Ograničenje strujnog prekida u elektroenergetskim sustavima i primjena ograničitelja strujnog prekida (FCL)

0 Uvod​
S razvojem električnih sustava i porastom potražnje za opterećenjem, integracija velikih jedinica proizvodnje i opreme podstaničara – posebno pojavom velikih elektrana u centrima potražnje i povezivanjem velikih električnih sustava – neizborno je dovela do kontinuiranog porasta nivoa strujnih preopterećenja. Bez učinkovitih mjera ograničenja, ova tendencija ne bi samo značajno povećala ulaganja u opremu za nove podstaničare, već bi teško utjecala na komunikacijske linije i cjevne vodove postojeće opreme podstaničara, što bi moglo zahtijevati značajna sredstva za obnovu i nadogradnju.

U ranoj fazi razvoja sustava, kada je kapacitet sustava mali i nivoi strujnih preopterećenja niski, porast strujnih preopterećenja može se obično riješiti zamjenom prekidača – druga oprema podstaničara često ima dovoljnu rezervu na tom etapu. Međutim, kada je kapacitet elektroenergetske mreže velik, nivoi strujnih preopterećenja visoki, a strujni preopterećenja nastavljaju rasti zbog povezivanja sustava ili daljnje ekspanzije kapaciteta, jednostavna zamjena prekidača više nije dovoljna. Postojeći podstaničari mogu zahtijevati ne samo zamjenu prekidača, već i unapređenja ili zamjenu glavnih transformatora, izolatora, instrumentnih transformatora, busova, izolatora, konstrukcija, temelja i sustava za zemljanje. Također, komunikacijske linije bi mogle trebati štit od zračenja ili čak pretvorbu u podzemne komunikacijske kable.

Zbog različitih faktora, novi veliki agregati proizvodnje i elektrane nastavljaju se integrirati u 220 kV mrežu, što dovodi do previše brzog porasta nivoa strujnih preopterećenja. Prekidna sposobnost i performanse dinamičke stabilnosti mnogih 220 kV prekidača – pa čak i cijelih podstaničara – više ne mogu prati rastuće nivoe strujnih preopterećenja, stvarajući ozbiljne tehničke i ekonomske izazove. Stoga je istraživanje ograničenja strujnih preopterećenja nužno.

​1 Tradicionalne Mjere Ograničenja Strujnih Preopterećenja i Njihove Ograničenja​
Ograničenje strujnih preopterećenja može se tretirati s aspekta strukture, operacije i opreme. Traidicionalne mjere uključuju sljedeće kategorije, ali svaka ima značajne ograničenja:

• ​a. Prilagodbu Strukture Mreže​
  Uključuje razvoj mreža višeg napona, razdvajanje mreža niskog napona/busova i separaciju mreže.
• Razvoj mreža višeg napona: Zahtijeva velika ulaganja i uzrokuje okolišne zabrinutosti.
• Razdvajanje/separacija mreža niskog napona: Jednostavno za implementaciju s značajnim efektima ograničenja strujnih preopterećenja, ali smanjuje sigurnosne margine sustava i ograničava operativnu fleksibilnost, prikladno samo za nužne situacije.
• ​b. Tehnologija DC Povezivanja​
  DC povezivanje može značajno smanjiti strujna preopterećenja, ali su ulaganja u pretvaračke stanice na obje strane izuzetno visoka. Za kratka povezivanja s niskim razmjenama snage, ovo rješenje ekonomski nije isplativo.
• ​c. Transformatori Visokog Impedansa​
  Korištenje transformatora visokog impedansa za ograničenje strujnih preopterećenja na strani niskog napona je često prihvaćena mjera. Međutim, ti transformatori pokazuju veće gubitke tijekom stabilnog radnog stanja, što utječe na ekonomiju sustava.
• ​d. Serijski Reaktori​
  Serijski reaktori, s dovršenom proizvodnom tehnologijom i jasnim efektima ograničenja strujnih preopterećenja, već se koriste u pomoćnim sustavima elektrana i 10–35 kV podstaničarima. Međutim, njihova primjena u ultravisokim naponskim sustavima povećava gubitke mreže i smanjuje stabilnost sustava, ograničujući njihovu prikladnost.
• ​e. Ekspanzija Kapaciteta i Obnova Opreme​
  Zamjena prekidača i obnova postojećih podstaničara kako bi se nosili s većim strujnim preopterećenjima direktno rješavaju problem, ali zahtijevaju velika ulaganja i složene konstrukcije, što rezultira lošom ekonomskom učinkovitosti i pravovremenosti.

Zbog značajnih ograničenja tradicionalnih mjera, razvoj novih uređaja za ograničenje strujnih preopterećenja prilagođenih modernim elektroenergetskim sustavima postao je nužan. Ograničivač Strujnih Preopterećenja (FCL) nastao je kao rješenje i predstavlja važnu komponentu Fleksibilnih AC Prijenosnih Sustava (FACTS).

​2 Primjena Ograničivača Strujnih Preopterećenja (FCL) u Elektroenergetskim Sustavima​

​2.1 Model i Osnovni Principi FCL-a​
Osnovni princip FCL-a izveden je iz tehnologije serijskih reaktora za ograničenje strujnih preopterećenja, poboljšan putem elektronike snage kako bi se prebrodile nedostatke tradicionalnih serijskih reaktora (npr., visoke gubitke u stabilnom stanju i utjecaj na stabilnost sustava). Njegov osnovni model može se apstrahirati kao: "Nema reaktancije tijekom normalnog rada; brzo ubacivanje reaktance tijekom grešaka kako bi se ograničila struja."

• Normalno stanje: Uređaj za prekidanje zatvoren, ekvivalentni impedans FCL-a blizu nule, bez utjecaja na sustav.
• Stanje greške: Brzo otvaranje prekidača, ubacivanje reaktora za ograničenje strujnih preopterećenja kako bi se supresirala struja preopterećenja.

Ključne komponente FCL-a uključuju četiri ključna elementa:

1. Brzi element za detekciju strujnih preopterećenja: Monitira struju sustava u stvarnom vremenu i brzo prepoznaje greške strujnih preopterećenja.
2. Brzi uređaj za prekidanje: Djeluje brzo tijekom grešaka kako bi se prebacio iz stanja "bez reaktance" u stanje "s reaktancijom".
3. Reaktor za ograničenje strujnih preopterećenja: Ključna komponenta za ograničenje strujnih preopterećenja, koja supresira struju preopterećenja putem impedanca.
4. Element za zaštitu od previsokog napona: Sprječava previsoki napon tijekom prebacivanja grešaka, zaštitivši opremu sustava.

​2.2 Funkcije i Zahtjevi za Dizajn FCL-a​

​2.2.1 Ključne Funkcije FCL-a​
FCL pruža novi pristup ograničenju strujnih preopterećenja u elektroenergetskim sustavima i predstavlja ključnu komponentu modernih elektroenergetskih sustava. Njegove prednosti uključuju:

• Smanjenje opterećenja prekidača: Viši naponi odgovaraju većim, težim prekidnim strujama. FCL direktno smanjuje prekidnu struju prekidača, produžujući životnu dobu opreme.
• Poboljšanje stabilnosti sustava: Brzo ograničenje strujnih preopterećenja smanjuje pad napona na linijama i vjerojatnost izvan-sinkroniziranosti generatora, poboljšavajući stabilnost phasa, napona i frekvencije.
• Povećanje iskorištavanja opreme i linija: Ako FCL djeluje prije vrha strujnih preopterećenja, smanjuje zahtjeve za termalnim i dinamičkim granicama stabilnosti, time povećavajući stvarnu prijenosnu sposobnost linija.
• Optimizacija kvalitete napona: Brzo ograničenje struje prije otklanjanja greške skraćuje trajanje padova napona na nenarušenim linijama, osiguravajući stabilnost napona mreže.
• Smanjenje interferencije s okolinom: Ograničenje strujnih preopterećenja u visokim naponskim mrežama smanjuje elektromagnetsku interferenciju s okolnim komunikacijskim linijama i sustavima za signalizaciju na željeznicama.

​2.2.2 Zahtjevi za Dizajn FCL-a​
Da bi se prilagodio karakteristikama rada elektroenergetskih sustava, FCL mora zadovoljiti sljedeće dizajnerske standardi:

• Nema utjecaja na sustav tijekom normalnog rada (pad napona blizu nule).
• Brza reakcija tijekom grešaka (unutar 1-2 ms), ograničujući vrh i stabilno strujno preopterećenje bez sekundarnih učinaka poput previsokog napona.
• Automatsko resetiranje nakon otklanjanja greške bez ručne intervencije.
• Nema interferencije s normalnom logikom rada zaštitnih reléa.
• Razuman trošak i visoka ekonomskost, zadovoljavajući potrebe inženjerske primjene.

​2.3 Usporedba Različitih Shema Implementacije FCL-a​

​2.3.1 Usporedba Shema​

• ​Zaključak: FCL-ovi temeljeni na novim materijalima (posebno superprovodivima) i elektronici snage trenutno predstavljaju optimalna rješenja. Prvi su jednostavni i pouzdani, ali ograničeni tehnologijom materijala; drugi nude snažnu kontrolu, a s padanjem troškova elektronike snage, postali su inženjerski izvedivi, što ih čini najobičnijim smjerom R&D.

​2.5 Budući Smjerovi Istraživanja FCL-a​
Buduća istraživanja FCL-a trebala bi se usmjeriti na "optimizaciju performansi, integraciju funkcionalnosti i inženjersku adaptaciju." Ključni smjerovi uključuju:

1. Neprekidno prilagodljivi konverteri impedancije: Kretanje izvan trenutnog ograničenja "dvostanovne impedancije (nula ili beskonačno)" kako bi se razvili odgovorni, neprekidno prilagodljivi konverteri impedancije koji dinamički prilaze većoj impedanciji s većim strujnim preopterećenjima. Trebali bi također uključivati kompenzaciju faktora snage i apsorpciju previsokog napona, kombinirano s teorijama kontrole (npr., negativna povratna informacija, PID kontrola) kako bi se poboljšala automatizacija sustava.
2. Integracija s kontrolerima FACTS: Razvoj kompleksnih kontrolnih uređaja koji kombiniraju FCL s drugim komponentama FACTS (npr., SVG, SVC) kako bi se poboljšala ukupna ekonomskost i napredovali upravljivi AC prijenosni i distribucijski sustavi.
3. Ključni tehnološki proboji:
• Mechanizmi utjecaja FCL-a na stabilnost elektroenergetskog sustava.
• Logika koordinacije između FCL-a i zaštitnih reléa.
• Optimizacija ultra-brzih sustava za detekciju signala greške i kontrolera.
• Utjecaji FCL-a na kvalitetu struje (npr., harmonici, fluktuacije napona) i mjere smanjenja.

​3 Zaključak​

• a. Ograničenje strujnih preopterećenja u elektroenergetskim sustavima postalo je ključni problem koji zahtijeva hitno rješenje. Kao novi zaštitni uređaj, Ograničivač Strujnih Preopterećenja (FCL) pruža učinkovito rješenje, a razvoj FCL-a prilagođenih modernim mrežama ima značajan teoretski i inženjerski značaj.
• b. FCL-ovi temeljeni na elektronici snage već imaju teoretsku osnovu i inženjersku praktičnost. Njihova odlična kontrolna performansa i padajući troškovi elektronike snage ukazuju na široke perspektive razvoja.
• c. S napredovanjem tehnologija FACTS/CusPow, FCL – kao ključni član FACTS obitelji – trebao bi ne samo neovisno rješavati probleme ograničenja strujnih preopterećenja u prijenosnim i distribucijskim mrežama, već i surađivati s drugim kontrolerima FACTS kako bi se dalje promovirao razvoj upravljivih AC prijenosnih i distribucijskih sustava.