Rövidzárló áram korlátozása az energiarendszerben és a hibajáradat-korlátozók (FCL) alkalmazása

0 Bevezetés​
A villamos rendszerek fejlődése és a terhelés növekvő igényei miatt, különösen a nagy teljesítményű erőművek és alátámasztó berendezések integrációja, valamint a nagy erőművek megjelenése a terhelési központokban és a nagy villamos rendszerek összekapcsolása folytán, a rövidzárlási áram szintje folyamatosan emelkedik. Hatékony korlátozó intézkedések nélkül ez a tendencia nem csak jelentősen megnövelné az új alátámasztók eszközbevételeit, de súlyosan befolyásolná a meglévő alátámasztó berendezések kommunikációs vonalait és csöveit, ami jelentős forrásokat igényelhetne a felújításra és frissítésre.

A rendszer fejlesztésének korai szakaszában, amikor a rendszer kapacitása kicsi, és a rövidzárlási áram szintje alacsony, a növekvő rövidzárlási áramok kezelhetőek a kapcsolóeszközök cseréjével – ebben a szakaszban a többi alátámasztó berendezés gyakran elegendő margot tartogat. Azonban, ha a villamos rendszer kapacitása nagy, a rövidzárlási szint magas, és a rövidzárlási áramok tovább folyamatosan emelkednek a rendszer összekapcsolódásának vagy további kapacitás-bővítésnek köszönhetően, a circuit breakers egyszerű cseréje már nem elegendő. A meglévő alátámasztóknál nem csak a circuit breakers cseréje szükséges, hanem a fő transzformátorok, a szekciókapcsolók, mérőtranszformátorok, buszok, izolátorok, szerkezetek, alapok és földelő berendezések fejlesztése vagy cseréje is. Továbbá, a kommunikációs vonalaknak védőburokra vagy akár földalatti kommunikációs kábelek konvertálásra is szükség lehet.

Különböző tényezők miatt új, nagy teljesítményű erőművek és erőművek folyamatosan integrálódnak a 220kV hálózatra, ami túlságosan gyorsan emeli a rövidzárlási áram szintjét. Számos 220kV circuit breaker, sőt, egész alátámasztók töréskapacitása és dinamikus stabilitási teljesítménye már nem felel meg a növekvő rövidzárlási szinteknek, ami komoly technikai és gazdasági kihívásokat jelent. A rövidzárlási áram korlátozásának kutatása tehát sürgős.

​1 Hagyományos Áramkorlátozó Intézkedések és Korlátai​
A rövidzárlási áram korlátozását a rendszer szerkezetének, működésének és eszközeinek szempontjából lehet megközelíteni. A hagyományos intézkedések a következő kategóriákba sorolhatók, bár mindegyiknek jelentős korlátai vannak:

• ​a. Hálózatszerkezet Módosítása​
  Tartalmazza a magasabb feszültségű hálózatok fejlesztését, a kis feszültségű hálózatok/buszok felosztását és a hálózatok elválasztását.
• Magasabb feszültségű hálózatok fejlesztése: Jelentős beiktatást igényel, és környezeti aggodalomokkal jár.
• Kis feszültségű hálózatok felosztása/elválasztása: Egyszerűen végrehajtható, jelentős áramkorlátozó hatással, de csökkenti a rendszer biztonsági margóját és korlátozza a működési rugalmasságot, így csak szükséges esetekben alkalmazható.
• ​b. DC Kapcsolódási Technológia​
  A DC kapcsolódás jelentősen csökkentheti a rövidzárlási áramokat, de a két végén lévő konverterállomások beiktatása rendkívül drága. Rövid távolságú, alacsony teljesítményű kapcsolódás esetén ez a megoldás gazdaságilag nem indokolt.
• ​c. Magas Impedanciás Transzformátorok​
  A magas impedanciás transzformátorok használata a rövidzárlási áramok korlátozására a nyomásoldalon egy gyakran elfogadott intézkedés. Ezek a transzformátorok azonban magasabb veszteségeket produkálnak stabil állapotban, ami a rendszer gazdaságosságát befolyásolja.
• ​d. Soros Reaktorok​
  A soros reaktorok, melyek készítési technológiája már érett, és világos áramkorlátozó hatással bírnak, már használatban vannak a termelőüzemek segédszerkezetében és 10-35kV alátámasztókban. Azonban az ultra-magasspanningű rendszerekben történő alkalmazásuk növeli a hálózati veszteségeket, és csökkenti a rendszer stabilitását, ami korlátozza alkalmazhatóságukat.
• ​e. Eszközök Kapacitás-bővítése és Frissítése​
  A circuit breakers cseréje és a meglévő alátámasztók frissítése a magasabb rövidzárlási áramok kezelésére közvetlenül megoldja a problémát, de jelentős beiktatást és összetett építkezést igényel, ami rossz gazdasági hatékonyságot és időtartamot eredményez.

Mivel a hagyományos intézkedések jelentős korlátai vannak, a modern villamos rendszerekhez alkalmazkodó új áramkorlátozó eszközök fejlesztése vált szükségesnek. A Fault Current Limiter (FCL) mint megoldás jött létre, és fontos részét képezi a Flexible AC Transmission Systems (FACTS)-nek.

​2 A Fault Current Limiters (FCL) Alkalmazása a Villamos Rendszerekben​

​2.1 FCL Modellje és Alapelvei​
Az FCL alapelve a soros reaktor alapú áramkorlátozó technológiából ered, melyet a hatékony energiaelektronika fejlesztette tovább, hogy legyőzze a hagyományos soros reaktorok hátrányait (pl. a magas stabil állapotbeli veszteségek és a rendszer stabilitására gyakorolt hatás). Alapmodellje a következőképpen absztraktható: "Normál működés során nincs reaktancia, hibák esetén gyorsan beillesztik a reaktanciát az áram korlátozására."

• Normál működés: A kapcsolóeszköz zárva van, az FCL ekvivalens impedanciája közel nulla, nincs hatás a rendszerre.
• Hiba esetén: A kapcsoló gyorsan megnyílik, beilleszti az áramkorlátozó reaktort a rövidzárlási áram leküzdésére.

Az FCL főkomponensei négy kulcsfontosságú elemet tartalmaznak:

1. Gyors hibajel detektáló elem: Valós időben figyeli a rendszer áramát, és gyorsan felismeri a rövidzárlási hibákat.
2. Gyors kapcsolóeszköz: Gyorsan reagál a hibák során, vált a "nincs reaktancia" és "reaktancia" állapot között.
3. Áramkorlátozó reaktor: A fő áramkorlátozó komponens, mely a reaktancia révén korlátozza a rövidzárlási áramot.
4. Túlfeszültség védelmi elem: Megelőzi a hiba-kapcsolás során fellépő túlfeszültséget, védve a rendszer eszközeit.

​2.2 Az FCL Funkciói és Tervezési Követelményei​

​2.2.1 Az FCL Fő Funkciói​
Az FCL új megközelítést nyújt a rövidzárlási áram korlátozásához a villamos rendszerekben, és a modern villamos rendszerek fontos eleme. Előnyei a következők:

• Circuit breakers terhelésének csökkentése: A magasabb feszültségű szintekhez nagyobb, nehezebben megszakítható hibájelhez tartozik. Az FCL közvetlenül csökkenti a circuit breakers szakítási áramát, meghosszabbítva az eszközök élettartamát.
• Rendszer stabilitásának javítása: A rövidzárlási áram gyors korlátozása csökkenti a vezetékek feszültség-lehullását és a generátorok kiesési valószínűségét, javítva a teljesítmény szögtartótlanságát, feszültség- és frekvencia-stabilitását.
• Eszközök és vezetékek kihasználtságának növelése: Ha az FCL működik a rövidzárlási áram csúcsa előtt, csökkenti a hőmérsékleti és dinamikus stabilitási határértékek követelményeit, növelve a vezetékek tényleges átvitel-kapacitását.
• Feszültségminőség optimalizálása: A rövidzárlási áram gyors korlátozása a hiba-tiszta vezetéken rövidebbé teszi a feszültség-lehullás időtartamát, garantálva a hálózat feszültség-stabilitását.
• Környező berendezésekkel való zavar minimalizálása: A magasfeszültségű hálózatokban a rövidzárlási áram korlátozása csökkenti a közeli kommunikációs vonalak és vasúti jelzési rendszerekre gyakorolt elektromágneses zavart.

​2.2.2 Az FCL Tervezési Követelményei​
A villamos rendszer működési jellemzőihez alkalmazkodáshoz az FCL-nak a következő tervezési normákat kell teljesítenie:

• Nem hat a rendszerre normál működés során (a feszültség-lehullás közel nulla).
• Gyors reagálás a hibák során (1-2 ms-en belül), korlátozza a csúcs- és stabil állapotbeli rövidzárlási áramokat, anélkül, hogy túlfeszültséget okozna.
• Automatikusan visszaáll a hiba után, anélkül, hogy manuális beavatkozásra lenne szükség.
• Nem zavarja a védő relék normál működési logikáját.
• Ésszerű költség és nagy költség-hatékonyság, megfelelő a szolgáltatói mérnöki alkalmazások számára.

​2.3 Különböző FCL Implementációs Sémák Összehasonlítása​

​2.3.1 Sémák Összehasonlítása​

• ​Következtetés: Az új anyag-alapú (különösen szupravezető) és energiaelektronikai FCL-jek jelenleg a legjobb megoldások. Az első egyszerű és megbízható, de az anyagtechnológia korlátozza; a második erős irányítási képességgel rendelkezik, és a csökkenő energiaelektronikai költségek miatt mérnöki megvalósítható, ezért a legjavaslottabb kutatási irány.

​2.5 Az FCL Jövőbeli Kutatási Irányai​
A jövőbeli FCL-kutatások a "teljesítmény-optimalizálás, funkcionális integráció és mérnöki alkalmazhatóság" fókuszában kellene folytatódjanak. A kulcsirányok a következők:

1. Folyamatosan állítható impedancia konverzorok: A jelenlegi "két állapotú impedancia (nulla vagy végtelen)" korlátozásnál tovább haladva, fejlesszünk reagáló, folyamatosan állítható impedancia konverzorokat, melyek dinamikusan illesztik a nagyobb impedanciát a nagyobb hibájelhez. Ezeknek be kell tartalmazniuk a teljesítmény-faktor kompenzálást és a túlfeszültség elnyelését, kombinálva a szabályozási elméletekkel (pl. negatív visszacsatolás, PID-irányítás) a rendszer automatizálásának javítása érdekében.
2. Integráció a FACTS-irányítókkal: Fejlesszünk integrált irányító berendezéseket, melyek kombinálják az FCL-t más FACTS-komponensekkel (pl. SVG, SVC), javítva az általános költség-hatékonyságot, és elősegítve a vezérelhető AC-átviteli és elosztási rendszereket.
3. Kulcsfontosságú technológiai áttörések:
• Az FCL hatása a villamos rendszer stabilitására.
• Az FCL és a védő relék közötti koordinációs logika.
• Az ultra-gyors hibajel detektáló rendszerek és irányítók optimalizálása.
• Az FCL hatása a villamos minőségre (pl. harmonikusok, feszültség-fluktuációk) és enyhítő intézkedések.

​3 Következtetés​

• a. A rövidzárlási áram korlátozása a villamos rendszerekben egy olyan kritikus kérdés, amelyet sürgősen meg kell oldani. Az FCL, mint új védelmi berendezés, hatékony megoldást nyújt, és a modern hálózatokhoz alkalmazkodó FCL-k fejlesztése jelentős elméleti és mérnöki értéket jelent.
• b. Az energiaelektronikai FCL-k már rendelkeznek elméleti alapokkal és mérnöki alkalmazhatósággal. Kiváló irányítási teljesítményük és a csökkenő energiaelektronikai eszközök költségei jelentős fejlesztési kilátásokat nyitnak.
• c. A FACTS/CusPow technológiák fejlődésével az FCL, mint a FACTS-család fontos tagja, nem csak önállóan oldja meg a rövidzárlási áram korlátozásának problémáját az átviteli és elosztási hálózatokban, hanem együttműködik más FACTS-irányítókkal, tovább elősegítve a vezérelhető AC-átviteli és elosztási rendszereket fejlesztését.