محدودکننده جریان خطا و انواع آن

مقدمه‌ای بر محدودکننده جریان خطا

در اخیر، با افزایش نیاز به انرژی، توسعه قوی در تولید و انتقال برق اهمیت زیادی پیدا کرده و به یک ضرورت بنیادی تبدیل شده است. با این حال، در هر سیستم تولید برق، خروجی‌های کوتاه یکی از مشکلات پایدار و چالش‌برانگیز هستند و تأثیر آنها با افزایش مقیاس تولید بیشتر می‌شود. مشکلات ناشی از جریان‌های کوتاه یا خطا چند وجهی هستند:

• تنش حرارتی روی تجهیزات: تنش‌های حرارتی غیرقابل تحمل بر روی تجهیزات الکتریکی وارد می‌شوند که می‌تواند منجر به سایش زودرس، خسارت و حتی خرابی قطعات شود.

• تداخل الکترو-دینامیکی: تعداد زیادی از نیروهای الکترو-دینامیکی در مدار عملکرد عادی دستگاه‌ها را perturb می‌کنند و دقت و قابلیت اعتماد آنها را تحت تأثیر قرار می‌دهند.

• محدودیت‌های فناوری و اقتصادی: برای محافظت از مدار از خرابی، نیاز به برش‌کننده‌های مدار کارآمدتر است. این تقاضا نه تنها موانع فناوری ایجاد می‌کند بلکه محدودیت‌های اقتصادی قابل توجهی نیز تحمیل می‌کند.

• خطرات ایمنی: نگرانی‌های ایمنی از مهم‌ترین مسائل هستند، زیرا خروجی‌های کوتاه تهدید مستقیمی به حیات کارکنان و تمامیت ساختارهای الکتریکی ایجاد می‌کنند.

• پیچیدگی‌های تغییرات ولتاژ: خروجی‌های کوتاه مشکل تغییرات ولتاژ در عملیات برش را تشدید می‌کنند و آنها را بحرانی‌تر و دشوارتر برای مدیریت می‌کنند.

با توجه به این چالش‌ها، توسعه سیستم‌های پیشرفته‌تر و دقیق‌تر برای مقابله با خروجی‌های کوتاه ضروری شده است. این مقاله چند رویکردی که پیشنهاد شده و اجرا شده است برای کاهش تأثیر جریان‌های خطا بررسی خواهد کرد.

رویکردها

روش‌های زیر یا در حال تحقیق فعال هستند یا از قبل در استفاده عملی قرار گرفته‌اند، بسته به ویژگی‌ها و کاربردهای خاص آنها:

• ریاکتور محدودکننده جریان (CLR): به طور گسترده‌ای به خاطر کارایی آن در محدود کردن جریان‌های خطا شناخته شده است.

• محدودکننده جریان حالت جامد: یک فناوری نوظهور که پتانسیل بسیار بالایی دارد اما هنوز در مراحل ابتدایی تحقیق و توسعه است.

• محدودکننده‌های جریان فوق‌رسانا: این دستگاه‌ها از ویژگی‌های منحصر به فرد فوق‌رساناهای برای محدود کردن جریان استفاده می‌کنند و مانند محدودکننده‌های حالت جامد در مراحل ابتدایی توسعه هستند.

• فیوزها: یک روش سنتی اما قابل اعتماد برای محافظت از مدار با قطع جریان وقتی که آن را از حد معینی تجاوز می‌کند.

• تقسیم بارهای در زیرстанسیون‌ها: یک رویکرد عملی که با تغییر ساختار الکتریکی زیرستانسیون به کاهش جریان‌های خطا کمک می‌کند.

• اجرای ترانسفورماتورهای با امپدانس بالا: این ترانسفورماتورها می‌توانند برای افزایش امپدانس در مدار استفاده شوند و بدین ترتیب مقدار جریان‌های خطا را محدود کنند.

• استفاده از راکتورهای هسته‌ای برای محدود کردن جریان: با وجود اینکه یک رویکرد غیرمعمول است، تحقیقات پتانسیل راکتورهای هسته‌ای برای مشارکت در مکانیزم‌های محدود کردن جریان را بررسی کرده‌اند.

Parmi ces techniques, l'utilisation de dispositifs à semi-conducteurs et supraconducteurs est encore en phase de développement. Lors de la mise en œuvre de tout système pour résoudre les problèmes de court-circuit, deux considérations clés doivent être prises en compte:

استراتژی‌های کاهش جریان خطا در زیرستانسیون‌ها و شبکه‌های توزیع

مکان‌یابی و تعداد ریاکتورهای محدودکننده

دو سوال مهم در حوزه مهندسی الکتریکی مربوط به مکان‌یابی بهینه ریاکتورهای محدودکننده در زیرستانسیون‌ها و شبکه توزیع و تعیین تعداد مطلوب این ریاکتورها برای مدیریت مؤثر جریان‌های خطا است. این تصمیمات نیازمند درک جامعی از ویژگی‌های سیستم الکتریکی، نیازمندی‌های بار و سناریوهای خطا هستند.

ریاکتور محدودکننده جریان (CLR)

ریاکتور محدودکننده جریان به عنوان یکی از راه‌حل‌های کارآمد و عملی‌ترین برای مدیریت جریان‌های خطا برجسته است. تأثیر آن بر قابلیت اطمینان زیرستانسیون‌ها کم است که آن را یک گزینه مطلوب برای بسیاری از سیستم‌های الکتریکی می‌کند. با این حال، دارای برخی معایب است. سخت‌افزار فیزیکی CLRها معمولاً بزرگ است و فضای قابل توجهی در زیرستانسیون اشغال می‌کند. علاوه بر این، وجود CLRها می‌تواند منجر به تضعیف ثبات ولتاژ شود که باید با دقت نظارت و مدیریت شود.

محدودکننده جریان خطا حالت جامد

محدودکننده‌های جریان خطا حالت جامد در حال حاضر در مرحله تحقیق و توسعه هستند. آنها مزیت نسبتاً آسان بودن ادغام در سیستم‌های توزیع را دارند. با این حال، هزینه بالای آنها یک مانع اصلی است که از پیاده‌سازی گسترده آنها در مقیاس بزرگ جلوگیری می‌کند. پژوهشگران به طور فعال در حال کار برای کاهش هزینه‌ها و بهبود عملکرد آنها برای ساخت آنها برای استفاده تجاری قابل قبول‌تر هستند.

فیوز

فیوزها به عنوان دستگاه‌های مقطع‌کننده جریان بسیار موثر و کارآمد عمل می‌کنند که آنها را برای استفاده به عنوان محدودکننده‌های جریان مناسب می‌کند. آنها ارزان قیمت و آسان برای نصب هستند. با این حال، کارایی آنها توسط ظرفیت رتبه‌بندی شده محدود می‌شود. به عنوان مثال، فیوزهای معمولی ممکن است برای مدیریت حداکثر 40 kV و 200 A جریان طراحی شده باشند که کاربرد آنها در سناریوهای ولتاژ و جریان بالا محدود می‌کند. فیوزهای High-Rupturing Capacity (HRC) عملکرد بهتری ارائه می‌دهند اما همچنان محدودیت‌های خود را دارند.

محدودکننده جریان خطا بارهای

برش‌کننده‌های مدار بار می‌توانند به عنوان محدودکننده‌های جریان خطا بارهای استفاده شوند، اما عموماً به عنوان یک راه‌حل موقت یا پاسخ اضطراری در نظر گرفته می‌شوند. آنها برای نصب دائمی در زیرستانسیون به دلیل ویژگی‌های عملیاتی و محدودیت‌های خود طراحی نشده‌اند.

کاربرد ریاکتور نیوترال

ریاکتورهای نیوترال گزینه دیگری برای محدود کردن جریان خطا ارائه می‌دهند، به ویژه هنگام مقابله با جریان‌های زمین یا زمین. طراحی و عملکرد آنها آنها را به خصوص در سناریوهای خاص خطا مرتبط با مسائل الکتریکی مربوط به زمین موثر می‌کند.

نوع‌ها و ویژگی‌های ریاکتورهای محدودکننده جریان

ریاکتور محدودکننده جریان یک راه‌حل گسترده‌ای است که می‌توان آن را به دو نوع اصلی تقسیم کرد:

ریاکتور خشک (Dry-type CLR)

ریاکتورهای خشک نوع ریاکتورهای هسته‌ای هوا با پیچش‌های مسی هستند. استفاده از هسته آهنی به دلیل خطر اشباع، که می‌تواند عملکرد ریاکتور را مختل کند، اجتناب می‌شود. این ریاکتورها برای انواع مختلفی از کاربردها که شرایط محیطی نسبتاً تمیز و خشک است مناسب هستند.

ریاکتور روغنی (Oil-type CLR)

ریاکتورهای روغنی از نظر عملکرد اساسی بسیار شبیه همتایان خشک خود هستند. با این حال، تفاوت کلیدی آنها در محدوده کاربرد آنها است. ریاکتورهای روغنی به طور خاص برای استفاده در محیط‌های آلوده زیاد طراحی شده‌اند. روغن استفاده شده در این ریاکتورها نسبت به هوا در ریاکتورهای خشک دارای ثابت دی الکتریک بالاتری است که ایزولاسیون و محافظت بهتری در شرایط سخت فراهم می‌کند.

مشخصات عمومی ریاکتورهای محدودکننده جریان خطا

فرکانس و ولتاژ: این ریاکتورها برای عملکرد در محدوده نسبتاً کم فرکانس و ولتاژ طراحی شده‌اند. ویژگی‌های عملکردی آنها برای پارامترهای خاص سیستم‌های الکتریکی بهینه شده‌اند.

انعطاف‌پذیری نصب: بسته به نیازهای کاربردی، آنها می‌توانند داخل یا خارج از ساختمان نصب شوند. این انعطاف‌پذیری به تطبیق بیشتر در تنظیمات مختلف زیرستانسیون و شبکه توزیع کمک می‌کند.

ظرفیت کوتاه مدار: آنها برای مدیریت جریان‌های کوتاه مدار سیستم‌های الکتریکی که در آنها یکپارچه شده‌اند طراحی شده‌اند و قابلیت محدود کردن مؤثر جریان‌ها را در شرایط خطا فراهم می‌کنند.

پایداری موقت و ریاکتورهای محدودکننده جریان

پایداری موقت نقش کلیدی در سیستم‌های برق متناوب (AC) دارد. این به توانایی چندین ماشین همزمان در یک سیستم برق برای حفظ همزمانی پس از وقوع یک خطا اشاره دارد. به عنوان مثال، در یک شبکه برق با تعداد زیادی از موتورهای همزمان متصل شده، پایداری موقت تعیین می‌کند که آیا این موتورها می‌توانند پس از یک اختلال الکتریکی ناگهانی، مانند یک خروجی کوتاه، به صورت هماهنگ عمل کنند یا خیر. ریاکتورهای محدودکننده جریان می‌توانند به طور قابل توجهی بر پایداری موقت تأثیر بگذارند با کاهش مقدار جریان‌های خطا، و در نتیجه کاهش تنش‌های مکانیکی و الکتریکی روی ماشین‌های همزمان و افزایش احتمال حفظ پایداری سیستم در طول و پس از یک رویداد خطا.

ریاکتورهای محدودکننده جریان بر پایه supraconducteur

محدودکننده‌های جریان خطا supraconducteur (SFCLs) یک راه‌حل بسیار عملی برای افزایش پایداری موقت سیستم‌های برق ارائه می‌دهند که به طور موثر هر دو ملاحظات فنی و اقتصادی را متعادل می‌کنند. ویژگی منحصر به فرد supraconducteurها که مقاومت غیرخطی بسیار بالایی دارند، آنها را به گزینه‌های مناسب برای استفاده به عنوان محدودکننده‌های جریان خطا (FCLs) تبدیل می‌کند.

یکی از مزایای کلیدی SFCLs در توانایی supraconducteurها برای افزایش سریع مقاومت خود و انتقال سلیس از حالت supraconducteur، که مقاومت الکتریکی تقریباً صفر است، به حالت رسانای عادی است. این تغییر سریع در مقاومت اجازه می‌دهد که SFCL به سرعت به جریان‌های خطا واکنش نشان دهد، مقدار آنها را محدود کند و در نتیجه تمامیت سیستم برق را حفظ کند.

برای درک بهتر عملکرد SFCLs، به مثال زیر از یک موتور متصل شده در یک سیستم الکتریکی و جایگذاری استراتژیک یک محدودکننده جریان خطا توجه کنید.

بهینه‌سازی گروه ذرات

بهینه‌سازی گروه ذرات (PSO) تشابه‌های قابل توجهی با روش‌های محاسبات تکاملی مانند الگوریتم‌های ژنتیک (GA) دارد. در ابتدا، PSO یک جمعیت از راه‌حل‌های کاندید تصادفی را در فضای جستجو می‌آغازد. این راه‌حل‌ها، اغلب به عنوان "ذرات" مفهومی شده‌اند، سپس از طریق فضای جستجو حرکت می‌کنند و موقعیت‌ها و سرعت‌های خود را به طور تکراری به‌روزرسانی می‌کنند. از طریق این فرآیند دینامیکی خود-تنظیم و تعامل با ذرات همسایه، سیستم به طور سیستماتیک فضای راه‌حل را کاوش می‌کند و به تدریج به سمت راه‌حل‌های بهینه یا نزدیک به بهینه همگرا می‌شود.