Omezení krátkozavěsového proudu v elektrických systémech a použití omezovacích prvků pro proud při poruše (FCL)

0 Úvod​
S rozvojem elektrických systémů a rostoucími požadavky na zatížení vedlo k integraci velkých výkonových jednotek a podstanicích zařízení – zejména vznik velkých elektráren v centrách zatížení a propojení velkých elektrických systémů – nevyhnutelně k neustálému nárůstu hladin krátkozávěrových proudů. Bez efektivních omezujících opatření by tento trend nejen výrazně zvýšil investice do zařízení pro nové podstanice, ale také zásadně ovlivnil komunikační linky a potrubí stávajících podstanic, což by mohlo vyžadovat významné finanční prostředky pro rekonstrukci a modernizaci.

V raných fázích vývoje systému, kdy je kapacita systému malá a hladiny krátkozávěrových proudů nízké, lze běžně řešit rostoucí krátkozávěrové proudy nahrazením přepínacích zařízení – jiná zařízení podstanice často mají v této fázi dostatečnou rezervu. V případě, že je kapacita elektrického systému velká, hladiny krátkozávěru vysoké a krátkozávěrové proudy pokračují v růstu díky propojení systémů nebo dalšímu rozšíření kapacity, už není stačí jen nahradit spínače. Stávající podstanice mohou vyžadovat nejen nahrazení spínačů, ale také vylepšení nebo nahrazení hlavních transformátorů, odpojovačů, měřicích transformátorů, sběrných trubek, izolátorů, konstrukcí, základů a zemnicích systémů. Kromě toho mohou být komunikační linky nutné chránit nebo dokonce převést na podzemní komunikační kabely.

Z důvodu různých faktorů jsou do sítě 220 kV neustále integrovány nové velké výkonové jednotky a elektrárny, což vede k příliš rychlému nárůstu hladin krátkozávěrových proudů. Odpojovací kapacita a dynamické stabilitní vlastnosti mnoha 220kV spínačů – a dokonce celých podstanic – již nemohou odpovídat rostoucím hladinám krátkozávěru, což vytváří vážné technické a ekonomické výzvy. Je tedy naléhavě potřeba provést výzkum omezení krátkozávěrových proudů.

​1 Tradiční opatření pro omezení proudu a jejich omezení​
Omezení krátkozávěrových proudů lze řešit z hlediska struktury systému, provozu a zařízení. Tradiční opatření zahrnují následující kategorie, ale každé má významná omezení:

• ​a. Přizpůsobení struktury sítě​
  Zahrnuje vývoj síťových struktur s vyššími napětím, rozdělení sítí s nižším napětím/sběrných trubek a oddělení sítí.
• Vývoj síťových struktur s vyššími napětím: Vyžaduje významné investice a zahrnuje environmentální obavy.
• Rozdělení sítí s nižším napětím/oddělení: Jednoduché k provedení s významným omezením proudu, ale snižuje bezpečnostní rezervy systému a omezí operační flexibilitu, což je vhodné pouze v nezbytných situacích.
• ​b. Technologie DC propojení​
  DC propojení může významně snížit krátkozávěrové proudy, ale investice do převodních stanic na obou koncích jsou extrémně vysoké. Pro krátká propojení s nízkým výměnou výkonu je tato řešení ekonomicky nevyhovující.
• ​c. Transformátory s vysokou impedancí​
  Použití transformátorů s vysokou impedancí k omezení krátkozávěrových proudů na straně nižšího napětí je běžně používané opatření. Nicméně, tyto transformátory mají vyšší ztráty během stabilního chodu, což ovlivňuje ekonomiku systému.
• ​d. Seriální reaktory​
  Seriální reaktory s dospělou výrobní technologií a jasnými omezeními proudu jsou již používány v pomocných systémech elektráren a podstanicích 10–35 kV. Nicméně, jejich použití v systémech s ultravysokým napětím zvyšuje síťové ztráty a snižuje stabilitu systému, což omezuje jejich vhodnost.
• ​e. Rozšíření kapacity zařízení a rekonstrukce​
  Nahrazení spínačů a rekonstrukce stávajících podstanic pro zvládnutí vyšších krátkozávěrových proudů přímo řeší problém, ale vyžadují vysoké investice a složité stavební práce, což vede k špatné ekonomické efektivitě a včasnosti.

Vzhledem k významným omezením tradičních opatření se stal vývoj nových omezujících zařízení přizpůsobených moderním elektrickým systémům nezbytný. Omezovač krátkozávěrových proudů (FCL) se stal řešením a je také důležitou součástí Flexibilních AC přenosových systémů (FACTS).

​2 Použití omezovačů krátkozávěrových proudů (FCL) v elektrických systémech​

​2.1 Model a základní principy FCL​
Základní princip FCL je odvozen z technologie omezení proudu sériovými reaktory, vylepšen pomocí elektroniky výkonu, aby překonal nedostatky tradičních sériových reaktorů (např. vysoké ztráty během stabilního chodu a dopady na stabilitu systému). Jeho základní model lze abstrahovat jako: "Žádná induktance během normálního chodu; rychlé vložení induktance během poruchy k omezení proudu."

• Normální chod: Spínač uzavřen, ekvivalentní impedancia FCL téměř nulová, žádný dopad na systém.
• Stav poruchy: Spínač rychle otevřen, vložen proudový omezovač k potlačení krátkozávěrového proudu.

Základní komponenty FCL zahrnují čtyři klíčové prvky:

1. Rychlý detektor krátkozávěrového proudu: Sleduje proud systému v reálném čase a rychle identifikuje krátkozávěry.
2. Rychlý spínač: Rychle působí během poruchy k přepnutí mezi stavem "bez induktance" a "induktance".
3. Proudový omezovač: Základní komponenta pro omezení proudu, potlačující krátkozávěrový proud prostřednictvím impedancí.
4. Prvek ochrany před přetlakem: Brání přetlaku během přepínání poruchy, chrání zařízení systému.

​2.2 Funkce a návrhové požadavky FCL​

​2.2.1 Základní funkce FCL​
FCL poskytuje nový přístup k omezení krátkozávěrových proudů v elektrických systémech a je klíčovou součástí moderních elektrických systémů. Jeho výhody zahrnují:

• Snížení zátěže spínačů: Vyšší úrovně napětí odpovídají větším, obtížněji přerušitelným krátkozávěrovým proudům. FCL přímo snižuje přerušovací proud spínačů, prodlužuje životnost zařízení.
• Zlepšení stability systému: Rychlé omezení krátkozávěrových proudů snižuje klesání napětí na linkách a pravděpodobnost vynechání synchronizace generátorů, zlepšuje stabilitu fázového úhlu, napětí a frekvence.
• Zvýšení využití zařízení a linek: Pokud FCL působí před dosažením vrcholu krátkozávěrového proudu, snižuje požadavky na termální a dynamické stabilitní limity, což zvyšuje skutečnou přenosovou kapacitu linek.
• Optimalizace kvality napětí: Rychlé omezení proudu před vyřešením poruchy zkracuje dobu klesání napětí na nefalšovaných linech, zajišťuje stabilitu napětí v síti.
• Snížení rušení okolních zařízení: Omezení krátkozávěrových proudů v sítích s vysokým napětím snižuje elektromagnetické rušení blízkých komunikačních linek a systémů kolejové signalizace.

​2.2.2 Návrhové požadavky pro FCL​
Pro přizpůsobení provozním charakteristikám elektrických systémů musí FCL splňovat následující návrhové standardy:

• Žádný dopad na systém během normálního chodu (klesání napětí téměř nulové).
• Rychlá odezva během poruch (do 1–2 ms), omezení jak vrcholových, tak stabilních krátkozávěrových proudů bez vedlejších účinků, jako je přetlak.
• Automatické resetování po vyřešení poruchy bez ruční intervence.
• Žádné rušení normální logiky ochranných relé.
• Rozumné náklady a vysoká cena/výkon, splňující potřeby inženýrské aplikace.

​2.3 Srovnání různých implementačních schémat FCL​

​2.3.1 Srovnání schémat​

• ​Závěr: FCL založené na nových materiálech (zejména nadvodičích) a FCL z elektroniky výkonu jsou v současnosti optimálními řešeními. První je jednoduché a spolehlivé, ale omezené technologií materiálů; druhé nabízí silnou kontrolovatelnost a s klesajícími náklady na elektroniku výkonu se stalo inženýrsky realizovatelné, což z něj činí nejnadějnější směr výzkumu a vývoje.

​2.5 Budoucí směry výzkumu FCL​
Budoucí výzkum FCL by měl soustředit na "optimalizaci výkonu, integrování funkcí a inženýrskou adaptabilitu." Klíčové směry zahrnují:

1. Neustále nastavitelné impedanční převodníky: Překonání aktuálního omezení "dvoustavové impedancie (nula nebo nekonečno)" a vývoj reaktivních, neustále nastavitelných impedančních převodníků, které dynamicky odpovídají vyšší impedanci s většími krátkozávěrovými proudy. Tyto by měly také zahrnovat kompenzaci koeficientu výkonu a absorpci přetlaku, kombinovány s teoriemi řízení (např. zpětná vazba, PID řízení) k zlepšení automatizace systému.
2. Integrace s kontrolery FACTS: Vývoj komplexních kontrolních zařízení, které kombinují FCL s jinými komponentami FACTS (např. SVG, SVC) k zlepšení celkové ceny/výkonu a rozvoji řiditelných AC přenosových a distribučních systémů.
3. Klíčové technologické průlomy:
• Mechanismy dopadu FCL na stabilitu elektrických systémů.
• Koordinační logika mezi FCL a ochrannými relémi.
• Optimalizace ultra-rychlých systémů detekce signálů poruchy a kontrolérů.
• Dopady FCL na kvalitu výkonu (např. harmonické, fluktuace napětí) a opatření k jejich zmírnění.

​3 Závěr​

• a. Omezení krátkozávěrových proudů v elektrických systémech se stalo klíčovým problémem vyžadujícím naléhavé řešení. Jako nové ochranné zařízení poskytuje omezovač krátkozávěrových proudů (FCL) efektivní řešení a vývoj FCL přizpůsobených moderním sítím má významnou teoretickou a inženýrskou hodnotu.
• b. FCL založené na elektronice výkonu již mají teoretickou základnu a inženýrskou realizovatelnost. Jejich vynikající kontrolní výkon a klesající náklady na elektroniku výkonu naznačují široké možnosti rozvoje.
• c. S pokrokem ve vývoji technologií FACTS/CusPow by měl FCL, jako klíčový člen rodiny FACTS, nejen samostatně řešit problémy omezení proudu v přenosových a distribučních sítích, ale také spolupracovat s jinými kontrolery FACTS k dalšímu rozvoji řiditelných AC přenosových a distribučních systémů.