Ograniczniki prądu zwarciowego i ich rodzaje

Wprowadzenie do ogranicznika prądu uszkodzeniowego

W ostatnim czasie, wraz z rosnącym popytem na energię, dynamiczny rozwój generowania i przesyłania energii zdobył znaczącą wagę i stał się podstawowym wymogiem. Jednak w każdym systemie generacji energii, przekazy stanowią jedno z najtrwalszych i najbardziej wyzważających problemów, a ich wpływ nasila się wraz z rozszerzaniem skali generacji. Problemy spowodowane krótkimi lub uszkodzeniowymi prądami są wielostronne:

• Naprężenia termiczne sprzętu: Na sprzęt elektryczny działają nieznośne naprężenia termiczne, co może prowadzić do przedwczesnego zużycia, uszkodzenia, a nawet awarii elementów.

• Interferencja elektrodynamika: Wiele sił elektrodynamicznych w obwodzie zakłóca prawidłowe działanie przyrządów, wpływając na ich dokładność i niezawodność.

• Ograniczenia technologiczne i ekonomiczne: Aby chronić obwód przed uszkodzeniami, potrzebne są bardziej wydajne wyłączniki. To wymaganie nie tylko stwarza bariery technologiczne, ale także narzuca istotne ograniczenia ekonomiczne.

• Ryzyko bezpieczeństwa: Zdrowotne zagrożenia są jednymi z najpilniejszych problemów, ponieważ przekazy stanowią bezpośrednie zagrożenie dla życia personelu i integralności infrastruktury elektrycznej.

• Złożoność przejściowych zmian napięcia: Przekazy zaostrzają problem przejściowych zmian napięcia podczas operacji przełączania, czyniąc je bardziej krytycznymi i trudniejszymi do zarządzania.

Biorąc pod uwagę te wyzwania, rozwój bardziej zaawansowanych i precyzyjnych systemów do radzenia sobie z przekazami stało się koniecznością. Ten artykuł będzie omawiał kilka podejść, które zostały zaproponowane i zaimplementowane, aby ograniczyć wpływ prądów uszkodzeniowych.

Podejścia

Poniżej przedstawione są niektóre metody, które są aktywnie badane lub już stosowane w praktyce, w zależności od ich specyficznych cech i zastosowań:

• Reaktor ograniczający prąd (CLR): Szeroko uznawany za swoją efektywność w ograniczaniu prądów uszkodzeniowych.

• Stały stanowy ogranicznik prądu: Nowoczesna technologia, która pokazuje duże możliwości, ale nadal jest w wczesnych etapach badań i rozwoju.

• Superprzewodzące ograniczniki prądu: Te urządzenia wykorzystują unikalne właściwości superprzewodników do ograniczania prądu, podobnie jak stałe stanowe ograniczniki, są w początkowych fazach rozwoju.

• Bezpieczniki: Tradycyjna, ale niezawodna metoda ochrony obwodów poprzez przerwanie prądu, gdy przekracza on określoną wartość progową.

• Podział szyn w stacjach transformatorowych: Praktyczne podejście, które pomaga zmniejszyć prądy uszkodzeniowe poprzez modyfikację konfiguracji elektrycznej stacji transformatorowej.

• Implementacja transformatorów o wysokim impedancji: Te transformatory mogą być używane do zwiększenia impedancji w obwodzie, co pozwala ograniczyć wielkość prądów uszkodzeniowych.

• Użycie reaktorów jądrowych do ograniczania prądu: Mimo że to nietypowe podejście, badania badały potencjał reaktorów jądrowych do wprowadzenia mechanizmów ograniczających prąd.

Spośród tych technik, zastosowanie stałe stanowych i superprzewodzących urządzeń jest nadal w fazie rozwoju. Podczas implementacji dowolnego systemu do rozwiązywania problemów z przekazami, należy wziąć pod uwagę dwa kluczowe zagadnienia:

Strategie ograniczania prądów uszkodzeniowych w stacjach transformatorowych i sieci dystrybucyjnych

Położenie i ilość reaktorów ograniczających

Dwa kluczowe pytania w dziedzinie inżynierii elektrycznej dotyczą optymalnego położenia reaktorów ograniczających w stacjach transformatorowych i sieci dystrybucyjnej, a także określenia idealnej liczby tych reaktorów potrzebnych do efektywnego zarządzania prądami uszkodzeniowymi. Te decyzje wymagają kompleksowego zrozumienia charakterystyk systemu elektrycznego, wymagań obciążeniowych oraz potencjalnych scenariuszy uszkodzeń.

Reaktor ograniczający prąd (CLR)

Reaktor ograniczający prąd jest jednym z najbardziej kosztoskutecznych i praktycznych rozwiązań do zarządzania prądami uszkodzeniowymi. Jego wpływ na niezawodność stacji transformatorowej jest minimalny, co czyni go korzystną opcją dla wielu systemów elektrycznych. Ma jednak pewne wady. Fizyczny sprzęt CLR jest zwykle duży, zajmując znaczną przestrzeń w stacji transformatorowej. Ponadto, obecność CLR może prowadzić do degradacji stabilności napięcia, co musi być starannie monitorowane i zarządzane.

Stały stanowy ogranicznik prądu uszkodzeniowego

Stałe stanowe ograniczniki prądu uszkodzeniowego są obecnie w fazie badań i rozwoju. Mają zaletę względnie łatwej integracji z systemami dystrybucyjnymi. Jednak ich wysoka cena stanowi główną barierę, uniemożliwiającą szerokie wdrożenie na dużą skalę. Badacze aktywnie pracują nad obniżeniem kosztów i poprawą ich wydajności, aby uczynić je bardziej opłacalnymi do użytku komercyjnego.

Bezpiecznik

Bezpieczniki są bardzo skutecznymi i efektywnymi urządzeniami przerwania prądu, co sprawia, że są odpowiednie do użycia jako ograniczniki prądu. Są tanie i proste w montażu. Jednak ich skuteczność jest ograniczona przez ich nominalną pojemność. Na przykład, typowe bezpieczniki mogą być zaprojektowane do obsługi maksymalnie 40 kV i 200 A prądu, co ogranicza ich zastosowanie w scenariuszach z wysokim napięciem i dużym prądem. Bezpieczniki o wysokiej pojemności przepływowej (HRC) oferują lepszą wydajność, ale mają swoje własne ograniczenia.

Ogranicznik prądu uszkodzeniowego szyny

Wyłączniki łączące szyny mogą być używane jako ograniczniki prądu uszkodzeniowego, ale są ogólnie uważane za rozwiązanie tymczasowe lub awaryjne. Nie są zaprojektowane do bycia stałą częścią stacji transformatorowej ze względu na ich charakterystyki i ograniczenia funkcjonalne.

Zastosowanie neutralnego reaktora

Neutralne reaktory prezentują kolejną realistyczną opcję do ograniczania prądów uszkodzeniowych, szczególnie w przypadku prądów ziemnych. Ich projekt i działanie sprawiają, że są szczególnie efektywne w określonych scenariuszach uszkodzeń związanych z prądami ziemnymi.

Typy i charakterystyki reaktorów ograniczających prąd

Reaktor ograniczający prąd jest szeroko stosowanym rozwiązaniem i można go podzielić na dwa główne typy:

Suchy typ CLR

Suche CLR to reaktory z rdzeniem powietrza wyposażone w cewki miedziane. Użycie rdzenia żelaznego jest unikane ze względu na ryzyko nasycenia, które może wpłynąć na wydajność reaktora. Te reaktory są odpowiednie dla różnych zastosowań, gdzie warunki środowiskowe są stosunkowo czyste i suche.

Nafty typ CLR

Naftowe CLR mają wiele podobieństw do swoich suchych odpowiedników pod względem podstawowej funkcjonalności. Jednak ich kluczowa różnica polega na zakresie zastosowania. Naftowe CLR są specjalnie zaprojektowane do użytku w silnie zanieczyszczonych środowiskach. Olej używany w tych reaktorach ma wyższą stałą dielektryczną w porównaniu z powietrzem w suchych reaktorach, zapewniając lepszą izolację i ochronę w trudnych warunkach.

Ogólne specyfikacje reaktorów ograniczających prąd uszkodzeniowy

Częstotliwość i napięcie: Te reaktory są zaprojektowane do działania w stosunkowo wąskim zakresie częstotliwości i napięć. Ich charakterystyki wydajności są optymalizowane pod kątem określonych parametrów systemów elektrycznych.

Elastyczność instalacji: W zależności od wymagań zastosowania, mogą być instalowane zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz. Ta elastyczność pozwala na większą adaptacyjność w różnych układach stacji transformatorowych i sieci dystrybucyjnych.

Pojemność krótkiego przekazu: Są zaprojektowane do obsługiwania prądów krótkiego przekazu systemów elektrycznych, w których są zintegrowane, zapewniając efektywne możliwości ograniczania prądu w warunkach uszkodzenia.

Tymczasowa stabilność i reaktory ograniczające prąd

Tymczasowa stabilność odgrywa kluczową rolę w systemach zasilania przemiennego prądu (AC). Odnosi się do zdolności wielu synchronicznych maszyn w systemie energetycznym do pozostania w synchronizacji po wystąpieniu uszkodzenia. Na przykład, w sieci energetycznej z wieloma synchronicznymi silnikami złączonymi, tymczasowa stabilność określa, czy te silniki mogą kontynuować pracę w harmonii po nagłej perturbacji elektrycznej, takiej jak przekaz. Reaktory ograniczające prąd mogą znacząco wpływać na tymczasową stabilność, obniżając wielkość prądów uszkodzeniowych, co minimalizuje mechaniczne i elektryczne naprężenia na synchroniczne maszyny, zwiększając prawdopodobieństwo utrzymania stabilności systemu podczas i po zdarzeniu uszkodzenia.

Reaktory ograniczające prąd oparte na superprzewodnikach

Superprzewodzące ograniczniki prądów uszkodzeniowych (SFCL) oferują bardzo praktyczne rozwiązanie do zwiększenia tymczasowej stabilności systemów energetycznych, efektywnie bilansując zarówno aspekty techniczne, jak i ekonomiczne. Unikalna właściwość superprzewodników, które wykazują ekstremalnie wysoką nieliniową rezystancję, sprawia, że są idealnymi kandydatami do użycia jako ograniczniki prądów uszkodzeniowych (FCL).

Jedną z kluczowych zalet SFCL jest zdolność superprzewodników do szybkiego zwiększenia ich rezystancji i płynnego przejścia ze stanu superprzewodzącego, gdzie rezystancja elektryczna jest praktycznie zerowa, do normalnego stanu przewodzenia. Ta szybka zmiana rezystancji pozwala SFCL szybko reagować na prądy uszkodzeniowe, ograniczając ich wielkość i tym samym chroniąc integralność systemu energetycznego.

Aby lepiej zrozumieć funkcjonowanie SFCL, rozważmy następujący przykład silnika podłączonego w systemie elektrycznym i strategiczne umieszczenie ogranicznika prądu uszkodzeniowego.

Optymalizacja roju cząstek

Optymalizacja roju cząstek (PSO) wykazuje znaczne podobieństwa do metod obliczeń ewolucyjnych, takich jak Algorytmy Genetyczne (GA). Na początku PSO inicjalizuje populację losowych kandydatów do rozwiązania w przestrzeni poszukiwań. Te rozwiązania, często pojęte jako "cząstki," następnie poruszają się przez przestrzeń poszukiwań, iteracyjnie aktualizując swoje położenia i prędkości. Dzięki temu dynamicznemu procesowi samo-dostosowywania i interakcji z sąsiednimi cząstkami, system systematycznie eksploruje przestrzeń rozwiązań, stopniowo zbiegając do optymalnych lub bliskich optymalnych rozwiązań.