محدودیت جریان کوتاه در سیستم‌های برق و کاربرد محدودکننده‌های جریان خطا (FCL)

مقدمه​
با پیشرفت سیستم‌های برق و افزایش نیازهای بار، یکپارچگی واحدهای تولید با ظرفیت بالا و تجهیزات زیرстанسیون‌ها—به خصوص ظهور نیروگاه‌های بزرگ در مراکز بار و اتصال سیستم‌های برق بزرگ—به طور حتم منجر به افزایش مداوم سطح جریان کوتاه شده است. بدون اقدامات محدودکننده موثر، این روند نه تنها سرمایه‌گذاری تجهیزات برای زیرستانسیون‌های جدید را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد بلکه خطوط ارتباطی و لوله‌های موجود زیرستانسیون‌ها را به شدت تحت تأثیر قرار می‌دهد و ممکن است نیاز به صرف هزینه‌های قابل توجهی برای تجدید و به‌روزرسانی داشته باشد.

در مراحل اولیه توسعه سیستم، وقتی ظرفیت سیستم کوچک و سطح جریان کوتاه پایین است، افزایش جریان کوتاه معمولاً با تعویض دستگاه‌های سوئیچینگ قابل حل است—سایر تجهیزات زیرستانسیون‌ها در این مرحله معمولاً حاشیه کافی دارند. اما وقتی ظرفیت سیستم برق بزرگ و سطح جریان کوتاه بالاست و جریان کوتاه به دلیل اتصال سیستم‌ها یا افزایش بیشتر ظرفیت مداوماً افزایش می‌یابد، فقط تعویض دستگاه‌های قطع کننده دیگر کافی نیست. زیرستانسیون‌های موجود نه تنها نیاز به تعویض دستگاه‌های قطع کننده دارند بلکه نیاز به بهبود یا تعویض ترانسفورماتورهای اصلی، دستگاه‌های جداکننده، ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری، میله‌های اصلی، عایق‌ها، ساختارها، پایه‌ها و سیستم‌های زمین‌گذاری دارند. علاوه بر این، خطوط ارتباطی ممکن است نیاز به محافظت یا حتی تبدیل به کابل‌های ارتباطی زیرزمینی داشته باشند.

به دلیل عوامل مختلف، واحد تولید با ظرفیت بالا و نیروگاه‌های جدید به طور مداوم در شبکه ۲۲۰kV یکپارچه می‌شوند که منجر به افزایش بسیار سریع سطح جریان کوتاه می‌شود. ظرفیت قطع و عملکرد پایداری دینامیکی بسیاری از دستگاه‌های قطع کننده ۲۲۰kV—و حتی کل زیرستانسیون‌ها—دیگر با سطح جریان کوتاه در حال افزایش همخوانی ندارند و چالش‌های فنی و اقتصادی جدی ایجاد می‌کنند. بنابراین، تحقیق درباره محدودکننده‌های جریان کوتاه ضروری است.

​۱- اقدامات محدودکننده جریان کوتاه سنتی و محدودیت‌های آن‌ها​
محدودکننده جریان کوتاه می‌تواند از نظر ساختار سیستم، عملکرد و تجهیزات بررسی شود. اقدامات سنتی شامل دسته‌های زیر است، اما هر یک از آن‌ها محدودیت‌های قابل توجهی دارد:

• ​الف. تعدیل ساختار شبکه​
  شامل توسعه شبکه‌های با ولتاژ بالاتر، تقسیم شبکه‌های با ولتاژ پایین/میله‌های اصلی و جداسازی شبکه.
• توسعه شبکه‌های با ولتاژ بالاتر: نیاز به سرمایه‌گذاری زیاد و مسائل محیط زیستی دارد.
• تقسیم شبکه با ولتاژ پایین/جداسازی: اجرای ساده و اثر محدودکننده جریان قابل توجهی دارد اما حاشیه ایمنی سیستم را کاهش می‌دهد و انعطاف‌پذیری عملیاتی را محدود می‌کند و فقط در سناریوهای ضروری مناسب است.
• ​ب. فناوری اتصال مستقیم جریان​
  اتصال مستقیم جریان می‌تواند جریان کوتاه را به طور قابل توجهی کاهش دهد، اما سرمایه‌گذاری در ایستگاه‌های تبدیل در دو طرف بسیار بالاست. برای اتصالات کوتاه با مبادله توان کم، این راه‌حل از نظر اقتصادی غیرعملی است.
• ​ج. ترانسفورماتورهای با مقاومت بالا​
  استفاده از ترانسفورماتورهای با مقاومت بالا برای محدودکننده جریان کوتاه در سمت ولتاژ پایین یک اقدام معمول است. اما این ترانسفورماتورها در حالت پایداری عملیاتی ضریب اتلاف بالاتری دارند که تأثیر منفی بر اقتصاد سیستم دارد.
• ​د. راکتورهای سری​
  راکتورهای سری با فناوری تولید رسیده و اثر محدودکننده جریان واضح، در سیستم‌های کمکی نیروگاه‌ها و زیرستانسیون‌های ۱۰–۳۵kV استفاده می‌شوند. اما کاربرد آن‌ها در سیستم‌های با ولتاژ بسیار بالا اتلاف شبکه را افزایش می‌دهد و پایداری سیستم را کاهش می‌دهد و این محدودیت‌ها را محدود می‌کند.
• ​ه. گسترش ظرفیت و به‌روزرسانی تجهیزات​
  تعویض دستگاه‌های قطع کننده و به‌روزرسانی زیرستانسیون‌های موجود برای مدیریت جریان کوتاه بالاتر به طور مستقیم مشکل را حل می‌کند اما سرمایه‌گذاری بالا و ساخت و ساز پیچیده دارد و این باعث کاهش کارایی اقتصادی و زمان‌بندی می‌شود.

با توجه به محدودیت‌های قابل توجه اقدامات سنتی، توسعه دستگاه‌های محدودکننده جریان جدید مناسب برای سیستم‌های برق مدرن ضروری شده است. محدودکننده جریان خطا (FCL) به عنوان یک راه‌حل ظاهر شده است و همچنین یک مولفه مهم سیستم‌های انتقال جریان متناوب انعطاف‌پذیر (FACTS) است.

​۲- کاربرد محدودکننده‌های جریان خطا (FCL) در سیستم‌های برق​

​۲.۱ مدل و اصول اساسی FCL​
اصول اساسی FCL از فناوری محدودکننده جریان راکتور سری گرفته شده و با الکترونیک قدرت بهبود یافته است تا نقاط ضعف راکتورهای سری سنتی (مثل اتلاف پایداری بالا و تأثیر بر پایداری سیستم) را غلبه کند. مدل اصلی آن می‌تواند به صورت خلاصه‌ای به این شکل خلاصه شود: "بدون واکنش در حالت عادی؛ وارد کردن واکنش سریع در حالت خطا برای محدود کردن جریان."

• حالت عادی: دستگاه سوئیچینگ بسته است، مقاومت معادل FCL نزدیک به صفر است و تأثیری بر سیستم ندارد.
• حالت خطا: دستگاه سوئیچینگ سریعاً باز می‌شود، راکتور محدودکننده جریان را وارد می‌کند تا جریان کوتاه را محدود کند.

اجزای اصلی FCL شامل چهار عنصر کلیدی است:

1. عنصر تشخیص جریان خطا سریع: جریان سیستم را به طور مداوم نظارت می‌کند و خطاها را سریعاً شناسایی می‌کند.
2. دستگاه سوئیچینگ سریع: در حالت خطا سریعاً عمل می‌کند و بین حالت‌های "بدون واکنش" و "با واکنش" تغییر وضعیت می‌دهد.
3. راکتور محدودکننده جریان: عنصر اصلی محدودکننده جریان، جریان کوتاه را از طریق واکنش محدود می‌کند.
4. عنصر محافظت از ولتاژ بیش از حد: از ولتاژ بیش از حد در حالت سوئیچینگ خطا جلوگیری می‌کند و تجهیزات سیستم را محافظت می‌کند.

​۲.۲ عملکردها و نیازهای طراحی FCL​

​۲.۲.۱ عملکردهای اصلی FCL​
FCL رویکرد جدیدی برای محدودکننده جریان خطا در سیستم‌های برق ارائه می‌دهد و یک مولفه کلیدی در سیستم‌های برق مدرن است. مزایای آن عبارتند از:

• کاهش بار دستگاه‌های قطع کننده: سطوح ولتاژ بالاتر با جریان‌های خطا بزرگتر و سخت‌تر قابل قطع متناظر است. FCL به طور مستقیم جریان قطع کننده دستگاه‌های قطع کننده را کاهش می‌دهد و عمر تجهیزات را افزایش می‌دهد.
• بهبود پایداری سیستم: محدود کردن سریع جریان کوتاه کاهش ولتاژ خطوط و احتمال خروج ژنراتورها از هم‌گامی را کاهش می‌دهد و پایداری زاویه قدرت، ولتاژ و فرکانس را افزایش می‌دهد.
• افزایش استفاده از تجهیزات و خطوط: اگر FCL قبل از رسیدن جریان کوتاه به حداکثر عمل کند، محدودیت‌های پایداری حرارتی و دینامیکی را کاهش می‌دهد و در نتیجه ظرفیت انتقال واقعی خطوط را افزایش می‌دهد.
• بهینه‌سازی کیفیت ولتاژ: محدود کردن سریع جریان قبل از رفع خطا مدت زمان کاهش ولتاژ در خطوط بدون خطا را کاهش می‌دهد و پایداری ولتاژ شبکه را تضمین می‌کند.
• کاهش تداخل با تأسیسات اطراف: محدود کردن جریان‌های کوتاه در شبکه‌های با ولتاژ بالا تداخل الکترومغناطیسی با خطوط ارتباطی و سیستم‌های سیگنال‌رسانی راه‌آهن را کاهش می‌دهد.

​۲.۲.۲ نیازهای طراحی FCL​
برای انطباق با ویژگی‌های عملکرد سیستم‌های برق، FCL باید به استانداردهای طراحی زیر پاسخ دهد:

• بدون تأثیر بر سیستم در حالت عادی (کاهش ولتاژ نزدیک به صفر).
• پاسخ سریع در حالت خطا (در یک تا دو میلی‌ثانیه)، محدود کردن هر دو جریان حداکثر و پایداری جریان کوتاه بدون عوارض جانبی مانند ولتاژ بیش از حد.
• بازنشانی خودکار پس از رفع خطا بدون مداخله دستی.
• بدون تداخل با منطق عملکرد نرمال رله‌های محافظ.
• هزینه منطقی و کارایی بالا، تأمین نیازهای کاربرد مهندسی.

​۲.۳ مقایسه طرح‌های مختلف پیاده‌سازی FCL​

​۲.۳.۱ مقایسه طرح‌ها​

• ​نتیجه‌گیری: FCL‌های مبتنی بر مواد جدید (به ویژه supraconductor) و FCL‌های مبتنی بر الکترونیک قدرت در حال حاضر بهترین راه‌حل‌ها هستند. اولی ساده و قابل اعتماد است اما توسط فناوری مواد محدود می‌شود؛ دومی قابلیت کنترل قوی دارد و با کاهش هزینه‌های الکترونیک قدرت، قابل انجام مهندسی شده و به عنوان مهم‌ترین جهت تحقیق و توسعه ظاهر شده است.

​۲.۵ جهت‌های تحقیقاتی آینده FCL​
تحقیقات آینده FCL باید بر "بهینه‌سازی عملکرد، یکپارچگی عملکرد و انطباق مهندسی" تمرکز کند. جهت‌های کلیدی عبارتند از:

1. تبدیل‌کننده‌های واکنش متغیر پیوسته: فراتر از محدودیت فعلی "دو حالت واکنش (صفر یا بی‌نهایت)"، توسعه تبدیل‌کننده‌های واکنشی پیوسته قابل تنظیم که واکنش بالاتر را با جریان‌های خطا بزرگتر به طور پویا مطابقت دهند. این تبدیل‌کننده‌ها باید با جبران‌کننده‌های عامل توان و جاذب ولتاژ بیش از حد ترکیب شوند و با استفاده از نظریه‌های کنترل (مانند بازخورد منفی، کنترل PID) به منظور افزایش خودکاری سیستم ترکیب شوند.
2. یکپارچگی با کنترل‌کننده‌های FACTS: توسعه دستگاه‌های کنترلی جامع که FCL را با سایر مؤلفه‌های FACTS (مانند SVG, SVC) ترکیب کنند تا کارایی کلی را افزایش دهند و سیستم‌های انتقال و توزیع جریان متناوب قابل کنترل را پیش ببرند.
3. 突破关键技术：
• FCL对电力系统稳定性的影响机制。
• FCL与保护继电器之间的协调逻辑。
• 超快速故障信号检测系统和控制器的优化。
• FCL对电能质量（如谐波、电压波动）的影响及缓解措施。

​3 结论​

• a. 电力系统的短路电流限制已成为亟待解决的关键问题。作为一种新的保护装置，故障限流器（FCL）提供了一种有效的解决方案，开发适应现代电网的FCL具有重要的理论和工程价值。
• b. 基于电力电子的FCL已经具备了理论基础和工程实用性。其优异的控制性能以及电力电子器件成本的不断下降表明了广阔的发展前景。
• c. 随着FACTS/CusPow技术的发展，作为FACTS家族中的关键成员，FCL不仅应独立解决输配电网中的电流限制问题，还应与其他FACTS控制器协同工作，进一步推动可控交流输配电系统的发展。