksi su procijenjeni za slučaj jednog kvara komponente.

Za slučaj istovremenog kvara dvije komponente, ekvivalentna stopa kvarova (λₑ), prosječno vrijeme prekida (r) i godišnje vrijeme prekida (u) izražavaju se kao:

Za slučaj istovremenog kvara na tri nivoa, izražava se kao:

Uzimajući u obzir sve načine kvarova, ukupna stopa kvarova i ukupno godišnje vrijeme prekida mogu se izračunati kao:

Tabela 3 prikazuje rezultate analize pouzdanosti za opterećenja.

Sada se isti izračun vrši za isporuke na drugom 230 kV busu. Tabela 4 prikazuje rezultate vezane za tačku opterećenja LS.

5 Zaključak

U ovom radu predstavljena je primjena ograničivača struje pri kvaru (FCL-ova) za poboljšanje pouzdanosti pretvora, opisan je matematički model i postupak izračunavanja pouzdanosti, te procijenjen uticaj primjene FCL-ova na pouzdanost pretvora. Rezultati pokazuju da je pouzdanost pretvora poboljšana korištenjem FCL-ova. Također je provedena analiza osjetljivosti kako bi se ispitao uticaj različitih parametara, poput stope aktivnih kvarova, stope pasivnih kvarova i vremena popravke FCL-a, na indekse pouzdanosti.