Stroombeperker en hun types
Inleiding tot de Stroombeperker
De laatste tijd is er een groeiende vraag naar energie, waardoor de ontwikkeling van elektriciteitsopwekking en -transport van cruciaal belang is geworden. Echter, in elk elektriciteitsproductiesysteem vormen kortsluitingen een van de meest persistente en uitdagende problemen, waarvan de impact toeneemt naarmate de schaal van de opwekking groter wordt. De problemen veroorzaakt door korte of foutstromen zijn veelzijdig:
Thermische Belasting van Apparatuur: Onverdraaglijke thermische belastingen worden op elektrische apparatuur uitgeoefend, wat kan leiden tot voortijdige slijtage, schade en zelfs het falen van componenten.
Elektro-dynamische Interferentie: Een groot aantal elektro-dynamische krachten binnen het circuit verstoren de normale werking van instrumenten, waardoor hun nauwkeurigheid en betrouwbaarheid beïnvloed worden.
Technologische en Economische Beperkingen: Om het circuit te beschermen tegen schade, zijn efficiëntere stroomonderbrekers vereist. Deze eis brengt niet alleen technologische obstakels met zich mee, maar legt ook aanzienlijke economische beperkingen op.
Veiligheidsrisico's: Veiligheidszorgen behoren tot de meest urgente kwesties, omdat kortsluitingen een directe bedreiging vormen voor het leven van personeel en de integriteit van de elektrische infrastructuur.
Voltage Transient Complicaties: Kortsluitingen verergeren het probleem van voltage transiënten tijdens schakelbewerkingen, waardoor ze kritieker en moeilijker te beheren worden.
Gezien deze uitdagingen is de ontwikkeling van geavanceerdere en nauwkeurigere systemen om kortsluitingen aan te pakken noodzakelijk geworden. Dit artikel zal verschillende benaderingen verkennen die zijn voorgesteld en geïmplementeerd om de impact van foutstromen te verminderen.
Benaderingen
Hieronder volgen enkele methoden die momenteel actief onderzocht worden of al in praktijk worden gebracht, afhankelijk van hun specifieke kenmerken en toepassingen:
Stroombeperkende Reactor (CLR): Wijd erkend om zijn effectiviteit bij het beperken van foutstromen.
Vaste Staat Stroombeperker: Een opkomende technologie die veelbelovend is, maar nog in de vroege fasen van onderzoek en ontwikkeling is.
Supergeleidende Stroombeperkers: Deze apparaten maken gebruik van de unieke eigenschappen van supergeleiders om de stroom te beperken en, net als vaste-staatsbeperkers, bevinden ze zich in de beginfase van ontwikkeling.
Veiligheidsschakelaars: Een traditionele maar betrouwbare methode om circuits te beschermen door de stroom te onderbreken wanneer deze een bepaalde drempel overschrijdt.
Busbar Splitten in Substations: Een praktische aanpak die helpt bij het verminderen van foutstromen door de elektrische configuratie van het substation te wijzigen.
Implementatie van Hoog Impedantie Transformatoren: Deze transformatoren kunnen gebruikt worden om de impedantie in het circuit te verhogen, waardoor de grootte van de foutstromen beperkt wordt.
Het Gebruik van Kernreactoren voor Stroombeperking: Hoewel dit een onconventionele aanpak is, heeft onderzoek de mogelijkheden van kernreactoren om bij te dragen aan stroombeperkingsmechanismen verkend.
Van deze technieken zijn de toepassing van vaste-staats- en supergeleidende apparaten nog in de ontwikkelingsfase. Bij de implementatie van elk systeem om kortsluitingsproblemen aan te pakken, moeten twee belangrijke overwegingen in acht genomen worden:
Strategieën voor Foutstroom Vermindering in Substations en Distributienetten
Plaatsing en Aantal Beperkende Reactors
Twee cruciale vragen in de elektrotechniek hebben betrekking op de optimale plaatsing van beperkende reactors binnen substations en het distributienetwerk, evenals het bepalen van het ideale aantal van deze reactors dat nodig is om foutstromen effectief te beheren. Deze beslissingen vereisen een grondig begrip van de kenmerken van het elektrische systeem, belastingsvereisten en potentiële foutscenario's.
Stroombeperkende Reactor (CLR)
De Stroombeperkende Reactor staat bekend als een van de meest kosteneffectieve en praktische oplossingen voor foutstroombeheer. Zijn impact op de betrouwbaarheid van substations is minimaal, waardoor het een gunstige optie is voor vele elektrische systemen. Echter, het heeft bepaalde nadelen. Het fysieke hardware van CLRs is doorgaans groot, waardoor het aanzienlijke ruimte inneemt binnen het substation. Bovendien kan de aanwezigheid van CLRs leiden tot een vermindering van de spanningstabiliteit, wat zorgvuldig in de gaten gehouden en beheerd moet worden.
Vaste Staat Foutstroombeperker
Vaste Staat Foutstroombeperkers zijn momenteel in de fase van onderzoek en ontwikkeling. Ze bieden het voordeel dat ze relatief gemakkelijk geïntegreerd kunnen worden in distributiesystemen. Echter, hun hoge kosten vormen een grote rem, waardoor ze op grote schaal niet breed ingezet worden. Onderzoekers werken actief aan de vermindering van kosten en de verbetering van hun prestaties om ze commercieel haalbaarder te maken.
Veiligheidsschakelaar
Veiligheidsschakelaars dienen als zeer effectieve en efficiënte stroomonderbrekende apparaten, waardoor ze geschikt zijn als stroombeperkers. Ze zijn goedkoop en eenvoudig te installeren. Echter, hun effectiviteit is beperkt door hun nominale capaciteit. Bijvoorbeeld, typische veiligheidsschakelaars kunnen ontworpen zijn om maximaal 40 kV en 200 A stroom te hanteren, waardoor hun toepassing in hoogspannings- en hoogstroomscenario's beperkt is. High Rupturing Capacity (HRC) veiligheidsschakelaars bieden verbeterde prestaties, maar hebben nog steeds hun eigen beperkingen.
Busbar Foutstroombeperker
Bus Coupler circuitonderbrekers kunnen worden ingezet als busbar foutstroombeperkers, maar ze worden in het algemeen beschouwd als een tijdelijke of noodmaatregel. Ze zijn niet ontworpen om een permanente fixatie binnen het substation te zijn vanwege hun operationele kenmerken en beperkingen.
Toepassing van Neutraal Reactor
Neutrale reactors bieden een andere haalbare optie voor foutstroombeperking, vooral bij het omgaan met aarde- of grondstromen. Hun ontwerp en werking maken ze bijzonder effectief in specifieke foutscenario's die gerelateerd zijn aan grondgerelateerde elektrische problemen.
Typen en Kenmerken van Stroombeperkende Reactors
De Stroombeperkende Reactor is een wijd geïmplementeerde oplossing en kan worden ingedeeld in twee hoofdtypen:
Droogtype CLR
Droogtype CLRs zijn luchtspiraalreactoren met koperen windingen. Het gebruik van een ijzeren kern wordt vermeden vanwege het risico op verzadiging, wat de prestaties van de reactor kan compromitteren. Deze reactors zijn geschikt voor een verscheidenheid aan toepassingen waar de omgevingsomstandigheden relatief schoon en droog zijn.
Olietype CLR
Olietype CLRs delen veel overeenkomsten met hun droogtype tegenhangers qua basisfunctie. Echter, hun belangrijkste onderscheid ligt in hun toepassingsbereik. Olietype CLRs zijn specifiek ontworpen voor gebruik in sterk vervuilde omgevingen. Het olie dat in deze reactors wordt gebruikt, heeft een hogere dielektrische constante vergeleken met de lucht in droogtype reactors, wat verbeterde isolatie en bescherming in extreme omstandigheden biedt.
Algemene Specificaties van Foutstroombeperkende Reactors
Frequentie en Spanning: Deze reactors zijn ontworpen om binnen een relatief smalle frequentie- en spanningsbereik te werken. Hun prestatiekenmerken zijn geoptimaliseerd voor specifieke elektrische systeemparameters.
Installatie Flexibiliteit: Afhankelijk van de toepassingsvereisten, kunnen ze zowel binnenshuis als buitenshuis geïnstalleerd worden. Deze flexibiliteit biedt grotere aanpassingsmogelijkheden in verschillende substation- en distributienetwerken.
Kortsluitingscapaciteit: Ze zijn ontworpen om de kortsluitstromen van de elektrische systemen waarin ze geïntegreerd zijn, te hanteren, waardoor ze effectieve stroombeperkende mogelijkheden bieden tijdens foutcondities.
Overgangsstabiliteit en Stroombeperkende Reactors
Overgangsstabiliteit speelt een cruciale rol in elektrische wisselstroom (AC) energiesystemen. Het verwijst naar de mogelijkheid van meerdere synchrone machines binnen een energie-systeem om in synchronisatie te blijven na het optreden van een fout. Bijvoorbeeld, in een energie-netwerk met talrijke synchrone motoren die met elkaar verbonden zijn, bepaalt de overgangsstabiliteit of deze motoren na een plotselinge elektrische storing, zoals een kortsluiting, in harmonie kunnen blijven werken. Stroombeperkende reactors kunnen de overgangsstabiliteit aanzienlijk beïnvloeden door de grootte van de foutstromen te verminderen, waardoor de mechanische en elektrische belastingen op de synchrone machines worden verminderd en de kans op stabiliteit van het systeem tijdens en na een foutgebeurtenis wordt vergroot.
Supergeleider gebaseerde Stroombeperkende Reactors
Supergeleidende Foutstroombeperkers (SFCLs) bieden een zeer praktische oplossing voor het verbeteren van de overgangsstabiliteit van energie-systemen, door zowel technische als economische overwegingen in balans te brengen. De unieke eigenschap van supergeleiders, die uiterst hoge niet-lineaire weerstand vertonen, maakt ze ideaal voor gebruik als Foutstroombeperkers (FCLs).
Een van de belangrijkste voordelen van SFCLs ligt in de mogelijkheid van supergeleiders om snel hun weerstand te verhogen en soepel over te gaan van een supergeleidende staat, waarbij de elektrische weerstand feitelijk nul is, naar een normale geleidende staat. Deze snelle verandering in weerstand stelt de SFCL in staat om snel te reageren op foutstromen, waardoor hun grootte beperkt wordt en de integriteit van het energie-systeem beschermd wordt.
Om de werking van SFCLs beter te begrijpen, overweeg het volgende voorbeeld van een motor die binnen een elektrisch systeem is aangesloten en de strategische plaatsing van een foutstroombeperker.
Zwerm Optimalisatie
Zwerm Optimalisatie (PSO) vertoont opmerkelijke parallellen met evolutionaire berekeningsmethoden zoals Genetische Algoritmen (GA). In het begin initialiseert PSO een populatie van willekeurige kandidaat-oplossingen binnen een zoekruimte. Deze oplossingen, vaak geconceptualiseerd als "deeltjes", navigeren vervolgens door de zoekruimte, waarbij ze iteratief hun posities en snelheden updaten. Door dit dynamische proces van zelf-aanpassing en interactie met naburige deeltjes, verkent het systeem systematisch de oplossingsruimte, geleidelijk convergerend naar optimale of bijna optimale oplossingen.
