Ограничаване на тока при късо съединение в електроенергийните системи и приложение на ограничителите на тока при дефект (FCL)

0 Въведение​
С развитието на електроенергийните системи и увеличаването на потребността от натоварване, интеграцията на генериращи агрегати с голяма капацитет и подстанционно оборудване – особено появата на големи електроцентрали в центровете на натоварване и свързването на големи електроенергийни системи – неизбежно води до постоянно повишаване на нивата на късо-круто тока. Без ефективни мерки за ограничаване, тази тенденция би довела не само до значително увеличение на инвестициите в оборудване за нови подстанции, но и до сериозно влияние върху комуникационните линии и тръбопроводите на съществуващите подстанционни обекти, което би изисквало значителни средства за модернизация и обновяване.

В ранните етапи на развитие на системата, когато системната капацитет е малка и нивата на късо-круто тока са ниски, увеличението на късо-круто ток може да се преодолее чрез замяна на комутационните устройства – другото подстанционно оборудване често има достатъчен резерв в този етап. Обаче, когато капацитетът на електроенергийната система е голям, нивата на късо-круто тока са високи и късо-круто токът продължава да се увеличава поради свързване на системите или допълнително разширяване на капацитета, просто замяната на прекъсвителите вече не е достатъчна. Съществуващите подстанции може да изискват не само замяна на прекъсвителите, но и подобряване или замяна на основните трансформатори, разделители, измервателни трансформатори, шинови мостове, изолатори, конструкции, фундаменти и заземителни системи. Освен това комуникационните линии може да изискват защита или дори преобразуване в подземни комуникационни кабели.

Поради различни фактори, нови генериращи агрегати с голяма капацитет и електроцентрали продължават да се интегрират в 220кВ мрежата, което води до прекалено бързо увеличение на нивата на късо-круто тока. Капацитетът за прекъсване и динамичната стабилност на много 220кВ прекъсвители – и дори на цели подстанции – вече не могат да съответстват на растящите нива на късо-круто тока, създавайки сериозни технически и икономически предизвикателства. Търговията на ограничаването на късо-круто тока е затова настоятелно необходима.

​1 Традиционни мерки за ограничаване на тока и техните ограничения​
Ограничаването на късо-круто тока може да се разглежда от гледна точка на системната структура, експлоатацията и оборудването. Традиционните мерки включват следните категории, но всеки има значителни ограничения:

• ​a. Регулиране на мрежовата структура​
  Включва развитие на мрежи с по-високо напрежение, разделяне на мрежи с ниско напрежение/шинови мостове и разделяне на мрежите.
• Развитие на мрежи с по-високо напрежение: Изисква големи инвестиции и възникват екологични проблеми.
• Разделяне/разделение на мрежи с ниско напрежение: Просто за прилагане със значителен ефект на ограничаване на тока, но намалява безопасността на системата и ограничава оперативната гъвкавост, като е подходящо само за необходими случаи.
• ​b. Технология за DC свързване​
  DC свързването може значително да намали късо-круто тока, но инвестициите в преобразувателни станции от двете страни са екстремно високи. За кратки свързания с ниско мощностно обменяване, това решение е икономически невъзможно.
• ​c. Трансформатори с висока импеданс​
  Използването на трансформатори с висока импеданс за ограничаване на късо-круто тока от страната с ниско напрежение е широко приемано мярка. Обаче, тези трансформатори показват по-високи загуби при стационарна експлоатация, което влияе на икономиката на системата.
• ​d. Серийни реактори​
  Серийните реактори, с утвърдена производствена технология и ясно действие на ограничаване на тока, вече се използват в възпомагателни системи на електроцентрали и 10–35кВ подстанции. Обаче, техното приложение в системи с ултра-високо напрежение увеличава сетевите загуби и намалява стабилността на системата, което ограничава техния подходящост.
• ​e. Разширяване на капацитета на оборудването и реконструкция​
  Замяна на прекъсвителите и реконструкция на съществуващи подстанции за справяне с по-високи нива на късо-круто тока директно решава проблема, но изисква високи инвестиции и сложни строителни работи, което води до лоша икономическа ефективност и своевременост.

Учитывайки значителните ограничения на традиционните мерки, разработването на нови устройства за ограничаване на тока, приспособени към съвременните електроенергийни системи, е станало настоятелно необходимо. Устройството за ограничаване на аварийния ток (FCL) е възникнало като решение и е важен компонент на Гъвкавите AC системи за передаване (FACTS).

​2 Приложение на устройствата за ограничаване на аварийния ток (FCL) в електроенергийните системи​

​2.1 Модел и основни принципи на FCL​
Основният принцип на FCL произлиза от технологията за ограничаване на тока с серийни реактори, подобрена с помощта на електроника за управление на мощността, за да преодолее недостатъците на традиционните серийни реактори (например, високи загуби при стационарна експлоатация и влияние върху стабилността на системата). Неговата основна модель може да бъде абстрактна като: "Няма реактивно съпротивление при нормална експлоатация; бързо включване на реактивно съпротивление при аварии, за да се ограничи тока."

• Нормална експлоатация: Комутационното устройство е затворено, еквивалентната импеданс на FCL е близка до нула, без влияние върху системата.
• Аварийно състояние: Бързо отваряне на ключа, включване на реактора за ограничаване на тока, за да се подави късо-круто тока.

Основните компоненти на FCL включват четири ключови елемента:

1. Бърз елемент за детектиране на аварийния ток: Мониторира системния ток в реално време и бързо идентифицира късо-кръгови аварии.
2. Бързо комутационно устройство: Реагира бързо при аварии, за да превключи между състоянията "без реактивно съпротивление" и "с реактивно съпротивление".
3. Реактор за ограничаване на тока: Основен компонент за ограничаване на тока, подаващ късо-круто тока чрез импеданс.
4. Елемент за защита от надвишаване на напрежението: Предпазва от надвишаване на напрежението при аварийно превключване, защитавайки оборудването на системата.

​2.2 Функции и изисквания за проектиране на FCL​

​2.2.1 Основни функции на FCL​
FCL предоставя нов подход към ограничаването на аварийния ток в електроенергийните системи и е важен компонент на съвременните електроенергийни системи. Преимуществата му включват:

• Намаляване на бремето върху прекъсвителите: По-високи нива на напрежение съответстват на по-големи и трудни за прекъсване аварийни токове. FCL директно намалява прекъсващия ток на прекъсвителите, удължавайки жизнения им период.
• Подобряване на стабилността на системата: Бързо ограничаване на късо-круто тока намалява падането на напрежението в линиите и вероятността за извънсинхронизация на генераторите, подобрявайки стабилността на ъгъла на мощност, напрежението и честотата.
• Увеличаване на използването на оборудването и линиите: Ако FCL действа преди късо-круто тока достигне максимум, то намалява изискванията за термична и динамична стабилност, което увеличава фактическата преносна способност на линиите.
• Оптимизиране на качеството на напрежението: Бързо ограничаване на тока преди изчистването на аварията съкращава продължителността на падането на напрежението в непострадалите линии, осигурявайки стабилността на напрежението в мрежата.
• Намаляване на въздействието върху околните обекти: Ограничиването на късо-круто тока в мрежи с високо напрежение намалява електромагнитното въздействие върху близките комуникационни линии и сигнализационни системи на железниците.

​2.2.2 Изисквания за проектиране на FCL​
За да се адаптира към характеристиките на експлоатацията на електроенергийната система, FCL трябва да отговаря на следните стандарти за проектиране:

• Без влияние върху системата при нормална експлоатация (падане на напрежението близко до нула).
• Бърз отговор при аварии (в рамките на 1–2 милисекунди), ограничаване както на пиковия, така и на стационарния късо-круто ток без странични ефекти като надвишаване на напрежението.
• Автоматично възстановяване след изчистване на аварията без ръчно вмешателство.
• Без въздействие върху нормалната логика на работа на защитните реле.
• Разумна цена и висока икономическа ефективност, отговарящи на нуждите на утилитарните инженерни приложения.

​2.3 Сравнение на различни схеми за реализация на FCL​

​2.3.1 Сравнение на схемите​

• ​Заключение: FCL с нови материали (особено суперпроводни) и FCL с електроника за управление на мощността в момента са оптималните решения. Първият е прост и надежден, но ограничен от технологията на материалите; вторият предлага силно контролируемост, и с намаляващите се ценове на електрониката за управление на мощността, става инженерно изпълним, правейки го най-перспективната насока за научноизследователска и развойна дейност.

​2.5 Будещи насоки за изследванията на FCL​
Будещите изследвания на FCL трябва да се фокусират върху "оптимизация на производителността, функционална интеграция и инженерна адаптация." Ключови насоки включват:

1. Непрекъснато регулируеми преобразуватели на импеданс: Отдалечаване от текущата "двустойностна импеданс (нула или безкрайност)" ограничение, за да се разработят реактивни преобразуватели, които динамично съответстват на по-висок импеданс с по-големи аварийни токове. Тези преобразуватели трябва също да включват компенсация на фактора на мощност и поглъщане на надвишаване на напрежението, комбинирани с теории за управление (например, отрицателна обратна връзка, PID управление), за да се подобри автоматизацията на системата.
2. Интеграция с контролери FACTS: Разработване на комплексни устройства за управление, които комбинират FCL с други компоненти FACTS (например, SVG, SVC), за да се подобри общата икономическа ефективност и да се продвижи управляемото AC предаване и разпределение.
3. Преодоляване на ключови технологии:
• Механизми на влияние на FCL върху стабилността на електроенергийната система.
• Логика за координация между FCL и защитни реле.
• Оптимизация на системи за бързо детектиране на аварийни сигнали и контролери.
• Влияние на FCL върху качеството на енергията (например, хармоники, колебания на напрежението) и мерки за намаляване.

​3 Заключение​

• a. Ограничаването на късо-круто тока в електроенергийните системи е станало критичен въпрос, изискващ спешно решение. като ново защитно устройство, Устройството за ограничаване на аварийния ток (FCL) предоставя ефективно решение, и разработката на FCL, приспособени към съвременните мрежи, има значителна теоретична и инженерна стойност.
• b. FCL с електроника за управление на мощността вече разполагат с теоретична основа и инженерна практическа приложимост. Их отличное качество управления и снижение стоимости электронных устройств указывают на широкие перспективы развития.
• c. С развитием технологий FACTS/CusPow, FCL, как ключевой участник семьи FACTS, должен не только самостоятельно решать проблемы ограничения тока в сетях передачи и распределения, но и сотрудничать с другими контроллерами FACTS для дальнейшего продвижения управляемых AC систем передачи и распределения.