Väikese ringi liikumise piiramisega energiaüsteemides ja veafiksilimiteerijate (FCL) rakendamine

0 Sissejuhatus​
Elektrivõrkude ja kasvava nõudluse arenguga on suuremahuliste tootmiseenite ja alamjaama seadmete integreerimine – eriti suurte elektrijaamade ilmumine koormuskeskustes ja suurte elektrivõrkude ühendamine – vältimatult põhjustanud lühikese kinnituse taseme jätkuva tõusu. Tõhusate piirangmeetmete puudumisel ei suurendaks see mitte ainult uute alamjaamade jaoks mõeldud seadmete investeeringuid, vaid mõjutaks ka olemasolevate alamjaamade side- ja tuumapilte, võimaldades olulist rahalisi kulutusi uuendamiseks ja parandamiseks.

Süsteemi arengu varases staadiumis, kui süsteemi mahud on väikesed ja lühikese kinnituse tasemed madalad, saab tõusvat lühikese kinnituse arvu tavaliselt lahendada lülitsiteerimisseadmete asendamise teel – muud alamjaama seadmed on sellel etapil tavaliselt piisavalt marginaalseid. Kuid kui elektrisüsteemi mahud on suured, lühikese kinnituse tasemed kõrged ja lühikese kinnituse arv jätkub tõusu süsteemi ühendamise või edasisest kapasiteedi laiendamise tõttu, ei ole enam piisav ainult lülitsitaastikute asendamine. Olemasolevad alamjaamad võivad nõuda mitte ainult lülitsitaastikute asendamist, vaid ka peamiste transformatorkogumite, katkestajate, mõõturite, juhtmeeste, isoatorite, konstruktsioonide, aluse- ja maandussüsteemide tugevdamist või asendamist. Lisaks võivad side-jooned vajada ekraanimist või isegi ümber ehitamist maapinna all.

Eraldi tegurite tõttu jätkuvad uute suuremahuliste tootmiseenite ja elektrijaamade integreerimine 220kV võrku, mis viib lühikese kinnituse taseme liiga kiirese tõusu. Paljude 220kV lülitsitaastikute ja isegi täiskogu alamjaamade lõpetamise võime ja dünaamiline stabiilsus ei vasta enam tõusvale lühikese kinnituse tasemele, tekitades tõsiseid tehnilisi ja majanduslikke väljakutseid. Seetõttu on lühikese kinnituse piiramise uurimine äärmiselt vajalik.

​1 Traditsioonilised kinnituse piiramismeetmed ja nende piirangud​
Lühikese kinnituse piiramist saab lahendada süsteemi struktuuri, töö ja seadmete perspektiivist. Traditsioonilised meetmed hõlmavad järgmisi kategooriaid, kuid igaüks neist omab olulisi piiranguid:

• ​a. Võrgustruktuuri korrigeerimine​
  Hõlmab kõrgema pingevõrgu arendamist, madala pingevõrgu/pingereebri jagamist ja võrgu eraldamist.
• Kõrgema pingevõrgu arendamine: Nõuab suuri investeeringuid ja kaasneb keskkonnaküsimustega.
• Madala pingevõrgu jagamine/eraldamine: Lihtne ellu viia, märkimisväärne kinnituse piiramise tulemus, kuid vähendab süsteemi ohutusmarginaale ja piirab töövõimet, sobib ainult vajalike olukordade korral.
• ​b. DC ühenduste tehnoloogia​
  DC ühendused võivad oluliselt vähendada lühikese kinnituse arvu, kuid mõlemate otsade teisenditsoonidesse investeerimine on äärmiselt kallis. Lühikestele ühendustele madala võimsuse vahetusega on see lahendus majanduslikult mittepraktikantne.
• ​c. Kõrge impedantsiga transformatorkogumid​
  Kõrge impedantsiga transformatorkogumite kasutamine lühikese kinnituse arvu piiramiseks madala pingereebri poolt on levinud meetod. Kuid need transformatorkogumid näitavad kõrgemat kahju stabiilsesse töös, mõjutades süsteemi majanduslikkust.
• ​d. Reektorid rida​
  Reektorid ridas, mille tootmis-tehnoloogia on kinnitanud ja millel on selge kinnituse piiramise tulemus, on juba kasutuses elektrijaama abisüsteemides ja 10–35kV alamjaamades. Kuid nende rakendamine ülivõimsustes suurendab võrgukahju ja vähendab süsteemi stabiilsust, piirates nende sobivust.
• ​e. Seadmete kapasiteedi laiendamine ja uuendamine​
  Lülitsitaastikute asendamine ja olemasolevate alamjaamade uuendamine suuremate lühikese kinnituse arvu käsitlemiseks lahendab probleemi otse, kuid nõuab suuri investeeringuid ja keerulist ehitust, mille tulemuseks on halb majanduslik tõhusus ja ajakohasus.

Arvestades traditsiooniliste meetmete olulisi piiranguid, on uute kinnituse piiramise seadmete arendamine, mis vastaksid modernsetele elektrivõrkudele, saanud hädavajalikuks. Veafoo silmad (FCL) on ilmunud selliseks lahenduseks ja on ka paindliku AC edastamissüsteemi (FACTS) oluline osa.

​2 FCL-de rakendamine elektrivõrkudes​

​2.1 FCL mudel ja põhiprintsiibid​
FCL-i põhiprintsiip tuleneb reektorite kinnituse piiramise tehnoloogiast, millele on lisatud energiaelektroonika, et ületada traditsiooniliste reektorite puudusi (nt kõrge stabiilse töö kahju ja mõju süsteemi stabiilsusele). Selle põhimudel võib abstrakteerida järgmiselt: "Tavalises töös reaktants puudub; vea korral kiiresti reaktants lisatakse, et piirata kinnituse arvu."

• Tavaline töö: Lülituse seade sulgub, FCL ekvivalentne impedants on lähedane nullile, mõju süsteemile puudub.
• Vea korral: Kiiresti avatakse lülitus, lisatakse kinnituse piiramise reektor, et takistada lühikese kinnituse arvu.

FCL-i põhiosad hõlmavad nelja olulist elementi:

1. Kiire veafoo detektor: Jälgib süsteemi kinnituse arvu reaalajas ja kiiresti tuvastab lühikese kinnituse.
2. Kiire lülituse seade: Toimib kiiresti vea korral, lülitades vahetult "reaktants puudub" ja "reaktants olemas" olekusid.
3. Kinnituse piiramise reektor: Põhiline kinnituse piiramise komponent, mis takistab lühikese kinnituse arvu impedansi kaudu.
4. Ülepinge kaitse element: Vältib ülepinge tekke vea lülitamise ajal, kaitstes süsteemi seadmeid.

​2.2 FCL-i funktsioonid ja disaininõuded​

​2.2.1 FCL-i põhifunktsioonid​
FCL pakub uut lähenemist lühikese kinnituse arvu piiramisele elektrivõrkudes ja on kaasaegsete elektrivõrkude oluline osa. Selle eelised hõlmavad järgmist:

• Lülitsitaastikute koormuse vähendamist: Kõrgemad pingutasemed vastavad suuremale, raskemini lõpetatavale lühikesele kinnitusele. FCL vähendab otse lülitsitaastikute lõpetamise kinnituse arvu, pikendades seadmete eluaja.
• Süsteemi stabiilsuse parandamist: Kiire lühikese kinnituse arvu piiramise tulemuseks on lühikese kinnituse arvu vähenemine, mis vähendab joonte pingevahetuse ja geneeratori sammujäägi tõenäosust, parandades energianurga, pingevahetuse ja sageduse stabiilsust.
• Seadmete ja joonte kasutamise suurendamist: Kui FCL toimib enne lühikese kinnituse arvu tippu, vähendab see soojendus- ja dünaamilise stabiilsuse nõudeid, suurendades joonte tegelikku edastamiskapasitetti.
• Pinge kvaliteedi optimeerimist: Kiire lühikese kinnituse arvu piiramise tulemuseks on lühikese aja jooksul pinge languse kestus mitteveaga joontel, tagades võrgu pingevahetuse stabiilsuse.
• Ringümbruse infrastruktuuri segaduse vähendamist: Kõrgepingevõrkude lühikese kinnituse arvu piiramise tulemuseks on elektromagnetilise segaduse vähendamine lähedaste side-joontega ja raudtee signaalide süsteemidega.

​2.2.2 FCL-i disaininõuded​
Et vastata elektrivõrkude tööomadustele, peab FCL järgima järgmisi disainistandardeid:

• Mitu mõju süsteemile tavalises töös (pingevahetuse lähedane nullile).
• Kiire reageering vea korral (1–2 ms jooksul), piirates nii tipp- kui ka stabiilse lühikese kinnituse arvu ilma ülepinge ja muude negatiivsete mõjutusteta.
• Automaatne taastamine vea lõpetamisel ilma inimese sekkumiseta.
• Mitu mõju kaitserelayide normaalsele tööloogikale.
• Mõõdukas hind ja kõrge majanduslik tõhusus, vastavalt utiliteediringiinsuse rakendusnõudmistele.

​2.3 Eriminevate FCL rakendusskeemide võrdlus​

​2.3.1 Skeemide võrdlus​

• ​Järeldus: Uue materjali (eriti superjuhtiva) ja energiaelektroonika põhine FCL on praegu parimate lahendustena. Esimene on lihtne ja usaldusväärne, kuid piiratud materjalitehnoloogiaga; teine pakub tugevat kontrollitavust, ja energiaelektroonika hinna laskumisel on see inženieriliselt viisiline, muutes selle kõige lootlikuma uurimis- ja arendus-suuna.

​2.5 FCL tulevased uurimissuunad​
FCL-i tulevased uurimissuunad peaksid keskenduma "jõudlust optimiseerimisele, funktsioonide integreerimisele ja inženierilisele kohanemisele." Olulised suunad hõlmavad järgmist:

1. Pidevalt reguleeritavad impedantskonverteerijad: Lükka "kaks olekut impedants (null või lõpmatus)" piirangut, arendades vastavaid, pidevalt reguleeritavaid impedantskonverteerijaid, mis dinamiiliselt sobitavad suurema impedantsi suuremate veafoo arvudega. Need peaksid sisaldama ka võimsuse faktorite kompensatsiooni ja ülepinge absorpentsiooni, kombineritud juhenditeooriatega (nt negatiivne tagasiside, PID juhendus), et tugevdada süsteemi automatiseerimist.
2. Integreerimine FACTS juhenditega: Arendada üldisi juhendiseadmeid, mis kombinivad FCL-i muude FACTS komponentidega (nt SVG, SVC), et parandada üldist majanduslikku tõhusust ja edendada kontrollitavat AC edastamist ja jaotamist.
3. Oluliste tehnoloogiliste läbimurde:
• FCL-i mõju elektrivõrgu stabiilsusele.
• FCL-i ja kaitserelayide koordineerimise loogika.
• Ülisüsteemide kiire veafoo signaalide detektsioonisüsteemide ja juhendite optimeerimine.
• FCL-i mõju energia kvaliteedile (nt harmonikad, pingevahetused) ja nende vähendamise meetmed.

​3 Järeldus​

• a. Elektrivõrkude lühikese kinnituse arvu piiramise küsimus on muutunud kriitiliseks probleemiks, mis vajab kiiret lahendamist. FCL kui uus kaitseseade pakub tõhusat lahendust, ja FCL-i arendamine, mis vastaksid modernsetele võrkudele, on oluline nii teoreetiliselt kui ka inženieriliselt.
• b. Energiaelektroonika põhine FCL on juba saanud teoreetilise aluse ja inženierilise praktilisuse. Nende suurepärane kontrollitavus ja energiaelektroonika seadmete hinna laskumine näitavad laiaid arendusväljavaateid.
• c. FACTS/CusPow tehnoloogiate edasine areng tõttu peaks FCL, FACTS pereliini oluline liige, mitte ainult iseseisvalt lahendama lühikese kinnituse arvu piiramise küsimused edastamis- ja jaotamisvõrkudes, vaid ka koostööd teiste FACTS juhenditega, edendades kontrollitava AC edastamise ja jaotamise süsteemide arengut.