Uchunguzi wa Uaminifu wa Fault Current Limiters katika Substations za Umeme wa Kiwango Kikuu

1 Utangulizi

Kwa kutoa malipo ya nishati ya umeme ambayo inatarajiwa kuongezeka haraka, mitandao ya kutengeneza, kutuma na kukatiza umeme lazima yafanikiwe. Moja ya maswala muhimu yanayotokea kutokana na maendeleo haya ni ongezeko la haraka la viwango vya magari vya chakula vinavyovunjika. Ongezeko la viwango vya magari vya chakula vinavyovunjika huchangia changamoto kadhaa:

• kutokoka kwa vifaa vilivyovunganishwa kwa mstari wa hitilafu;
• ongezeko la viwango vya wingi na vya kurudi wakati unavyovunjika, ambavyo yanaweza kuharibu mfumo wa uzimbu;
• kuundwa kwa nguvu za kimikono sana katika vifaa vilivyotengenezwa kwa kutumia mabiga (mfano, transformers, generators, reactors);
• hitilafu inaweza kuonekana kutegemea kwenye ukubwa na muda wa kutatua magari;
• vifaa vilivyotengenezwa vya kutatua magari vinavyopo si vyowezi zaidi kutatua magari vilivyooongezeka, kisukari chenye gharama inaweza kuwa lazima kuzingatia muda na fedha; ili kuevita gharama hizo, transformers za umeme zinazopigana zinaweza kugawanyika au uhusiano wa mfumo kushindika, ambayo huathiri uwezo wa kutuma na uhakika wa mfumo;
• magari vilivyooongezeka huongeza muda wa kupanga hatua za kutatua, kufanya muda wa kutokosa kuongezeka na gharama za kiuchumi;
• kuondoka kwa uhakika wa grid.

Sasa, tatu tu za suluhisho yanayofanikiwa kutumika kudhibiti athari hizo:

• kuunda msimbo wa grid unaopunguza uwezekano wa hitilafu;
• kutumia vifaa vilivyotengenezwa vya kutatua magari vilivyooongezeka au kutengeneza vifaa vilivyochache na vyowezi zaidi;
• kuhariri grid ili kupunguza viwango vya magari vya chakula. Mzunguko wa suluhisho haya hutumika kwa kutosha kufanikiwa kwa utaratibu wa mtandao bila kusita uhakika wa mfumo. Hata hivyo, uwezekano wa hitilafu haewezi kufanikiwa kabisa, na kutengeneza vifaa vya umeme kutegemea viwango vya magari vya chakula vilivyooongezeka si rahisi kwa biashara. Suluhisho lalio tatu linaweza kupunguzwa kwa:
  • kupunguza uhusiano wa mfumo (mfano, bus splitting);
  • kutumia vifaa vilivyotengenezwa vya kupunguza viwango vya magari (FCLs).

Kutumia vifaa vilivyotengenezwa vya kutatua magari vilivyooongezeka ni suluhisho cha gharama, na inaweza si kufanikiwa kwenye matumizi fulani. Zaidi, mfumo wa usalama unaonyesha muda wa kutofautiana katika kutambua hitilafu kutegemea vigezo vya relay. Ufanyiko wa vifaa vilivyotengenezwa vya kutatua magari na upungufu wa arc si wa mara moja, mara nyingi inahitaji mikoa mitatu hadi tano kwa kutosha kusuluhisha hitilafu. Kwa hiyo, viwango vya magari vinavyooongezeka huenda si vyowezi kutatuliwa ndani ya mikoa miwili hadi minane baada ya hitilafu. Katika muda huo, viwango vya magari vya wingi vinavyovunjika vinapanda kwa mstari wa hitilafu, na hata muda huo mfupi unaweza kuwa wa kuharibu, hasa katika mkoa wa kwanza wakati DC component ya viwango vya magari vya chakula inaonekana kuwa sana.

Bus splitting na kupunguza uhusiano wa mfumo wanaweza kutathmini kama alternatives za kutatua tatizo hilo. Hata hivyo, wanaweza kuleta changamoto nyingine za kazi, kama vile kupunguza uwezo wa kutuma, kubadilisha mchakato wa nishati na kuongeza mizigo. Hitaji wa FCLs unategemea kutegemea kwa kuhifadhi vifaa vilivyohitajika na vyoweke. Mara nyingi, majukumu yote yanayotengenezwa ya FCL yanategemea kutumia impedance ya juu kwenye mstari wa series wakati wa hitilafu, kunategemea tu kwa njia ya kutumia. Sifa zinazompatikanisha FCL mzuri ni:

• impedance chache sana kwenye tofauti za nishati za asili;
• kutumia impedance chache wakati wa hitilafu;
• mchakato wa haraka kutatua DC component ya viwango vya magari;
• uhakika wa kutumia mara mingi ndani ya muda mfupi na kuregeni;
• si kutumia harmonics katika mfumo wa nishati;
• kupunguza viwango vya wingi;
• uhakika wa juu.

2 Uhakika wa Vifaa vilivyotengenezwa vya Kupunguza Viwango vya Magari

Tumia FCLs katika substations ni kwa sababu mbili:

• kutokuwa na suluhisho la gharama la kutengeneza vifaa vilivyotengenezwa vya kutatua magari vilivyooongezeka;
• kudumisha topologia ya substation na kutegeuka kwa bus splitting kutokana na matatizo ya kazi au uhakika. Sasa, hakuna chanzo chenye uhakika au rujma za uhakika ya FCLs; kwa hiyo, katika utafiti huu, tunataka kutathmini tatizo hili kwa kutumia sifa tekniki. Baadhi ya FCLs hunatumia teknolojia za kiholela, ambazo zinaweza kupunguza uhakika zao.

Kuna aina mbalimbali za FCLs, kati ya zile zinazowezeshwa zaidi ni resonant-type na superconducting FCLs.

A. Resonant-Type FCLs

Mabadiliko mengi ya resonant-type FCLs yamefunuliwa. Wanaweza kutathmini kama series resonant-type na parallel resonant-type FCLs. Resonant-type FCLs huanza na sifa nzuri za kutatua hitilafu, ikiwa ni:

• Ufanyiko bila kutatua magari;
• Jibu la haraka kwa hitilafu;
• Uwezo wa kutumia viwango vya magari vya chakula wakati wa hitilafu;
• Uwezo wa kuregeni.

Hata hivyo, resonant-type FCLs mara nyingi huwa na vipengele vingine, na uhakika wa kimaanisha unategemea kwa ufanyiko sahihi wa kila kitu. Zaidi, baadhi ya resonant-type FCLs hutanatumia kifaa cha kuchelewesha kwenye nje, ambacho kinaleta vipengele vingine vya kutambua hitilafu na kuanza kuchelewesha. Hii huongeza umuhimu wa mfumo na kupunguza uhakika. Kwa hiyo, FCLs zinazochelewesha mwenyewe ni zaidi za uhakika.

B. Superconducting FCLs

Ingawa superconducting FCLs huanza na vipengele chache sana na zinachelewesha mwenyewe. Njia ya kutatua hitilafu ni rahisi na inategemea tabia ya asili ya vitu vya superconducting. Superconductivity inaonekana tu katika viwango vya chenchi visivyo wakati, kwa hiyo superconducting FCLs hutanatumia zana za ziada za kutengeneza, kufanya gharama za kibinafsi. Mjadala uliyofunuliwa katika makala hii unategemea kwa kutathmini athari ya kutumia FCLs kwenye uhakika ya substation.

3 Faili Modes ya FCLs

Kama vipengele vingine katika substations za viwango vya juu, FCLs huanza na faili modes tofauti ambazo yanaweza kutathmini uhakika wa substations za kutuma ambazo zinatumia FCLs. Sekta hii hutathmini faili rates za aina mbalimbali za FCLs.

Kuna uhusiano muhimu kati ya uhakika wa mfumo kamili na idadi ya subsystems zake, ambazo zote zinaweza kufanya kazi sahihi kufanikiwa kwa kimaanisha kamili.

• A. Active failure modes
• B. Passive failure modes
• C. Fixed failure modes

Ni rahisi kusema, FCLs zinazotumia mfumo wa kuchelewesha (externally triggered FCLs) huanza na faili rates zinazozidi. Mara nyingi, chochote FCL kinachotumia kuchelewesha au commutation huwa na mchakato wa sequential operations wa multiple switching devices, inahitaji synchronization na coordination precise, ingeharibu umuhimu wa mfumo zaidi kuliko circuit breakers za asili.

Katika resonant-type FCLs (both externally and self-triggered), fixed failure modes zinaweza kutokea kutokana na mabadiliko ya resonant element characteristics kutokana na mabadiliko ya operating conditions kama temperature, au kufanya kazi chini ya rated conditions.

Superconducting FCLs huanza na faili modes hizi tu wakati wa cooling sana, ambayo hainaonekana sana. Kwa hiyo, inaweza semekana superconducting FCLs hawana faili mode hii. Mara nyingi, superconducting FCLs zinaweza kutengenezwa na parameters zinazoweza kutathmini na kusaidia cycles nyingi za activation na recovery. Zaidi, kutumia FCLs madogo badala ya makubwa zinaweza kuboresha both reliability na current-limiting capability. Table 1 hutathmini faili rates za tofauti za aina mbalimbali za FCLs.

4 Matumizi ya Kiwango

Substation sample iliyofanuliwa Fig. 1 inatumika kuthibitisha athari ya kutumia FCLs kwenye uhakika ya substation. Ni rahisi kujua, wakati wa huduma, kutumia bus-sectioning circuit breakers kusaidia protection schemes na kuongeza flexibility ya configurations za substation ni kwa kawaida. Waktu viwango vya magari vya chakula vya substation vinavyooongezeka zaidi kutokana na interrupting capacity ya circuit breakers, kutengeneza bus-sectioning breaker na FCL inaweza kuwa suluhisho la kutosha. Ingawa, Inter-Bus FCL ni moja ya applications za FCLs zinazotumika sana.

Tumaini kwamba yote loads zinazolinkwa kwenye 330 kV bus ni sawa. Assessment ya uhakika unategemea Load 1 kwenye 330 kV bus kali na Load 5 kwenye 330 kV bus kulia. Uhakika wa load unathibitishwa kwa kutumia indices: (1) Probability of Load loss (%); (2) Annual outage time (U). 330 kV bus inaweza kutathmini kama full reliable. Ili kukosa calculations zisizohitajika, faili modes zinazotumia simultaneous failure of more than three components hazitoshatani. Kwa sababu ya kutoshatania ya faili modes hizo, assumption hii haihitaji error sana.

Table 2 inawaelezea faili rates na repair times za components. Kwa analysis ya mwanzo, tunanza kwa kutathmini indices za uhakika zinazotegemea 330 kV bus kali. Kwa kutathmini na kumpisha, tunapaswa kuthibitisha indices za uhakika kwa all load points kutoka L1 hadi L7. Hata hivyo, kwa sababu ya loads hizo zinazosawa na zinazolinkwa kwenye bus sawa, zitakuwa na faili modes sawa. Kwa hiyo, tunapaswa kuthibitisha indices za uhakika kwa Load Point 1 (L1) kwenye bus kali na Load Point 5 (L5) kwenye bus kulia.

Kama ilivyosema hapo awali, two probabilistic indices zinatumika kwa thibitisho: probability of load loss (in f/yr) na annual outage time (in hours/year, A). Indices hizo zinathibitishwa kwa case ya single component failure.

Kwa case ya simultaneous failure of two components, equivalent failure rate (λₑ), average outage duration (r), na annual outage time (u) inaelezwa kama ifuatavyo:

Kwa case ya simultaneous failure at three levels, inaelezwa kama ifuatavyo:

Kutokana na faili modes zote, total failure rate na total annual outage time zinaweza kuthibitishwa kama ifuatavyo:

Table 3 inawaelezea matokeo ya assessment ya uhakika kwa loads.

Sasa, calculation sawa inafanyika kwa feeders kwenye 230 kV bus nyingine. Table 4 inawaelezea matokeo yanayohusiana na load point LS.

5 Mwisho

Makala hii inaelezea tumia fault current limiters (FCLs) katika kuongeza uhakika ya substation, inaelezea mathematical model na procedure ya kutathmini uhakika, na inathibitisha athari ya kutumia FCLs kwenye uhakika ya substation. Matokeo yanaelezea kuwa uhakika ya substation imeongezeka kutumia FCLs. Tathmini ya sensitivity pia imefanyika kuthibitisha athari ya parametres tofauti - kama vile active failure rate, passive failure rate, na repair time ya FCL - kwenye indices za uhakika.