محدودیت جریان کوتاه‌مدار در سیستم‌های برق و کاربرد محدودکننده‌های جریان خطای (FCL)

0 مقدمه​
با توسعه سیستم‌های برق و افزایش نیازهای بار، یکپارچه‌سازی واحد‌های تولید با ظرفیت بالا و تجهیزات زیرстанسیون‌ها - به ویژه ظهور نیروگاه‌های بزرگ در مراکز بار و اتصال سیستم‌های برق بزرگ - حتماً منجر به افزایش مداوم سطح جریان کوتاه شده است. بدون اقدامات محدود کننده مؤثر، 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 طور جدی تحت تأثیر قرار می‌دهد و ممکن است نیاز به صرف مبالغ زیاد برای بازسازی و به‌روزرسانی داشته باشد.

در مراحل اولیه توسعه سیستم، وقتی ظرفیت سیستم کوچک است و سطح جریان کوتاه پایین است، افزایش جریان کوتاه معمولاً با تعویض دستگاه‌های تغییر وضعیت قطع-بسته حل می‌شود - تجهیزات دیگر زیرستانسیون در این مرحله معمولاً حاشیه کافی دارند. اما وقتی ظرفیت سیستم برق بزرگ است، سطح جریان کوتاه بالاست و جریان کوتاه به دلیل اتصال سیستم یا گسترش ظرفیت ادامه دارد، تنها تعویض قطعکننده‌ها دیگر کافی نیست. زیرستانسیون‌های موجود ممکن است نه تنها نیاز به تعویض قطعکننده‌ها داشته باشند بلکه به تقویت یا تعویض ترانسفورماتورهای اصلی، جداکننده‌ها، ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری، خازنه‌ها، عایق‌ها، سازه‌ها، بنیادها و سیستم‌های زمین‌بری نیاز داشته باشند. علاوه بر این، خطوط ارتباطی ممکن است نیاز به محافظت یا حتی تبدیل به کابل‌های ارتباطی زیرزمینی داشته باشند.

به دلیل عوامل مختلف، واحد‌های تولید با ظرفیت بزرگ 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 قطعکننده‌های ۲۲۰kV - و حتی زیرستانسیون‌های کامل - دیگر با سطوح جریان کوتاه بالا همخوانی ندارد که چالش‌های فنی و اقتصادی جدی ایجاد می‌کند. بنابراین، تحقیقات درباره محدود کردن جریان کوتاه به طور فوری ضروری است.

​۱ اقدامات محدود کننده جریان کوتاه سنتی و محدودیت‌های آن‌ها​
محدود کردن جریان کوتاه می‌تواند از دیدگاه ساختار سیستم، عملکرد و تجهیزات مورد بررسی قرار گیرد. 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/خازنه‌ها و جدا کردن شبکه.
• توسعه شبکه‌های با ولتاژ بالاتر: نیازمند سرمایه‌گذاری‌های زیاد و دارای نگرانی‌های محیطی است.
• تقسیم شبکه‌های با ولتاژ پایین/جدا کردن: اجرای آسان با اثرات محدود کننده جریان قابل توجه اما کاهش حاشیه ایمنی سیستم و محدود کردن انعطاف‌پذیری عملکردی، فقط برای سناریوهای ضروری مناسب است.
• ​ب. فناوری اتصال مستقیم جریان​
  اتصال مستقیم جریان می‌تواند جریان‌های کوتاه را به طور قابل توجهی کاهش دهد، اما سرمایه‌گذاری در ایستگاه‌های تبدیل در دو سر بسیار بالاست. برای اتصال‌های کوتاه با مبادله توان پایین، این راه‌حل از لحاظ اقتصادی غیرعملی است.
• ​ج. ترانسفورماتورهای با امپدانس بالا​
  استفاده از ترانسفورماتورهای با امپدانس بالا برای محدود کردن جریان‌های کوتاه در سمت ولتاژ پایین یک اقدام معمول است. اما این ترانسفورماتورها در حالت پایدار ضریب زیان بالاتری دارند که تأثیر منفی بر اقتصاد سیستم می‌گذارد.
• ​د. رآکتورهای سری​
  رآکتورهای سری با فناوری ساخت و ساز رسیده و اثرات محدود کننده جریان واضح، در حال حاضر در سیستم‌های کمکی نیروگاه‌ها و زیرستانسیون‌های ۱۰-۳۵kV استفاده می‌شوند. اما کاربرد آن‌ها در سیستم‌های با ولتاژ فوق العاده بالا زیان‌های شبکه را افزایش می‌دهد و پایداری سیستم را کاهش می‌دهد، که محدودیت‌های آن را مشخص می‌کند.
• ​ه. گسترش ظرفیت و بازسازی تجهیزات​
  تعویض قطعکننده‌ها و بازسازی زیرستانسیون‌های موجود برای مقابله با جریان‌های کوتاه بالاتر به طور مستقیم مسئله را حل می‌کند اما با سرمایه‌گذاری بالا و ساخت و ساز پیچیده همراه است که باعث کارایی اقتصادی و زمانی ضعیف می‌شود.

با توجه به محدودیت‌های قابل توجه اقدامات سنتی، توسعه دستگاه‌های محدود کننده جریان جدید متناسب با سیستم‌های برق مدرن ضروری شده است. محدودکننده جریان خطا (FCL) به عنوان یک راه‌حل ظاهر شده و همچنین یک اجزای 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 محدود کردن جریان رآکتورهای سری مشتق شده و با استفاده از الکترونیک قدرت بهبود یافته تا نقاط ضعف رآکتورهای سری سنتی (مانند زیان‌های پایدار بالا و تأثیرات منفی بر پایداری سیستم) را رفع کند. مدل اصلی آن می‌تواند به صورت "عدم وجود واکنش در حالت عادی؛ وارد کردن سریع واکنش در زمان خطا برای محدود کردن جریان" خلاصه شود.

• در حالت عادی: دستگاه تغییر وضعیت بسته است، امپدانس معادل FCL نزدیک به صفر است و تأثیری بر سیستم ندارد.
• در حالت خطا: دستگاه سریعاً باز می‌شود و رآکتور محدود کننده جریان را وارد می‌کند تا جریان کوتاه را کاهش دهد.

اجزای اصلی FCL شامل چهار عنصر کلیدی است:

1. عنصر تشخیص سریع جریان خطا: به صورت واقعی جریان سیستم را نظارت می‌کند و به سرعت خطاها را تشخیص می‌دهد.
2. دستگاه تغییر وضعیت سریع: در زمان خطا سریعاً عمل می‌کند تا بین حالت‌های "بدون واکنش" و "با واکنش" تغییر وضعیت دهد.
3. رآکتور محدود کننده جریان: اجزای اصلی محدود کننده جریان، جریان کوتاه را از طریق امپدانس محدود می‌کند.
4. عنصر محافظت از ولتاژ بالا: از ولتاژ بالا در زمان تغییر وضعیت خطا جلوگیری می‌کند و تجهیزات سیستم را محافظت می‌کند.

​۲.۲ وظایف و نیازهای طراحی FCL​

​۲.۲.۱ وظایف اصلی FCL​
FCL رویکرد جدیدی برای محدود کردن جریان خطا در سیستم‌های برق ارائه می‌دهد و یک اجزای مهم سیستم‌های برق مدرن است. مزایای آن عبارتند از:

• کاهش بار قطعکننده: سطوح ولتاژ بالاتر متناظر با جریان‌های خطا بزرگتر و سخت‌تر قابل قطع است. FCL جریان قطع قطعکننده را به طور مستقیم کاهش می‌دهد و عمر تجهیزات را افزایش می‌دهد.
• بهبود پایداری سیستم: محدود کردن سریع جریان‌های کوتاه کاهش فشار خطوط و احتمال خروج ژنراتورها از همگامی را کاهش می‌دهد و پایداری زاویه توان، ولتاژ و فرکانس را افزایش می‌دهد.
• افزایش استفاده از تجهیزات و خطوط: اگر FCL قبل از رسیدن جریان کوتاه به نقطه بیشینه عمل کند، نیازهای 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 سقوط 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 عملکردی سیستم‌های برق، FCL باید به استانداردهای طراحی زیر پاسخ دهد:

• عدم تأثیر بر سیستم در حالت عادی (افت ولتاژ نزدیک به صفر).
• پاسخ سریع در زمان خطا (در ۱-۲ میلی‌ثانیه)، محدود کردن هر دو جریان بیشینه و پایداری جریان کوتاه بدون اثرات جانبی مانند ولتاژ بالا.
• بازنشانی خودکار پس از رفع خطا بدون نیاز به مداخله دستی.
• عدم تداخل با منطق عملکردی معمول رله‌های محافظ.
• هزینه مناسب و کارایی اقتصادی بالا، مطابق با نیازهای کاربرد مهندسی.

​۲.۳ مقایسه طرح‌های مختلف پیاده‌سازی FCL​

​۲.۳.۱ مقایسه طرح‌ها​

• ​نتیجه‌گیری: محدودکننده‌های جریان خطا مبتنی بر مواد جدید (به ویژه فوق‌رسانا) و محدودکننده‌های جریان خطا مبتنی بر الکترونیک قدرت در حال حاضر بهترین راه‌حل‌ها هستند. اولی ساده و قابل اعتماد است اما محدودیت‌های فنی مواد را دارد؛ دومی کنترل قوی دارد و با کاهش هزینه‌های الکترونیک قدرت، قابل انجام مهندسی شده و این یک جهت تحقیق و توسعه پرآواز است.

​۲.۵ جهت‌های تحقیق آینده برای FCL​
تحقیقات آینده در مورد FCL باید بر "بهینه‌سازی عملکرد، یکپارچه‌سازی عملکرد و انطباق مهندسی" تمرکز کند. جهت‌های کلیدی عبارتند از:

1. تبدیل‌کننده‌های امپدانس قابل تنظیم مداوم: فراتر از محدودیت فعلی "دو حالت امپدانس (صفر یا بی‌نهایت)"، توسعه تبدیل‌کننده‌های امپدانس قابل تنظیم مداوم که به طور پویا با جریان‌های خطا بزرگتر امپدانس بالاتری متناسب می‌کنند. این تبدیل‌کننده‌ها باید همچنین جبران عامل توان و جذب ولتاژ بالا را ترکیب کنند و با نظریه‌های کنترل (مانند بازخورد منفی، کنترل PID) ترکیب شوند تا خودکارسازی سیستم را افزایش دهند.
2. یکپارچه‌سازی با کنترل‌کننده‌های FACTS: توسعه دستگاه‌های کنترلی جامع که FCL را با سایر اجزای FACTS (مانند SVG، SVC) ترکیب می‌کنند تا کارایی اقتصادی کلی را افزایش دهند و سیستم‌های انتقال و توزیع جریان متناوب قابل کنترل را پیش ببرند.
3. شکست‌های فنی کلیدی:
• مکانیسم‌های تأثیر FCL بر پایداری سیستم برق.
• منطق هماهنگی بین FCL و رله‌های محافظ.
• بهینه‌سازی سیستم‌های تشخیص سریع سیگنال خطا و کنترل‌کننده‌ها.
• تأثیرات FCL بر کیفیت توان (مانند هارمونیک‌ها، نوسانات ولتاژ) و اقدامات کاهش آن.

​۳ نتیجه‌گیری​

• الف. محدود کردن جریان کوتاه در سیستم‌های برق یک موضوع بحرانی شده که نیاز به حل فوری دارد. به عنوان یک دستگاه محافظ جدید، محدودکننده جریان خطا (FCL) راه‌حل مؤثری ارائه می‌دهد و توسعه FCL‌های متناسب با شبکه‌های مدرن ارزش نظری و مهندسی قابل توجهی دارد.
• ب. FCL‌های مبتنی بر الکترونیک قدرت از پایه‌های نظری و عملیاتی مهندسی برخوردار هستند. عملکرد کنترلی عالی آن‌ها و کاهش هزینه‌های دستگاه‌های الکترونیک قدرت نشان‌دهنده آفاق توسعه گسترده است.
• ج. با پیشرفت توسعه فناوری‌های FACTS/CusPow، FCL به عنوان یک عضو کلیدی خانواده FACTS نه تنها باید به طور مستقل مسائل محدود کردن جریان در شبکه‌های انتقال و توزیع را حل کند بلکه با سایر کنترل‌کننده‌های FACTS همکاری کند تا توسعه سیستم‌های انتقال و توزیع جریان متناوب قابل کنترل را ترویج دهد.