Pagsusuri ng Pagkakatwiran ng mga Fault Current Limiters sa High-Voltage Substations

1 Pagpapakilala

Upang matugunan ang mabilis na lumalaking pangangailangan sa elektrikong enerhiya, ang mga sistema ng paggawa, pagpapadala, at pagdidistribuyo ng kuryente ay dapat mag-umpisa rin. Isa sa mga mahahalagang isyu na ito ay ang mabilis na pagtaas ng short-circuit currents. Ang pagtaas ng short-circuit currents ay nagdudulot ng ilang panganib:

• overheating ng mga serye-connected devices sa fault path;
• pagtaas ng transient at recovery voltages sa panahon ng pagputol ng kuryente, na maaaring masira ang mga insulation systems;
• pagbuo ng napakataas na mechanical forces sa coil-based equipment (halimbawa, transformers, generators, reactors);
• potensyal na instability ng sistema depende sa laki at clearing time ng fault current;
• mga umiiral na circuit breakers ay maaaring hindi na makapag-interrupt sa taas ng fault current, kaya nangangailangan ng mahal na pagpalit sa oras at pera; upang iwasan ang mga gastos, maaaring limitahan o bawasan ang interconnectivity ng mga power transformers, na nakakabawas ng kapasidad ng pagpadala at reliability ng sistema;
• ang pagtaas ng fault currents ay nagpapahaba ng corrective actions, na nagdudulot ng mas mahabang outage durations at mas malaking economic losses;
• bawas na grid reliability.

Kasalukuyan, tatlong pangunahing solusyon ang available upang mapabuti ang mga epekto na ito:

• pagtatayo ng grid structures na may minimal fault probability;
• paggamit ng circuit breakers na may mas mataas na interrupting capacity o pagpalit ng mas mahina na breakers sa mas capable ones;
• pagbabago ng grid upang bawasan ang short-circuit levels. Karaniwang ginagamit ang kombinasyon ng mga solusyon na ito upang makamit ang optimal na network design habang pinapanatili ang system reliability sa acceptable limits. Gayunpaman, ang posibilidad ng mga faults ay hindi maaaring lubos na maalis, at ang pagdisenyo ng power equipment batay sa patuloy na tumataas na short-circuit currents ay hindi praktikal sa komersyal. Ang ikatlong solusyon ay maaaring higit na hatiin sa:
  • pagbabawas ng system interconnectivity (halimbawa, bus splitting);
  • paggamit ng fault current limiters (FCLs).

Ang pagpalit ng circuit breakers na may mas mataas na interrupting capacity ay isang mahal na solusyon at maaaring hindi feasible sa ilang kaso. Bukod dito, ang mga protection systems ay nagpapakita ng delays sa fault detection batay sa relay specifications. Ang operasyon ng circuit breaker at arc extinction ay hindi instant, karaniwang nangangailangan ng 3–5 cycles para fully clear ang fault. Bilang resulta, ang fault currents ay hindi madalas mai-interrupt sa unang 2–8 cycles pagkatapos ng fault. Sa panahong ito, napakataas na kuryente ang nagpapadala sa mga serye-connected devices sa fault path, at kahit ang maikling panahon na ito ay maaaring masira, lalo na sa unang cycle kung saan ang DC component ng fault current ay partikular na mataas.

Ang bus splitting at reduced system interconnectivity ay maaaring ituring bilang alternatibo upang tugunan ang isyung ito. Gayunpaman, sila ay nagpapakilala ng iba pang operational challenges, tulad ng bawas na transmission capacity, altered power flow, at increased losses. Ang pangangailangan para sa FCLs ay nanggaling sa kailangan na protektahan ang mga costly at vulnerable equipment. Sa pangkalahatan, lahat ng proposed FCL strategies ay batay sa paglagay ng high impedance sa series path sa panahon ng fault, na may kaunting pagkakaiba lamang sa implementation. Ang desired characteristics ng ideal FCL ay karaniwang:

• napakababang impedance sa normal power system conditions;
• paglagay ng high impedance sa panahon ng fault;
• mabilis na operasyon upang limitahan ang DC component ng fault current;
• capability para sa multiple operations sa maikling oras at self-recovery;
• walang pagpapakilala ng harmonics sa power system;
• minimization ng transient overvoltages;
• mataas na reliability.

2 Reliability ng Fault Current Limiters

Ang application ng FCLs sa mga substation ay karaniwang motibado ng dalawang pangunahing dahilan:

• pag-iwas sa mahal na solusyon ng pagpalit ng installed circuit breakers na may mas mataas na short-circuit capacity;
• pagpapanatili ng substation topology at pag-iwas sa bus splitting dahil sa operational o reliability issues. Kasalukuyan, walang reliable sources o references tungkol sa reliability characteristics ng FCLs; kaya, sa pag-aaral na ito, nais nating analisin ang isyung ito sa pamamagitan ng technical characteristics. Ang ilang FCLs ay gumagamit ng highly complex technologies, na maaaring bawasan ang kanilang reliability.

May iba't ibang uri ng FCLs, kung saan ang resonant-type at superconducting FCLs ay mas prominent.

A. Resonant-Type FCLs

Maraming configurations para sa resonant-type FCLs ang inihanda. Sila ay karaniwang naklase bilang series resonant-type at parallel resonant-type FCLs. Ang resonant-type FCLs ay may ilang favorable characteristics para sa fault limitation, kasama ang:

• Operasyon nang walang pagputol ng kuryente;
• Mabilis na tugon sa faults;
• Kakayahang dala ang short-circuit current sa panahon ng fault duration;
• Reset capability.

Gayunpaman, ang resonant-type FCLs ay karaniwang binubuo ng maraming components, at ang overall reliability ay depende sa tama na operasyon ng bawat component. Bukod dito, ang ilang resonant-type FCLs ay nangangailangan ng external triggering device, na nangangahulugan ng extra components upang magsense ng short circuit at simulan ang triggering. Ito ay nagpapataas ng system complexity at nagpapababa ng reliability. Kaya, ang self-triggered FCLs ay mas reliable.

B. Superconducting FCLs

Kumpara sa resonant-type FCLs, ang superconducting FCLs ay nangangailangan ng mas kaunti na components at self-triggered. Ang fault current limiting strategy ay simple at batay sa natural behavior ng superconducting materials. Ang superconductivity ay umiiral lamang sa napakababang temperatura, kaya ang superconducting FCLs ay nangangailangan ng additional cooling equipment, na nagpapataas ng investment costs. Ang concept na inihanda sa paper na ito ay limitado sa pag-evaluate ng impact ng FCL application sa substation reliability.

3 Failure Modes ng FCLs

Tulad ng iba pang components sa high-voltage substations, ang FCLs ay nagpapakita ng iba't ibang failure modes na dapat isipin sa pag-assess ng reliability ng transmission substations na may FCLs. Ang seksyon na ito ay nagpapahambing ng failure rates ng iba't ibang uri ng FCLs.

May fundamental na relasyon sa pagitan ng reliability ng buong sistema at ang bilang ng mga subsystem nito, lahat ng kailangang tama na operasyon upang makamit ang desired overall function.

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

Nararanasan, ang FCLs na nangangailangan ng triggering system (externally triggered FCLs) ay may mas mataas na failure rates. Sa pangkalahatan, anumang FCL na may triggering o commutation ay nangangailangan ng sequential operations ng maraming switching devices, na nangangailangan ng precise synchronization at coordination, na nagpapataas ng complexity kumpara sa conventional circuit breakers.

Sa resonant-type FCLs (both externally at self-triggered), fixed failure modes maaaring lumitaw dahil sa variations sa resonant element characteristics na dulot ng pagbabago ng operating conditions tulad ng temperatura, o operasyon sa non-rated conditions.

Ang superconducting FCLs ay lang may ganitong failure modes sa excessive cooling, na malamang na hindi nagaganap. Kaya, maaari nating sabihin na ang superconducting FCLs ay hindi talaga may ganitong failure mode. Sa karamihan ng mga kaso, ang superconducting FCLs ay maaaring disenyo na may predictable parameters at maaaring suportahan ang libu-libong activation at recovery cycles. Bukod dito, ang paggamit ng mas maliit na FCLs sa halip ng mas malalaki ay maaaring mapabuti ang parehong reliability at current-limiting capability. Table 1 briefly compares the occurrence rates of different failure modes across various FCL types.

4 Practical Application

Ang isang sample substation na ipinakita sa Fig. 1 ay ginagamit upang i-evaluate ang impact ng pag-implement ng FCLs sa substation reliability. Kilala na na sa panahon ng maintenance, ang paggamit ng bus-sectioning circuit breakers upang manage ang protection schemes at palakasin ang flexibility ng substation configurations ay karaniwang practice. Kapag ang fault current level sa substation ay lumampas sa interrupting capacity ng circuit breakers, ang pagpalit ng bus-sectioning breaker sa isang FCL ay naging viable solution. Tunay nga, ang Inter-Bus FCL ay isa sa mga pinakakaraniwang application ng FCLs.

Assume na ang lahat ng loads na konektado sa 330 kV bus ay identical. Ang reliability assessment ay nakatuon sa Load 1 sa kaliwa 330 kV bus at Load 5 sa kanan 330 kV bus. Ang load reliability ay i-evaluate gamit ang mga sumusunod na indices: (1) Load loss probability (%); (2) Annual outage time (U). Ang 330 kV bus ay inaasahan na fully reliable. Upang iwasan ang hindi kinakailangang calculations, ang failure modes na may kasamang simultaneous failure ng higit sa tatlong components ay hindi isinasama. Dahil ang occurrence rate ng mga failure modes na ito ay napakababa, ang assumption na ito ay hindi nagpapakilala ng significant error.

Table 2 shows the failure rates and repair times of the components. For the initial analysis, we start by calculating the reliability indices associated with the left 330 kV bus. To make an informed and comprehensive comparison, theoretically, we should calculate the reliability indices for all load points from L1 to L7. However, given that these loads are similar and connected to the same bus, they will have similar failure modes. Therefore, we only need to calculate the reliability indices for Load Point 1 (L1) on the left bus and Load Point 5 (L5) on the right bus.

As mentioned above, two probabilistic indices are used for the analysis: load loss probability (in f/yr) and annual outage time (in hours/year, A). These indices are evaluated for the case of a single component failure.

For the case of simultaneous failure of two components, the equivalent failure rate (λₑ), average outage duration (r), and annual outage time (u) are expressed as follows:

For the case of simultaneous failure at three levels, it is expressed as follows:

Considering all failure modes, the total failure rate and the total annual outage time can be calculated as follows:

Table 3 shows the reliability analysis results for the loads.

Now, the same calculation is performed for the feeders on the other 230 kV bus. Table 4 shows the results related to load point LS.

5 Conclusion

This paper presents the application of fault current limiters (FCLs) in enhancing substation reliability, describes the mathematical model and procedure for reliability calculation, and evaluates the impact of FCL implementation on substation reliability. The results indicate that substation reliability is improved by employing FCLs. A sensitivity analysis is also conducted to examine the influence of various parameters—such as the active failure rate, passive failure rate, and repair time of the FCL—on the reliability indices.