גיבוי מגבלת הזרם במערכות חשמל ויישום מגבלי זרם פגיעה (FCL)

0 מבוא​
עם התפתחות מערכות החשמל והצורך הגובר ב עומס, האינטגרציה של יחידות ייצור בעלות קיבולת גבוהה וציוד תחנות כוח – במיוחד הופעת תחנות כוח גדולות במרכזי עומס והחיבור בין מערכות חשמל גדולות – גרמה לעלייה מתמדת ברמות הזרם קצר המסלול. ללא אמצעי הגבלה יעילים, מגמה זו לא רק תגדיל באופן משמעותי את ההשקעה בציוד עבור תחנות כוח חדשות, אלא גם תפגע באופן חמור בקווי תקשורת ובצינורות של מתקנים קיימים, מה שעשוי לדרוש השקעות ניכרות לשיפוץ ועדכון.

בשלבים הראשונים של פיתוח המערכת, כאשר קיבולת המערכת קטנה ורמת הזרם קצר המסלול נמוכה, ניתן בדרך כלל להתמודד עם עלייה בזרם קצר המסלול על ידי החלפת מכשירי גישה – ציוד תחנה אחר לעיתים קרובות יש לו שולי בטיחות מספקים בשלב זה. אך כאשר קיבולת מערכת החשמל גדולה, רמות הזרם קצר המסלול גבוהות, והזרם קצר המסלול ממשיך לעלות עקב חיבור בין מערכות או הרחבת קיבולת נוספת, החלפת מפסקים בלבד כבר אינה מספיקה. לתחנות כוח קיימות עשוי להיות צורך לא רק בהחלפת מפסקים, אלא גם בשיפור או החלפת טרנספורטרים ראשיים, מפרידים, טרנספורטרים מדידים, סיבוביות, מבודדים, מבנים, בסיסים ומערכות השראת. בנוסף, ייתכן שיש להגן על קווי תקשורת באמצעות מסכי מגן או אפילו להמיר אותם לקו תקשורת תת-קרקעי.

בגלל גורמים שונים, מתחנות כוח ויחידות ייצור בעלות קיבולת גבוהה מолжות להתמזג לרשת 220kV, מה שגורם לעלייה מהירה מדי ברמת הזרם קצר המסלול. יכולת הפסקה והיציבות הדינמית של מפעלי 220kV רבים – ואפילו של תחנות כוח שלמות – כבר אינם מתאימים לעלייה ברמות הזרם קצר המסלול, מה שמייצר אתגרים טכנולוגיים וכלכליים חמורים. לכן, מחקר על הגבלת זרם קצר המסלול הוא דחוף.

​1 אמצעי הגבלה מסורתיים של זרם קצר המסלול והגבלותיהם​
הגבלה של זרם קצר המסלול יכולה להתבצע מנקודות מבט של מבנה המערכת, פעילות ואביזרים. אמצעים מסורתיים כוללים את הקטגוריות הבאות, אך לכל אחת מהן יש מגבלות משמעותיות:

• ​א. התאמת מבנה הרשת​
  כולל פיתוח רשתות בעלות מתח גבוה יותר, פיצול רשתות בעלות מתח נמוך / סיבוביות ופירוק הרשת.
• פיתוח רשתות בעלות מתח גבוה יותר: דורש השקעות גדולות ומעורר חששות סביבתיים.
• פיצול רשתות בעלות מתח נמוך / פירוק: פשוט ליישום עם השפעות הגבלה משמעותיות, אך מפחית את שולי הבטיחות של המערכת ומגביל את גמישות הפעילות, מה שהופך אותו מתאים רק למקרים הנדרשים.
• ​ב. טכנולוגיית חיבור מישר​
  חיבור מישר יכול להפחית באופן משמעותי את זרם קצר המסלול, אך ההשקעה בתחנות המרה בשני הקצוות היא גבוהה מאוד. עבור חיבורים קצרים עם wymiana אנרגיה נמוכה, פתרון זה אינו כלכלי.
• ​ג. טרנספורטרים בעלת עמידות גבוהה​
  שימוש בטרנספורטרים בעלת עמידות גבוהה כדי להגביל את זרם קצר המסלול בצד הנמוך הוא אמצעי נפוץ. עם זאת, הם מפגינים אבדות גבוהות יותר במהלך פעולה יציבה, מה שמגביר את העלות של המערכת.
• ​ד. ריאקטורים סדרתיים​
  ריאקטורים סדרתיים, עם טכנולוגיה ייצור בשל והשפעות הגבלה ברורות, כבר בשימוש במערכות עזר של תחנות כוח ותחנות כוח 10-35kV. עם זאת, השימוש בהם במערכות מתח גבוה מאוד מגביר את האבדות ברשת ומפחית את יציבות המערכת, מה שמגביל את הסתגלותם.
• ​ה. הרחבת קיבולת ואבזור מחדש של הציוד​
  החלפת מפסקים ואבזור מחדש של תחנות כוח קיימות כדי להתמודד עם זרם קצר מסלול גבוה יותר מטפלת ישירות בבעיה, אך דורשת השקעה גבוהה ובנייה מורכבת, מה שמקטין אתעילותה הכלכלית והזמנה.

בהתחשב במגבלות המשמעותיות של אמצעים מסורתיים, הפיתוח של מכשירי הגבלה חדשים המתאימים למערכות חשמל מודרניות הפך לחיוני. מגבלת הזרם בתאונה (FCL) עלה כפתרון והוא גם חלק חשוב של מערכות העברת חשמל חילופין גמישות (FACTS).

​2 שימוש במגבלת הזרם בתאונה (FCL) במערכות חשמל​

​2.1 מודל ועקרונות בסיסיים של FCL​
העקרון הבסיסי של FCL נובע מטכנולוגיית מגבלת זרם סדרתי, שמשופרת באמצעות אלקטרוניקה חזקה כדי להתגבר על недостатки традиционных последовательных реакторов (например, высокие потери в стационарном режиме и влияние на устойчивость системы). Его основная модель может быть абстрагирована как: "Нулевое сопротивление в нормальном режиме; быстрое включение реактивного сопротивления при аварии для ограничения тока."

• Обычная работа: коммутационное устройство закрыто, эквивалентное сопротивление FCL близко к нулю, без воздействия на систему.
• Аварийная ситуация: быстрое открытие выключателя, включение ограничивающего реактора для подавления короткого замыкания.

Основные компоненты FCL включают четыре ключевых элемента:

1. Быстродействующий элемент обнаружения аварийного тока: мониторинг тока системы в реальном времени и быстрое определение короткого замыкания.
2. Быстродействующее коммутационное устройство: быстрое переключение между состояниями "без реактивного сопротивления" и "с реактивным сопротивлением" при аварии.
3. Ограничительный реактор: основной компонент ограничения тока, подавляющий короткое замыкание через реактивное сопротивление.
4. Элемент защиты от перенапряжения: предотвращает перенапряжение при переключении при аварии, защищая оборудование системы.

​2.2 Функции и требования к проектированию FCL​

​2.2.1 Основные функции FCL​
FCL предоставляет новый подход к ограничению аварийного тока в энергетических системах и является важным компонентом современных энергетических систем. Его преимущества включают:

• Снижение нагрузки на выключатели: более высокие уровни напряжения соответствуют большим, трудно прерываемым аварийным токам. FCL напрямую снижает прерываемый ток выключателей, продлевая срок службы оборудования.
• Улучшение устойчивости системы: быстрое ограничение короткого замыкания снижает падение напряжения на линиях и вероятность выхода генераторов из строя, повышая устойчивость углов мощности, напряжения и частоты.
• Повышение использования оборудования и линий: если FCL действует до пика короткого замыкания, это снижает требования к тепловым и динамическим пределам устойчивости, увеличивая фактическую передающую способность линий.
• Оптимизация качества напряжения: быстрое ограничение тока до устранения неисправности сокращает длительность просадки напряжения на неповрежденных линиях, обеспечивая стабильность сетевого напряжения.
• Снижение помех окружающим объектам: ограничение короткого замыкания в сетях высокого напряжения снижает электромагнитные помехи для соседних линий связи и железнодорожных систем сигнализации.

​2.2.2 Требования к проектированию FCL​
Для адаптации к характеристикам работы энергетической системы FCL должен соответствовать следующим стандартам проектирования:

• Не оказывает влияния на систему в нормальном режиме (падение напряжения близко к нулю).
• Быстрый отклик при аварии (в течение 1-2 мс), ограничение как пикового, так и стационарного короткого замыкания без побочных эффектов, таких как перенапряжение.
• Автоматическое восстановление после устранения неисправности без ручного вмешательства.
• Не вмешивается в обычную логику работы защитных реле.
• Разумная стоимость и высокая экономическая эффективность, удовлетворяющая потребности инженерных применений.

​2.3 Сравнение различных схем реализации FCL​

​2.3.1 Сравнение схем​

• ​Вывод: FCL на основе новых материалов (особенно сверхпроводящих) и FCL на основе силовой электроники являются оптимальными решениями. Первый прост и надежен, но ограничен технологией материалов; второй предлагает сильное управляемость, и с учетом снижения стоимости силовой электроники стал инженерно выполнимым, что делает его наиболее перспективным направлением НИОКР.

​2.5 Будущие направления исследований FCL​
Будущие исследования FCL должны сосредоточиться на "оптимизации производительности, интеграции функций и инженерной адаптации". Ключевые направления включают:

1. Непрерывно регулируемые преобразователи импеданса: переход от текущего ограничения "двухсостоятельного импеданса (нуль или бесконечность)" к разработке отзывчивых, непрерывно регулируемых преобразователей импеданса, которые динамически соответствуют большему импедансу с большими аварийными токами. Они также должны включать компенсацию коэффициента мощности и поглощение перенапряжения, сочетаясь с теориями управления (например, отрицательная обратная связь, PID-управление) для повышения автоматизации системы.
2. Интеграция с контроллерами FACTS: разработка комплексных устройств управления, объединяющих FCL с другими компонентами FACTS (например, SVG, SVC), чтобы повысить общую экономическую эффективность и продвинуть управляемые системы передачи и распределения переменного тока.
3. Прорывы в ключевых технологиях:
• Механизмы воздействия FCL на устойчивость энергетической системы.
• Логика согласования между FCL и защитными реле.
• Оптимизация сверхбыстрых систем обнаружения аварийных сигналов и контроллеров.
• Влияние FCL на качество электроэнергии (например, гармоники, колебания напряжения) и меры по их уменьшению.

​3 Заключение​

• a. Ограничение короткого замыкания в энергетических системах стало критической проблемой, требующей срочного решения. В качестве нового устройства защиты, Fault Current Limiter (FCL) предлагает эффективное решение, и разработка FCL, адаптированных к современным сетям, имеет значительное теоретическое и инженерное значение.
• b. Электронные FCL уже имеют теоретическую основу и инженерную применимость. Их отличная управляемость и снижение стоимости силовых электронных устройств указывают на широкие перспективы развития.
• c. С развитием технологий FACTS/CusPow, FCL, как ключевой член семьи FACTS, должен не только самостоятельно решать проблемы ограничения тока в сетях передачи и распределения, но и сотрудничать с другими контроллерами FACTS, чтобы еще больше продвигать развитие управляемых систем передачи и распределения переменного тока.