Reliabilitetsanalys av felströmsbegränsare i högspänningsunderstationer

1 Introduktion

För att möta den snabbt växande efterfrågan på elektrisk energi måste elproduktion, överföring och distribution utvecklas i takt. Ett av de kritiska problemen som uppstår genom denna utveckling är det snabba ökandet av kortslutningsströmmar. Ökningen av kortslutningsströmmar leder till flera risker:

• överhettning av seriekopplade enheter längs felvägen;
• ökade tillfälliga och återhämtningsspänningar under strömavbrott, vilket kan skada isoleringssystem;
• generering av extremt höga mekaniska krafter i spolebaserad utrustning (t.ex. transformatorer, generatorer, reaktorer);
• potentiell systeminstabilitet beroende på storleken och avbrottsdurens av felströmmen;
• befintliga strömbrytare kan inte längre vara kapabla att avbryta den ökade felströmmen, vilket kräver kostsamma ersättningar i tid och pengar; för att undvika sådana kostnader kan parallella strömtransformatorer begränsas eller systemets sammanlänkning minskas, vilket komprometterar överföringskapaciteten och systemets tillförlitlighet;
• ökade felströmmar förlänger korrektionsåtgärder, vilket leder till längre driftstopp och större ekonomiska förluster;
• minskad nätets tillförlitlighet.

För närvarande finns det tre huvudsakliga lösningar för att mildra dessa effekter:

• konstruktion av nätstrukturer med minimal felrisk;
• användning av strömbrytare med högre avbrottskapacitet eller ersättning av svagare brytare med mer kapabla;
• modifikation av nätet för att minska kortslutningsnivåer. En kombination av dessa lösningar används vanligtvis för att uppnå optimal nätverksdesign samtidigt som systemets tillförlitlighet hålls inom godtagbara gränser. Dock kan möjligheten till fel aldrig helt elimineras, och design av elförbrukningsutrustning baserat på alltmer ökande kortslutningsströmmar är kommersiellt orealistiskt. Den tredje lösningen kan vidare delas in i:
  • minskning av systemets sammanlänkning (t.ex. busseparation);
  • användning av felströmsbegränsare (FCLs).

Ersättning av strömbrytare med högre avbrottskapacitet är en kostsam lösning och kan inte alltid vara genomförbar. Dessutom visar skyddssystem fördröjningar i feldetektion baserat på reläspecifikationer. Strömbrytarnas operation och bågeutsläckning är inte omedelbara, vilket vanligtvis kräver 3–5 cykler för fullständig felavbrottning. Därför kan felströmmar vanligtvis inte avbrytas inom de första 2–8 cyklerna efter ett fel. Under denna period flödar mycket höga strömmar genom seriekopplade enheter i felvägen, och även denna korta varaktighet kan vara destruktiv, särskilt under den första cykeln då DC-komponenten av felströmmen är särskilt hög.

Busseparation och minskad systemsammanlänkning kan betraktas som alternativ för att hantera detta problem. Men de introducerar andra driftutmaningar, som minskad överföringskapacitet, ändrad strömflöde och ökade förluster. Behovet av FCLs uppstår från behovet att skydda dyra och känsliga enheter. Generellt sett bygger alla föreslagna FCL-strategier på införandet av hög impedans i seriesträngen under ett fel, med skillnaden endast i implementering. De önskvärda egenskaperna hos en ideal FCL är vanligtvis:

• mycket låg impedans under normala elförhållanden;
• införande av hög impedans under ett fel;
• snabb operation för att begränsa DC-komponenten av felströmmen;
• förmåga att utföra flera operationer inom kort tid och självläkning;
• ingen introduktion av harmoniker i elförsörjningen;
• minimering av tillfälliga överspänningar;
• hög tillförlitlighet.

2 Tillförlitlighet hos Felströmsbegränsare

Användningen av FCLs i omvandlingsstationer motiveras vanligtvis av två huvudsakliga orsaker:

• undvikande av den dyra lösningen att ersätta installerade strömbrytare med dem som har högre kortslutningskapacitet;
• bevarande av omvandlingsstationstopologi och undvikande av busseparation på grund av drift- eller tillförlitlighetsproblem. För närvarande finns det inga tillförlitliga källor eller referenser till tillförlitlighetskaraktärer för FCLs; därför syftar vi i denna studie till att analysera detta problem genom att beakta tekniska karaktärer. Vissa FCLs använder mycket komplexa teknologier, vilket kan minska deras tillförlitlighet.

Det finns olika typer av FCLs, varav resonanstyper och superledande FCLs är mer framträdande.

A. Resonanstyper av FCLs

Många konfigurationer för resonanstyper av FCLs har föreslagits. De klassificeras generellt som serie-resonanstyper och parallell-resonanstyper av FCLs. Resonanstyper av FCLs har flera gynnsamma egenskaper för felskydd, inklusive:

• operation utan strömavbrott;
• snabb respons vid fel;
• förmåga att bära kortslutningsström under felvaraktighet;
• återställningsförmåga.

Resonanstyper av FCLs består dock vanligtvis av flera komponenter, och den totala tillförlitligheten beror på korrekt fungerande av varje komponent. Dessutom kräver vissa resonanstyper av FCLs en extern utlösande enhet, vilket innebär att extra komponenter behövs för att mäta kortslutningen och initiera utlösning. Detta ökar systemkomplexiteten och minskar tillförlitligheten. Därför är självtillämpade FCLs tydligt mer tillförlitliga.

B. Superledande FCLs

Jämfört med resonanstyper av FCLs kräver superledande FCLs färre komponenter och är självtillämpade. Strategin för felströmsbegränsning är enkel och baserad på det naturliga beteendet hos superledande material. Superledning existerar endast vid mycket låga temperaturer, så superledande FCLs kräver ytterligare kylutrustning, vilket ökar investeringskostnaderna. Konceptet föreslaget i denna artikel begränsas till att utvärdera effekten av FCL-användning på omvandlingsstationens tillförlitlighet.

3 Feltyper hos FCLs

Precis som andra komponenter i högspänningsomvandlingsstationer visar FCLs olika feltyper som bör beaktas när man bedömer tillförlitligheten hos överföringsstationer som innehåller FCLs. Denna sektion jämför felhastigheterna för olika typer av FCLs.

Det finns en fundamental relation mellan tillförlitligheten hos ett komplett system och antalet dess undersystem, vilka alla måste fungera korrekt för att uppnå den önskade totala funktionen.

• A. Aktiva feltyper
• B. Passiva feltyper
• C. Fastställda feltyper

Det är uppenbart att FCLs som kräver ett utlösningssystem (externa utlösta FCLs) har högre felets hastigheter. I allmänhet involverar alla FCLs som involverar utlösning eller kommutering sekventiella operationer av flera växlar, vilket kräver precisions synkronisering och samordning, vilket betydligt ökar komplexiteten jämfört med konventionella strömbrytare.

I resonanstyper av FCLs (både externa och självtillämpade) kan fastställda feltyper uppstå på grund av variationer i resonanselementegenskaper orsakade av förändringar i driftvillkor som temperatur, eller drift under icke-nominella villkor.

Superledande FCLs visar bara sådana feltyper vid överdriven kyling, vilket sällan inträffar. Så kan det sägas att superledande FCLs i princip inte har denna feltyp. I de flesta fall kan superledande FCLs designas med förutsägbara parametrar och klara tusentals aktiveringar och återhämtningar. Dessutom kan användningen av mindre FCLs istället för större förbättra både tillförlitlighet och strömbegränsningsförmåga. Tabell 1 jämför kortfattat förekomsten av olika feltyper över olika typer av FCLs.

4 Praktisk tillämpning

En exempelomvandlingsstation visas i Fig. 1 för att utvärdera effekten av att implementera FCLs på omvandlingsstationens tillförlitlighet. Det är väl känt att under underhåll används busseparationsströmbrytare för att hantera skyddsscheman och förbättra flexibiliteten i omvandlingsstationernas konfigurationer. När felströmnivån i en omvandlingsstation överskrider strömbrytarnas avbrottskapacitet blir ersättning av busseparationsbrytaren med en FCL en möjlig lösning. Verkligen, Inter-Bus FCL är en av de mest vanliga tillämpningarna av FCLs.

Antag att alla belastningar kopplade till 330 kV-bussen är identiska. Tillförlitlighetsbedömningen fokuserar på Belastning 1 vid den vänstra 330 kV-bussen och Belastning 5 vid den högra 330 kV-bussen. Belastningstillförlitlighet utvärderas med hjälp av följande index: (1) Sannolikhet för belastningsförlust (%); (2) Årlig driftstoppstid (U). 330 kV-bussen antas vara fullt tillförlitlig. För att undvika onödiga beräkningar tas feltyper som involverar samtidig fel av mer än tre komponenter inte i beaktning. Eftersom förekomsten av sådana feltyper är mycket låg, introducerar denna antagelse ingen betydande fel.

Tabell 2 visar felhastigheterna och reparations tiderna för komponenterna. För den inledande analysen börjar vi med att beräkna tillförlitlighetsindexen som är associerade med den vänstra 330 kV-bussen. För att göra en informerad och omfattande jämförelse, borde vi teoretiskt beräkna tillförlitlighetsindexen för alla belastningspunkter från L1 till L7. Men eftersom dessa belastningar är likartade och anslutna till samma buss, kommer de att ha liknande feltyper. Därför behöver vi bara beräkna tillförlitlighetsindexen för Belastningspunkt 1 (L1) på den vänstra bussen och Belastningspunkt 5 (L5) på den högra bussen.

Som nämnts ovan används två probabilistiska index för analysen: sannolikhet för belastningsförlust (i f/år) och årlig driftstoppstid (i timmar/år, A). Dessa index utvärderas för fallet med ett enskilt komponentfel.

För fallet med samtidigt fel av två komponenter uttrycks den ekvivalenta felhastigheten (λₑ), genomsnittliga driftstoppstiden (r) och årliga driftstoppstiden (u) som följer:

För fallet med samtidigt fel på tre nivåer uttrycks det som följer:

Med hänsyn till alla feltyper kan den totala felhastigheten och den totala årliga driftstoppstiden beräknas som följer:

Tabell 3 visar resultaten av tillförlitlighetsanalysen för belastningarna.

Nu utförs samma beräkning för ledarna på den andra 230 kV-bussen. Tabell 4 visar resultaten relaterade till belastningspunkt LS.

5 Slutsats

Denna artikel presenterar tillämpningen av felströmsbegränsare (FCLs) för att förbättra tillförlitligheten i omvandlingsstationer, beskriver matematiska modeller och procedurer för tillförlitlighetsberäkning, och utvärderar effekten av FCL-implementering på tillförlitligheten i omvandlingsstationer. Resultaten indikerar att tillförlitligheten i omvandlingsstationer förbättras genom användning av FCLs. En känslighetsanalys genomförs också för att undersöka inverkan av olika parametrar, såsom den aktiva felhastigheten, den passiva felhastigheten och reparationstiden för FCL, på tillförlitlighetsindexen.