Аналіз надійності обмежувачів аварійних струмів у високонапільні підстанціях

1 Вступ

Для задоволення швидко зростаючого попиту на електроенергію, системи генерації, передачі та розподілу електроенергії повинні розвиватися відповідно. Одним із ключових питань, що виникає у процесі цього розвитку, є швидкий зростання струмів короткого замикання. Зростання струмів короткого замикання призводить до ряду небезпек:

• перегрівання серійно з'єднаних пристроїв вздовж шляху аварії;
• збільшення переходних та відновлювальних напруг під час переривання струму, що може пошкодити системи ізоляції;
• генерація надзвичайно великих механічних сил у обладнанні на базі котушок (наприклад, трансформатори, генератори, реактори);
• можлива нестабільність системи в залежності від величини та часу очищення аварійного струму;
• існуючі вимикачі можуть більше не бути здатні переривати збільшений аварійний струм, що вимагає дорогощівої заміни в часі та коштах; для уникнення таких витрат, паралельні трансформатори можуть бути обмежені або зменшена взаємопов'язаність системи, що погіршує пропускну спроможність та надійність системи;
• збільшення аварійних струмів продовжує коригувальні дії, що призводить до довшого тривалості відключень та більших економічних втрат;
• зниження надійності мережі.

Наразі доступні три основні рішення для зменшення цих ефектів:

• будівництво мережевих структур з мінімальною ймовірністю аварії;
• використання вимикачів з більшою здатністю переривання або заміна слабіших вимикачів на більш потужні;
• модифікація мережі для зменшення рівнів короткого замикання. Зазвичай застосовується комбінація цих рішень для досягнення оптимального проектування мережі при підтриманні надійності системи в допустимих межах. Однак, можливість аварій не може бути повністю усунута, а проектування електрообладнання на основі все більш зростаючих струмів короткого замикання комерційно нецілеспрямоване. Третє рішення можна поділити на:
  • зменшення взаємопов'язаності системи (наприклад, розщеплення шин);
  • застосування обмежувачів аварійних струмів (FCLs).

Заміна вимикачів на ті, що мають більшу здатність переривання, є дорогою рішенням і може бути нездійсненною в деяких випадках. Крім того, системи захисту мають затримку в детекції аварії на основі специфікацій реле. Операція вимикача та гасіння дуги не є моментальними, як правило, вимагаючи 3-5 циклів для повного очищення аварії. В результаті, аварійні струми зазвичай не можуть бути перервані протягом перших 2-8 циклів після аварії. За цей короткий період великий струм проходить через серійно з'єднані пристрої вздовж шляху аварії, і навіть цей скорочений термін може бути разючим, особливо під час першого циклу, коли постійна компонента аварійного струму особливо висока.

Розщеплення шин та зменшення взаємопов'язаності системи можуть бути розглянуті як альтернативи для вирішення цього питання. Однак, вони вводять інші оперативні виклики, такі як зменшення пропускної спроможності, зміна потоку енергії та збільшення втрат. Необхідність FCLs виникає з потреби захисту дорогого та вразливого обладнання. Загалом, всі запропоновані стратегії FCLs ґрунтуються на вставлянні високої імпедансу в серійний шлях під час аварії, відрізняючись лише реалізацією. Бажані характеристики ідеального FCL зазвичай включають:

• дуже низьку імпедансу в нормальних умовах роботи електроенергетичної системи;
• вставка високої імпедансу під час аварії;
• швидке функціонування для обмеження постійної компоненти аварійного струму;
• зdativity for multiple operations within a short time and self-recovery;
• не вносить гармонік в електроенергетичну систему;
• мінімізація переходних перенапружень;
• висока надійність.

2 Надійність обмежувачів аварійних струмів

Застосування FCLs в підстанціях зазвичай мотивоване двома основними причинами:

• унікалою дорогого рішення заміни встановлених вимикачів на ті, що мають більшу здатність короткого замикання;
• збереження топології підстанції та уникнення розщеплення шин через операційні або надійнісні питання. Наразі немає надійних джерел або посилань на надійнісні характеристики FCLs; отже, в цьому дослідженні ми намагаємося проаналізувати це питання, враховуючи технічні характеристики. Деякі FCLs використовують дуже складні технології, що може знизити їх надійність.

Існує різні типи FCLs, серед яких найбільш відомими є резонансні та надпровідні FCLs.

A. Резонансні FCLs

Було запропоновано численні конфігурації для резонансних FCLs. Вони загалом класифікуються як серійні резонансні та паралельні резонансні FCLs. Резонансні FCLs мають кілька сприятливих характеристик для обмеження аварій, включаючи:

• роботу без переривання струму;
• швидку реакцію на аварії;
• зdativity to carry short-circuit current during fault duration;
• зdativity of reset.

Однак, резонансні FCLs зазвичай складаються з багатьох компонентів, і загальна надійність залежить від правильного функціонування кожного компонента. Крім того, деякі резонансні FCLs потребують зовнішнього запускового пристрою, що означає, що потрібні додаткові компоненти для виявлення короткого замикання та ініціювання запуску. Це збільшує складність системи та зменшує надійність. Тому, самозапускові FCLs очевидно надійніші.

B. Надпровідні FCLs

Порівняно з резонансними FCLs, надпровідні FCLs потребують менше компонентів та самозапускові. Стратегія обмеження аварійного струму проста та базується на природному поведінку надпровідних матеріалів. Надпровідність існує лише при дуже низьких температурах, тому надпровідні FCLs потребують додаткового обладнання для охолодження, що збільшує витрати на інвестиції. Концепція, запропонована в цій статті, обмежена оцінкою впливу застосування FCLs на надійність підстанції.

3 Порушення FCLs

Як і інші компоненти високовольтних підстанцій, FCLs мають різні режими виходу з ладу, які слід враховувати при оцінці надійності підстанцій, що включають FCLs. Цей розділ порівнює частоти виходу з ладу різних типів FCLs.

Існує фундаментальна зв'язок між надійністю повної системи та кількістю її підсистем, всі які повинні правильно функціонувати, щоб досягти бажаної загальної функції.

• A. Активні режими виходу з ладу
• B. Пасивні режими виходу з ладу
• C. Фіксовані режими виходу з ладу

Очевидно, FCLs, які потребують запускової системи (зовнішньо запущені FCLs), мають вищу частоту виходу з ладу. Загалом, будь-який FCL, що включає запуск або комутацію, включає послідовні операції багатьох комутаційних пристроїв, що вимагає точного синхронізації та координації, значно збільшуючи складність по відношенню до традиційних вимикачів.

У резонансних FCLs (як зовнішньо, так і самозапущених) фіксовані режими виходу з ладу можуть виникнути через зміни характеристик резонансних елементів, спричинених змінами умов експлуатації, таких як температура, або роботою за невідповідними умовами.

Надпровідні FCLs демонструють такі режими виходу з ладу лише при надмірному охолодженні, що рідко відбувається. Таким чином, можна сказати, що надпровідні FCLs практично не мають такого режиму виходу з ладу. У більшості випадків, надпровідні FCLs можна спроектувати з прогнозованими параметрами та витримати тисячі циклів активування та відновлення. Крім того, використання менших FCLs замість більших може покращити як надійність, так і здатність обмежувати струм. Таблиця 1 коротко порівнює частоти виходу з ладу різних типів FCLs.

4 Практичне застосування

Для оцінки впливу впровадження FCLs на надійність підстанції використовується зразкова підстанція, показана на рис. 1. Відомо, що під час ремонту використання вимикачів для розщеплення шин для управління системами захисту та підвищення гнучкості конфігурацій підстанції є загальною практикою. Коли рівень аварійного струму в підстанції перевищує здатність переривання вимикачів, заміна вимикача для розщеплення шин на FCL стає відповідним рішенням. Дійсно, Inter-Bus FCL є одним із найпоширеніших застосувань FCLs.

Припустимо, що всі навантаження, підключені до шини 330 кВ, однакові. Оцінка надійності фокусується на навантаженні 1 на лівій шині 330 кВ та навантаженні 5 на правій шині 330 кВ. Надійність навантаження оцінюється за такими показниками: (1) Ймовірність втрати навантаження (%); (2) Річний час відключення (U). Шина 330 кВ припускається повністю надійною. Для уникнення непотрібних розрахунків, режими виходу з ладу, що включають одночасний виход з ладу більше ніж трьох компонентів, не враховуються. Оскільки частота таких режимів виходу з ладу дуже низька, це припущення не вносить значних помилок.

Таблиця 2 показує частоти виходу з ладу та часи ремонтів компонентів. Для початкового аналізу ми починаємо розрахунок показників надійності, пов'язаних з лівою шиною 330 кВ. Для обґрунтованого та комплексного порівняння, теоретично, ми повинні розрахувати показники надійності для всіх точок навантаження від L1 до L7. Однак, враховуючи, що ці навантаження подібні та підключені до однієї шини, вони матимуть подібні режими виходу з ладу. Тому, нам потрібно розрахувати показники надійності лише для точки навантаження 1 (L1) на лівій шині та точки навантаження 5 (L5) на правій шині.

Як зазначено вище, для аналізу використовуються два ймовірнісні показники: ймовірність втрати навантаження (в f/рік) та річний час відключення (в годинах/рік, A). Ці показники оцінюються для випадку виходу з ладу одного компонента.

Для випадку одночасного виходу з ладу двох компонентів, еквівалентна частота виходу з ладу (λₑ), середній час відключення (r) та річний час відключення (u) виражаються наступним чином:

Для випадку одночасного виходу з ладу на трьох рівнях, це виражається наступним чином:

З урахуванням всіх режимів виходу з ладу, загальну частоту виходу з ладу та загальний річний час відключення можна розрахувати наступним чином:

Таблиця 3 показує результати аналізу надійності для навантажень.

Тепер, той же розрахунок проводиться для підсилювачів на іншій шині 230 кВ. Таблиця 4 показує результати, пов'язані з точкою навантаження LS.