การวิเคราะห์ความน่าเชื่อถือของตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าผิดปกติในสถานีไฟฟ้าแรงสูง

1 บทนำ

เพื่อตอบสนองความต้องการพลังงานไฟฟ้าที่เติบโตอย่างรวดเร็ว ระบบการผลิต การส่งผ่าน และการกระจายพลังงานไฟฟ้าต้องพัฒนาตามไปด้วย หนึ่งในปัญหาสำคัญที่เกิดจากการพัฒนานี้คือการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของกระแสไฟฟ้าลัดวงจร กระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่เพิ่มขึ้นทำให้เกิดภัยหลายประการ:

• ความร้อนสูงเกินไปของอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมตามเส้นทางของความผิดปกติ;
• แรงดันไฟฟ้าชั่วคราวและแรงดันฟื้นฟูที่เพิ่มขึ้นระหว่างการหยุดกระแสไฟฟ้า ซึ่งอาจทำลายระบบฉนวน;
• การสร้างแรงกลสูงมากในอุปกรณ์ที่ใช้คอยล์ (เช่น เทรนส์ฟอร์เมอร์ เกเนอเรเตอร์ รีแอคเตอร์);
• ความไม่เสถียรของระบบตามขนาดและความเร็วในการกำจัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจร;
• วงจรตัดไฟที่มีอยู่อาจไม่สามารถหยุดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่เพิ่มขึ้นได้อีก จำเป็นต้องเปลี่ยนทดแทนด้วยค่าใช้จ่ายที่สูงในเวลาและเงิน ในการหลีกเลี่ยงค่าใช้จ่ายดังกล่าว อาจจำกัดการเชื่อมต่อขนานของเทรนส์ฟอร์เมอร์หรือลดการเชื่อมต่อระบบ ซึ่งจะทำให้ความจุการส่งผ่านและเสถียรภาพของระบบลดลง;
• กระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่เพิ่มขึ้นทำให้การแก้ไขปัญหายืดเยื้อ ทำให้ระยะเวลาการขาดแคลนยาวนานขึ้นและทำให้เกิดความสูญเสียทางเศรษฐกิจมากขึ้น;
• ความน่าเชื่อถือของระบบไฟฟ้าลดลง.

ปัจจุบัน มีวิธีการหลักสามวิธีที่ใช้เพื่อลดผลกระทบเหล่านี้:

• การสร้างโครงสร้างเครือข่ายที่มีโอกาสเกิดความผิดปกติน้อย;
• การใช้วงจรตัดไฟที่มีความสามารถในการตัดกระแสสูงขึ้น หรือการเปลี่ยนวงจรตัดไฟที่อ่อนแอโดยใช้วงจรตัดไฟที่มีความสามารถสูงกว่า;
• การปรับแต่งเครือข่ายเพื่อลดระดับกระแสไฟฟ้าลัดวงจร. วิธีการเหล่านี้มักใช้ร่วมกันเพื่อให้ได้การออกแบบเครือข่ายที่เหมาะสมที่สุด ในขณะเดียวกันก็รักษาความน่าเชื่อถือของระบบให้อยู่ในขีดจำกัดที่ยอมรับได้ อย่างไรก็ตาม ความเป็นไปได้ของการเกิดความผิดปกติไม่สามารถกำจัดได้โดยสิ้นเชิง และการออกแบบอุปกรณ์ไฟฟ้าบนกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องไม่สามารถทำได้ในเชิงพาณิชย์ วิธีการที่สามสามารถแบ่งออกเป็น:
  • การลดการเชื่อมต่อระบบ (เช่น การแยกบัส);
  • การใช้ตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจร (FCLs).

การเปลี่ยนวงจรตัดไฟที่มีความสามารถในการตัดกระแสสูงขึ้นเป็นวิธีการที่มีค่าใช้จ่ายสูงและอาจไม่สามารถทำได้ในบางกรณี นอกจากนี้ ระบบป้องกันยังแสดงความล่าช้าในการตรวจจับความผิดปกติตามคุณสมบัติของรีเลย์ การทำงานของวงจรตัดไฟและการดับอาร์คไม่ได้เกิดขึ้นทันที ทั่วไปแล้วต้องใช้เวลา 3-5 รอบเพื่อกำจัดความผิดปกติอย่างสมบูรณ์ ดังนั้น กระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่สูงมากจะไหลผ่านอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมในเส้นทางของความผิดปกติ แม้ระยะเวลาสั้น ๆ นี้ก็อาจทำให้เกิดความเสียหาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในรอบแรกที่ส่วนประกอบกระแสตรงของกระแสไฟฟ้าลัดวงจรสูงมาก

การแยกบัสและการลดการเชื่อมต่อระบบสามารถพิจารณาเป็นทางเลือกในการแก้ปัญหานี้ แต่ก็ทำให้เกิดความท้าทายในการดำเนินงานอื่น ๆ เช่น ความจุการส่งผ่านที่ลดลง การเปลี่ยนแปลงการไหลของพลังงาน และการสูญเสียที่เพิ่มขึ้น ความต้องการ FCLs เกิดจากความจำเป็นในการปกป้องอุปกรณ์ที่มีราคาแพงและไวต่อความเสียหาย ทั่วไปแล้ว วิธีการ FCL ทั้งหมดที่เสนอมาจะอาศัยการแทรกความต้านทานสูงเข้าไปในเส้นทางอนุกรมระหว่างความผิดปกติ แตกต่างกันแค่เพียงวิธีการปฏิบัติ คุณสมบัติที่ต้องการของ FCL ที่ 이상เจริญคือ:

• ความต้านทานต่ำมากภายใต้สภาพการทำงานปกติของระบบไฟฟ้า;
• การแทรกความต้านทานสูงระหว่างความผิดปกติ;
• การทำงานอย่างรวดเร็วเพื่อจำกัดส่วนประกอบกระแสตรงของกระแสไฟฟ้าลัดวงจร;
• ความสามารถในการทำงานหลายครั้งภายในระยะเวลาสั้น ๆ และฟื้นฟูตัวเอง;
• ไม่ทำให้เกิดฮาร์โมนิกในระบบไฟฟ้า;
• การลดแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว;
• ความน่าเชื่อถือสูง.

2 ความน่าเชื่อถือของตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจร

การใช้งาน FCLs ในสถานีไฟฟ้าโดยทั่วไปมีเหตุผลหลักสองประการ:

• การหลีกเลี่ยงวิธีการที่มีค่าใช้จ่ายสูงในการเปลี่ยนวงจรตัดไฟที่ติดตั้งอยู่ด้วยวงจรตัดไฟที่มีความสามารถในการตัดกระแสสูงกว่า;
• การรักษาโทโพโลยีของสถานีไฟฟ้าและหลีกเลี่ยงการแยกบัสเนื่องจากปัญหาการดำเนินงานหรือความน่าเชื่อถือ ปัจจุบัน ไม่มีแหล่งข้อมูลหรือเอกสารอ้างอิงที่น่าเชื่อถือเกี่ยวกับคุณสมบัติความน่าเชื่อถือของ FCLs ดังนั้น ในศึกษานี้ เราตั้งใจที่จะวิเคราะห์ประเด็นนี้โดยพิจารณาคุณสมบัติทางเทคนิค บาง FCLs ใช้เทคโนโลยีที่ซับซ้อนมาก ซึ่งอาจลดความน่าเชื่อถือ

มีประเภทของ FCLs หลายประเภท ซึ่ง FCL แบบเรโซแนนซ์และ FCL แบบ supperconducting โดดเด่นมากที่สุด

A. FCL แบบเรโซแนนซ์

มีการเสนอโครงสร้าง FCL แบบเรโซแนนซ์มากมาย ทั่วไปแล้วจะแบ่งเป็น FCL แบบเรโซแนนซ์อนุกรมและ FCL แบบเรโซแนนซ์ขนาน FCL แบบเรโซแนนซ์มีคุณสมบัติที่เหมาะสมสำหรับการจำกัดความผิดปกติหลายประการ รวมถึง:

• การทำงานโดยไม่ต้องตัดกระแส;
• การตอบสนองอย่างรวดเร็วต่อความผิดปกติ;
• ความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าลัดวงจรระหว่างระยะเวลาความผิดปกติ;
• ความสามารถในการรีเซ็ต.

อย่างไรก็ตาม FCL แบบเรโซแนนซ์มักประกอบด้วยหลายส่วน และความน่าเชื่อถือโดยรวมขึ้นอยู่กับการทำงานที่ถูกต้องของแต่ละส่วน นอกจากนี้ บาง FCL แบบเรโซแนนซ์ต้องการอุปกรณ์ทริกเกอร์ภายนอก หมายความว่าต้องใช้ส่วนประกอบเพิ่มเติมเพื่อตรวจจับกระแสไฟฟ้าลัดวงจรและเริ่มต้นทริกเกอร์ ซึ่งเพิ่มความซับซ้อนของระบบและลดความน่าเชื่อถือ ดังนั้น FCL ที่ทริกเกอร์เองจะมีความน่าเชื่อถือมากกว่า

B. FCL แบบ supperconducting

เมื่อเทียบกับ FCL แบบเรโซแนนซ์ FCL แบบ supperconducting ต้องการส่วนประกอบน้อยกว่าและเป็น FCL ที่ทริกเกอร์เอง กลยุทธ์การจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรเป็นเรื่องง่ายและขึ้นอยู่กับพฤติกรรมตามธรรมชาติของวัสดุ supperconducting ภาวะ supperconductivity ดำรงอยู่ได้เฉพาะที่อุณหภูมิต่ำมาก ดังนั้น FCL แบบ supperconducting ต้องการอุปกรณ์ทำความเย็นเพิ่มเติม ทำให้ค่าใช้จ่ายในการลงทุนเพิ่มขึ้น แนวคิดที่เสนอในบทความนี้จำกัดอยู่ที่การประเมินผลกระทบจากการใช้งาน FCL ต่อความน่าเชื่อถือของสถานีไฟฟ้า

3 โหมดการล้มเหลวของ FCLs

เช่นเดียวกับส่วนประกอบอื่น ๆ ในสถานีไฟฟ้าแรงสูง FCLs มีโหมดการล้มเหลวที่แตกต่างกันซึ่งควรพิจารณาเมื่อประเมินความน่าเชื่อถือของสถานีไฟฟ้าแรงสูงที่มี FCLs ส่วนนี้เปรียบเทียบอัตราการล้มเหลวของ FCL ประเภทต่าง ๆ

มีความสัมพันธ์พื้นฐานระหว่างความน่าเชื่อถือของระบบสมบูรณ์และจำนวนของระบบย่อย ทั้งหมดต้องทำงานอย่างถูกต้องเพื่อให้บรรลุฟังก์ชันโดยรวมที่ต้องการ

• A. โหมดการล้มเหลวด้านแอคทีฟ
• B. โหมดการล้มเหลวด้านพาสซีฟ
• C. โหมดการล้มเหลวด้านคงที่

ชัดเจนว่า FCLs ที่ต้องการระบบทริกเกอร์ (FCL ที่ทริกเกอร์ภายนอก) มีอัตราการล้มเหลวสูง ทั่วไปแล้ว FCL ใด ๆ ที่มีการทริกเกอร์หรือการสลับสถานะจะต้องมีการทำงานลำดับของสวิตช์หลายตัว ต้องการการประสานงานและซิงโครไนซ์อย่างแม่นยำ ซึ่งเพิ่มความซับซ้อนมากกว่าวงจรตัดไฟแบบเดิม

ใน FCL แบบเรโซแนนซ์ (ทั้งที่ทริกเกอร์ภายนอกและทริกเกอร์เอง) โหมดการล้มเหลวด้านคงที่อาจเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติขององค์ประกอบเรโซแนนซ์ที่เกิดจากสภาพการทำงาน เช่น อุณหภูมิ หรือการทำงานภายใต้สภาพที่ไม่ได้มาตรฐาน

FCL แบบ supperconducting จะแสดงโหมดการล้มเหลวดังกล่าวเฉพาะเมื่อมีการทำความเย็นมากเกินไป ซึ่งเกิดขึ้นได้น้อย ดังนั้น สามารถกล่าวได้ว่า FCL แบบ supperconducting ไม่มีโหมดการล้มเหลวดังกล่าว ในส่วนใหญ่ FCL แบบ supperconducting สามารถออกแบบด้วยพารามิเตอร์ที่คาดการณ์ได้และทนทานต่อการกระตุ้นและฟื้นฟูหลายพันครั้ง นอกจากนี้ การใช้ FCL ขนาดเล็กแทนขนาดใหญ่สามารถเพิ่มทั้งความน่าเชื่อถือและความสามารถในการจำกัดกระแส ตาราง 1 แสดงการเปรียบเทียบอัตราการเกิดโหมดการล้มเหลวต่าง ๆ ของ FCL ประเภทต่าง ๆ อย่างสั้นๆ

4 การประยุกต์ใช้จริง

สถานีไฟฟ้าตัวอย่างที่แสดงในรูปที่ 1 ใช้ในการประเมินผลกระทบจากการใช้งาน FCL ต่อความน่าเชื่อถือของสถานีไฟฟ้า เป็นที่ทราบกันดีว่าระหว่างการบำรุงรักษา การใช้วงจรตัดไฟแบ่งบัสเพื่อจัดการแผนการป้องกันและเพิ่มความยืดหยุ่นในการกำหนดค่าสถานีไฟฟ้าเป็นปฏิบัติการที่พบบ่อย เมื่อระดับกระแสไฟฟ้าลัดวงจรในสถานีไฟฟ้าเกินความสามารถในการตัดกระแสของวงจรตัดไฟ การเปลี่ยนวงจรตัดไฟแบ่งบัสเป็น FCL กลายเป็นทางเลือกที่เป็นไปได้ ที่จริงแล้ว Inter-Bus FCL เป็นหนึ่งในการใช้งาน FCL ที่พบบ่อยที่สุด

สมมติว่าโหลดทั้งหมดที่เชื่อมต่อกับบัส 330 kV เป็นแบบเดียวกัน การประเมินความน่าเชื่อถือเน้นที่โหลด 1 ที่บัส 330 kV ด้านซ้ายและโหลด 5 ที่บัส 330 kV ด้านขวา ความน่าเชื่อถือของโหลดประเมินโดยใช้ดัชนีต่อไปนี้: (1) ความน่าจะเป็นการสูญเสียโหลด (%); (2) เวลาการขาดแคลนประจำปี (U). สมมติว่าบัส 330 kV นั้นมีความน่าเชื่อถือเต็มที่ เพื่อหลีกเลี่ยงการคำนวณที่ไม่จำเป็น โหมดการล้มเหลวที่เกี่ยวข้องกับการล้มเหลวของส่วนประกอบมากกว่าสามส่วนพร้อมกันจะไม่ถูกพิจารณา เนื่องจากอัตราการเกิดโหมดการล้มเหลวดังกล่าวต่ำมาก สมมติฐานนี้ไม่ทำให้เกิดความผิดพลาดที่สำคัญ

ตาราง 2 แสดงอัตราการล้มเหลวและเวลาการซ่อมแซมของส่วนประกอบ สำหรับการวิเคราะห์เบื้องต้น เราเริ่มต้นด้วยการคำนวณดัชนีความน่าเชื่อถือที่เกี่ยวข้องกับบัส 330 kV ด้านซ้าย เพื่อให้การเปรียบเทียบที่ครอบคลุมและครบถ้วน เราควรคำนวณดัชนีความน่าเชื่อถือสำหรับจุดโหลดทั้งหมดจาก L1 ถึง L7 อย่างไรก็ตาม เนื่องจากโหลดเหล่านี้มีลักษณะคล้ายคลึงกันและเชื่อมต่อกับบัสเดียวกัน จึงมีโหมดการล้มเหลวที่คล้ายคลึงกัน ดังนั้น เราต้องการคำนวณดัชนีความน่าเชื่อถือสำหรับจุดโหลด 1 (L1) บนบัสด้านซ้ายและจุดโหลด 5 (L5) บนบัสด้านขวาเท่านั้น

อย่างที่กล่าวไว้ข้างต้น ใช้ดัชนีความน่าจะเป็นสองรายการในการวิเคราะห์: ความน่าจะเป็นการสูญเสียโหลด (ใน f/yr) และเวลาการขาดแคลนประจำปี (ในชั่วโมง/ปี, A) ดัชนีเหล่านี้ได้รับการประเมินสำหรับกรณีที่มีการล้มเหลวของส่วนประกอบเดียว

สำหรับกรณีที่มีการล้มเหลวของส่วนประกอบสองส่วนพร้อมกัน อัตราการล้มเหลวเทียบเท่า (λₑ) ระยะเวลาการขาดแคลนเฉลี่ย (r) และเวลาการขาดแคลนประจำปี (u) แสดงดังนี้:

สำหรับกรณีที่มีการล้มเหลวของส่วนประกอบสามส่วนพร้อมกัน แสดงดังนี้:

เมื่อพิจารณาโหมดการล้มเหลวทั้งหมด อัตราการล้มเหลวรวมและเวลาการขาดแคลนประจำปีรวมสามารถคำนวณได้ดังนี้:

ตาราง 3 แสดงผลการวิเคราะห์ความน่าเชื่อถือสำหรับโหลด

ต่อไป ทำการคำนวณเดียวกันนี้สำหรับสายส่งบนบัส 230 kV ด้านอื่น ตาราง 4 แสดงผลที่เกี่ยวข้องกับจุดโหลด LS

5 สรุป

บทความนี้นำเสนอการใช้งานตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจร (FCLs) ในการเพิ่มความน่าเชื่อถือของสถานีไฟฟ้า บรรยายเกี่ยวกับแบบจำลองทางคณิตศาสตร์และกระบวนการคำนวณความน่าเชื่อถือ และประเมินผลกระทบจากการใช้งาน FCL ต่อความน่าเชื่อถือของสถานีไฟฟ้า ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าความน่าเชื่อถือของสถานีไฟฟ้าได้รับการปรับปรุงจากการใช้งาน FCLs ได้มีการวิเคราะห์ความไวต่อพารามิเตอร์ต่าง ๆ เช่น อัตราการล้มเหลวด้านแอคทีฟ อัตราการล้มเหลวด้านพาสซีฟ และเวลาการซ่อมแซมของ FCL ต่อดัชนีความน่าเชื่อถือ