Обмежувачі відхилень струму та їхні типи
Вступ до обмежувача відхилення струму
Недавно, зі зростанням попиту на енергію, робустне розвиток у генерації та передачі електроенергії набув значного значення і став фундаментальною необхідністю. Однак, в будь-якій системі генерації електроенергії, короткозамкнення становлять одну з найбільш постійних та складних проблем, а їх вплив зростає разом з масштабом генерації. Проблеми, спричинені короткозамкненнями або аварійними струмами, багатогранні:
Термічний стрес обладнання: На електричне обладнання діють неприйнятні термічні стреси, що можуть призвести до раннього зношення, пошкодження та навіть виходу компонентів з ладу.
Електродинамічна інтерференція: Багато електродинамічних сил у цепі заважають нормальному роботі приладів, впливаючи на їх точність та надійність.
Технологічні та економічні обмеження: Для захисту цепі від пошкоджень потрібні більш ефективні автоматичні вимикачі. Цей попит не лише створює технологічні перешкоди, але також накладає значні економічні обмеження.
Загрози безпеці: Загрози безпеки є одними з найбільш насущних проблем, оскільки короткозамкнення становлять пряму загрозу життям персоналу та цілісності електричної інфраструктури.
Ускладнення через коливання напруги: Короткозамкнення погіршують проблему коливань напруги під час комутаційних операцій, роблячи їх більш критичними та важкими для управління.
Враховуючи ці виклики, розробка більш сучасних та точних систем для вирішення проблем короткозамкнень стала необхідною. Ця стаття розглядає декілька підходів, які були запропоновані та реалізовані для зменшення впливу аварійних струмів.
Підходи
Нижче наведені деякі методи, які активно досліджуються або вже використовуються, залежно від їх специфічних характеристик та застосувань:
Обмежувач струму (CLR): Визнаний за свою ефективність у обмеженні аварійних струмів.
Твердотільний обмежувач струму: Новітня технологія, яка має великий потенціал, але все ще знаходиться на ранніх етапах досліджень та розробок.
Суперпровідні обмежувачі струму: Ці пристрої використовують унікальні властивості суперпровідників для обмеження струму, і, як твердотільні обмежувачі, знаходяться на початкових етапах розробки.
Перемикачі: Традиційний, але надійний метод захисту цепі шляхом переривання струму, коли він перевищує певний поріг.
Розділення шин в підстанціях: Практичний підхід, який допомагає зменшити аварійні струми, змінюючи електричну конфігурацію підстанції.
Впровадження трансформаторів з високою імпедансною характеристичною: Ці трансформатори можуть бути використані для збільшення імпедансу в цепі, таким чином обмежуючи величину аварійних струмів.
Використання ядерних реакторів для обмеження струму: Хоча це нестандартний підхід, дослідження виявили потенціал ядерних реакторів для участі в механізмах обмеження струму.
Серед цих технік, використання твердотільних та суперпровідних пристроїв все ще знаходиться на етапі розробки. При впровадженні будь-якої системи для вирішення проблем короткозамкнень, повинні враховуватися два ключові аспекти:
Стратегії зменшення аварійних струмів у підстанціях та мережах розподілу
Розташування та кількість обмежувачів реакторів
Два ключові питання в електротехніці стосуються оптимального розташування обмежувачів реакторів у підстанціях та мережах розподілу, а також визначення ідеальної кількості цих реакторів, необхідних для ефективного управління аварійними струмами. Ці рішення потребують всебічного розуміння характеристик електричної системи, вимог до навантаження та потенційних аварійних сценаріїв.
Обмежувач струму (CLR)
Обмежувач струму (CLR) виступає одним з найбільш економічно обґрунтованих та практичних рішень для управління аварійними струмами. Його вплив на надійність підстанції мінімальний, що робить його бажаним вибором для багатьох електричних систем. Однак, він має певні недоліки. Фізичне обладнання CLR зазвичай великі, займають значну площу у підстанції. Крім того, наявність CLR може призвести до погіршення стабільності напруги, що повинно бути обережно контролюватися та керуватися.
Твердотільний обмежувач аварійного струму
Твердотільні обмежувачі аварійного струму зараз знаходяться на етапі досліджень та розробок. Вони мають перевагу відносно легкого інтегрування у системи розподілу. Однак, їх висока вартість є основним заважаючим фактором, що заважає широкому впровадженню на велику шкалу. Дослідники активно працюють над зниженням вартості та покращенням їх продуктивності, щоб зробити їх більш придатними для комерційного використання.
Перемикач
Перемикачі є надзвичайно ефективними та ефективними пристроями для переривання струму, що робить їх прийнятними для використання як обмежувачі струму. Вони дешеві та прості у встановленні. Однак, їх ефективність обмежена їх номінальною здатністю. Наприклад, типові перемикачі можуть бути розроблені для обробки максимум 40 кВ та 200 А струму, що обмежує їх застосування у високонапружених та високострумових сценаріях. Перемикачі з високою здатністю розриву (HRC) пропонують покращену продуктивність, але все ще мають свої обмеження.
Обмежувач аварійного струму шин
Автоматичні вимикачі шин можуть бути використані як обмежувачі аварійного струму шин, але зазвичай вони розглядаються як тимчасове або аварійне рішення. Вони не призначені для постійного використання у підстанції через їх оперативні характеристики та обмеження.
Застосування нейтрального реактора
Нейтральні реактори представляють собою ще один придатний варіант для зменшення аварійних струмів, особливо при вирішенні проблем, пов'язаних з заземленням. Їх конструкція та функціонування роблять їх особливо ефективними в певних аварійних сценаріях, пов'язаних з електричними проблемами, пов'язаними з землею.
Типи та характеристики обмежувачів струму
Обмежувач струму широко впроваджений і може бути поділений на два основні типи:
Сухий тип CLR
Сухі CLR — це реактори з повітряним сердечником, які мають медні обмотки. Використання залізного сердечника уникнено через ризик насичення, яке може підривати продуктивність реактора. Ці реактори придатні для різноманітних застосувань, де екологічні умови є відносно чистими та сухими.
Масляний тип CLR
Масляні CLR мають багато схожостей зі своїми сухими аналогами з точки зору базової функціональності. Однак, їх ключова відмінність полягає в їх області застосування. Масляні CLR спеціально розроблені для використання в сильно забруднених середовищах. Масло, використовуване в цих реакторах, має більшу диелектричну сталу, порівняно з повітрям у сухих реакторах, що забезпечує покращену ізоляцію та захист у складних умовах.
Загальні характеристики реакторів обмеження аварійного струму
Частота та напруга: Ці реактори розроблені для роботи в відносно вузькому діапазоні частот та напруг. Їх характеристики продуктивності оптимізовані для конкретних параметрів електричної системи.
Гнучкість встановлення: В залежності від вимог до застосування, вони можуть бути встановлені або всередині, або зовні. Ця гнучкість дозволяє більшу адаптивність в різних конфігураціях підстанцій та мереж розподілу.
Здатність до короткозамкнень: Вони розроблені для обробки короткозамкненних струмів електричних систем, в які вони інтегровані, забезпечуючи ефективні можливості обмеження струму під час аварійних ситуацій.
Транзиторна стійкість та реактори обмеження струму
Транзиторна стійкість відіграє ключову роль в електричних системах змінного струму (AC). Вона вказує на здатність багатьох синхронних машин у електричній системі залишатися в синхронізації після виникнення аварії. Наприклад, у мережі з багатьма зв'язаними синхронними двигунами, транзиторна стійкість визначає, чи зможуть ці двигуни продовжувати роботу в гармонії після раптової електричної збудженості, такої як короткозамкнення. Реактори обмеження струму можуть значно впливати на транзиторну стійкість, зменшуючи величину аварійних струмів, що мінімізує механічні та електричні стреси на синхронних машинах та збільшує ймовірність збереження стійкості системи під час та після аварійного подію.
Реактори обмеження струму на основі суперпровідників
Суперпровідні обмежувачі аварійного струму (SFCL) пропонують дуже практичне рішення для підвищення транзиторної стійкості електричних систем, ефективно балансуючи технічні та економічні аспекти. Унікальна властивість суперпровідників, які демонструють надзвичайно високу нелінійну опір, робить їх ідеальними кандидатами для використання як обмежувачі аварійного струму (FCL).
Один з ключових переваг SFCL полягає в здатності суперпровідників швидко збільшувати свій опір і безперервно переходити від стану суперпровідності, де електричний опір фактично дорівнює нулю, до нормального провідного стану. Цей швидкий зміна опору дозволяє SFCL швидко реагувати на аварійні струми, обмежуючи їх величину, що забезпечує цілісність електричної системи.
Щоб краще зрозуміти функціональність SFCL, розглянемо наступний приклад двигуна, підключенного до електричної системи, та стратегічне розташування обмежувача аварійного струму.
Оптимізація роєм частинок
Оптимізація роєм частинок (PSO) має значні паралелі з еволюційними методами обчислення, такими як генетичні алгоритми (GA). На початку PSO ініціалізує популяцію випадкових кандидатських рішень у просторі пошуку. Ці рішення, часто концептуалізовані як "частинки," потім навігаються через простір пошуку, ітераційно оновлюючи свої позиції та швидкості. Через цей динамічний процес самоналаштування та взаємодії з сусідніми частинками, система систематично досліджує простір рішень, поступово збігаючись до оптимальних або близьких до оптимальних рішень.
