Īssaites strāvas ierobežošana enerģētikas sistēmās un traucējošās strāvas ierobežotāju (FCL) lietošana

0 Ievads​
Ar elektrosistēmu attīstību un pieaugošām slodzes prasībām, lielu jaudas vienību un pārveidošanas iekārtu integrācija, īpaši lielu elektrostaciju parādīšanās slodžu centrās un lielu elektrosistēmu savienojums, neizbēgami ir radījuši strāvas pārtraukuma līmeņa nepārtrauktu pieaugumu. Bez efektīvām ierobežošanas pasākumiem šis tendence ne tikai būtiski palielinātu jaunu pārveidotāju iekārtu investīcijas, bet arī nopietni ietekmētu esošo pārveidotāju komunikācijas līnijas un cauruļvadus, iespējams, prasot lielas summas atjaunošanai un modernizācijai.

Sistēmas izstrādes sākumposmā, kad sistēmas jauda ir maza un strāvas pārtraukuma līmenis zems, strāvas pārtraukuma pieaugumu parasti var risināt, aizstājot pārslēgumus — citām pārveidotāja iekārtām šajā posmā parasti ir pietiekama rezerve. Tomēr, kad elektrosistēmas jauda ir liela, strāvas pārtraukuma līmenis ir augsts un strāvas pārtraukuma līmeņa pieaugums turpinās sistēmas savienojuma dēļ vai tālākas jaudas paplašināšanās, vienkārši aizstājot slēdzienus, vairs nav pietiekami. Esošiem pārveidotājiem var būt nepieciešamas ne tikai slēdzenu aizstāšana, bet arī galveno transformatoru, atslēgu, mērījumu transformatoru, sakaru līniju, izolātoru, konstrukciju, pamatu un apzemesošanas sistēmu uzlabošana vai aizstāšana. Papildus tam, komunikācijas līnijas var būt jāapsargā vai pat jāpārveido par apakšzemēm novietotām komunikācijas kabeļiem.

Vairāku faktoru dēļ jaunas lielu jaudas vienības un elektrostacijas turpinās integrēties 220 kV tīklā, veicinot pārāk straujo strāvas pārtraukuma līmeņa pieaugumu. Daudzu 220 kV slēdzenu, pat veselu pārveidotāju, pārtraukuma jauda un dinamiskā stabilitātes rādītāji vairs nesaskaņojas ar pieaugošo strāvas pārtraukuma līmeni, radoši nopietnas tehniskas un ekonomiskas problēmas. Tāpēc strāvas pārtraukuma ierobežošanas pētījumi ir steidzami nepieciešami.

​1 Tradicionālie Strāvas Pārtraukuma Ierobežošanas Pasākumi un To Ierobežojumi​
Strāvas pārtraukuma ierobežošanu var risināt no sistēmas struktūras, darbības un iekārtu perspektīvas. Tradicionālie pasākumi ietver šādas kategorijas, taču katram no tiem ir būtiski ierobežojumi:

• ​a. Tīkla Struktūras Aizstāšana​
  Ietver augstākas sprieguma tīklu attīstību, zemāka sprieguma tīklu/sakaru līniju sadalīšanu un tīkla atdalīšanu.
• Augstākas sprieguma tīklu attīstība: Prasa lielas investīcijas un saistās ar vides jautājumiem.
• Zemāka sprieguma tīkla sadalīšana/atdalīšana: Vienkārši realizējama ar būtiskiem strāvas pārtraukuma ierobežojumiem, tomēr samazina sistēmas drošības rezerves un ierobežo darbības elastību, padarot to piemērotu tikai nepieciešamajām situācijām.
• ​b. Direktā Strāvas Savienojuma Tehnoloģija​
  Direktā strāvas savienojuma tehnoloģija var būtiski samazināt strāvas pārtraukuma līmeni, bet abpusējos pārveidošanas staciju iegāde ir ļoti dārga. Īsu savienojumu ar zemu jaudas apmaiņu šī risinājuma ekonomika nav rentabla.
• ​c. Augstas Impedances Transformatori​
  Augstas impedances transformatoru izmantošana, lai ierobežotu strāvas pārtraukuma līmeni zemākiem spriegumiem, ir bieži izmantots pasākums. Tomēr šie transformatori rada lielākas zudējumus pastāvīgā režīmā, ietekmējot sistēmas ekonomiku.
• ​d. Seriju Reaktori​
  Seriju reaktori, ar sasniedzamo ražošanas tehnoloģiju un skaidriem strāvas pārtraukuma ierobežojumiem, jau tiek izmantoti elektrostaciju palīgsistēmās un 10–35 kV pārveidotājos. Tomēr to izmantošana ultraaugstsprieguma sistēmās palielina tīkla zudējumus un samazina sistēmas stabilitāti, ierobežojot to piemērotību.
• ​e. Iekārtu Jaudas Paplašināšana un Modernizācija​
  Slēdzenu aizstāšana un esošo pārveidotāju modernizācija, lai apstrādātu augstākus strāvas pārtraukuma līmeņus, tieši risina problēmu, bet prasa lielas investīcijas un sarežģītu būvniecību, veidojot labu ekonomisko efektivitāti un laikusību.

Traicionālo pasākumu būtisku ierobežojumu dēļ jaunu strāvas pārtraukuma ierobežošanas iekārtu, kas pielāgotas modernām elektrosistēmām, attīstība ir kļuvusi steidzama. Kļūst par risinājumu Arī Strāvas Pārtraukuma Ierobežotājs (FCL) un ir arī svarīga daļa no Elastīgām Alternātsprieguma Elektrosistēmām (FACTS).

​2 FCL Lietojums Elektrosistēmās​

​2.1 FCL Modeļa un Pamata Principi​
FCL pamatprincips izriet no seriju reaktoru strāvas pārtraukuma ierobežošanas tehnoloģijas, uzlabota ar enerģētikas elektronikas palīdzību, lai pārvarētu tradicionālo seriju reaktoru trūkumus (piemēram, augstu pastāvīgā režīma zudējumus un ietekmi uz sistēmas stabilitāti). Tā pamatmodelis var tikt apģērbts kā: "Normālā darbībā bez indukcijas; ātri iestrādā indukciju strāvas pārtraukuma gadījumā, lai ierobežotu strāvu."

• Normālā darbībā: Pārslēguma ierīce aizvērta, FCL ekvivalentā indukcija tuvu nullei, bez ietekmes uz sistēmu.
• Strāvas pārtraukuma gadījumā: Pārslēguma ierīce ātri atveras, iestrādājot strāvas pārtraukuma ierobežojošo reaktoru, lai samazinātu strāvas pārtraukumu.

FCL galvenie sastāvdaļas ietver četrus svarīgus elementus:

1. Ātrs strāvas pārtraukuma detektors: Uzraudzīt sistēmas strāvu reāllaikā un ātri identificēt strāvas pārtraukumu.
2. Ātrs pārslēguma elements: Darbojas ātri strāvas pārtraukuma gadījumā, mainot stāvokli no "bez indukcijas" uz "ar indukciju" stāvokli.
3. Strāvas pārtraukuma ierobežojošs reaktors: Galvenais strāvas pārtraukuma ierobežojošais elements, kas samazina strāvas pārtraukumu caur indukciju.
4. Pārspīlējuma aizsardzības elements: Novērš pārspīlējumu strāvas pārtraukuma pārslēguma laikā, aizsargājot sistēmas iekārtas.

​2.2 FCL Funkcijas un Projektēšanas Prasības​

​2.2.1 FCL Galvenās Funkcijas​
FCL nodrošina jaunu pieeju strāvas pārtraukuma ierobežošanai elektrosistēmās un ir svarīga daļa no modernām elektrosistēmām. Tā priekšrocības ietver:

• Samazina slēdzenu slogu: Augstāki spriegumi atbilst lielākiem, grūtāk pārtraucamiem strāvas pārtraukumiem. FCL tieši samazina slēdzenu pārtraukuma strāvu, pagarinot iekārtu dzīveslaiku.
• Uzlabo sistēmas stabilitāti: Strāvas pārtraukuma ātra ierobežošana samazina līniju sprieguma pazemināšanos un ģeneratoru nesaskaņoto darbību varbūtību, uzlabojot sprieguma, frekvences un jaudas leņķa stabilitāti.
• Palielina iekārtu un līniju izmantošanu: Ja FCL darbojas pirms strāvas pārtraukuma virsotnes, tas samazina termiskās un dinamiskās stabilitātes prasības, palielinot faktiskās līnijas pārnosūtnes jaudu.
• Optimizē sprieguma kvalitāti: Strāvas pārtraukuma ātra ierobežošana pirms strāvas pārtraukuma novēršanas īssauc sprieguma pazemināšanās ilgumu neievainotajās līnijās, nodrošinot tīkla sprieguma stabilitāti.
• Samazina apkārtējo iekārtu traucējumu: Strāvas pārtraukumu ierobežošana augstsprieguma tīklā samazina blakus esošo komunikācijas līniju un dzelzceļa signālsistēmu elektromagnētisko traucējumu.

​2.2.2 FCL Projektēšanas Prasības​
Lai pielāgotos elektrosistēmu darbības raksturojumiem, FCL jāatbilst šādiem projektēšanas standartiem:

• Nav ietekmes uz sistēmu normālā darbībā (sprieguma pazeminājums tuvu nullei).
• Ātra reakcija strāvas pārtraukuma gadījumā (1–2 ms), ierobežojot gan virsotnes, gan pastāvīgo strāvas pārtraukumu, bez sekundāro efektu, piemēram, pārspīlējumu.
• Automātiska atjaunošana pēc strāvas pārtraukuma novēršanas bez cilvēka iejaukšanās.
• Nav ietekmes uz aizsardzības releju normālo darbības loģiku.
• Mērenas izmaksas un augsta ekonomiskā efektivitāte, atbilstot elektrosistēmu inženierzinātnes lietojumam.

​2.3 Dažādu FCL Realizācijas Shēmu Salīdzinājums​

​2.3.1 Shēmu Salīdzinājums​

• ​Secinājums: Jaunmateriala (jo īpaši superkonduktora) un enerģētikas elektronikas balstīti FCL pašlaik ir optimālākie risinājumi. Pirmais ir vienkāršs un uzticams, bet ierobežots ar materialu tehnoloģiju; otrs piedāvā stipru kontrolējamību, un ar enerģētikas elektronikas izmaksu samazināšanos, tas kļuvuši inženierzinātniski iespējams, padarot to par visperspektīvāko R&D virzieni.

​2.5 FCL Nākotnes Pētījumu Virzieni​
Nākotnes FCL pētījumi jāpievērš "veiktspējas optimizācijai, funkciju integrācijai un inženierzinātniskai pielāgošanai." Galvenie virzieni ietver:

1. Nepārtraukti pielāgojamie impedancijas pārveidotāji: Pārsniedzot pašreizējo "divstāvokļu impedanciju (nulle vai bezgalība)" ierobežojumu, attīstot reagojošus, nepārtraukti pielāgojamus impedancijas pārveidotājus, kas dinamiski atbilst lielākiem impedancijas līmeņiem lielākiem strāvas pārtraukumiem. Tie arī jāiekļauj jaudas faktora kompensācijā un pārspīlējuma absorbcijā, kombinējot ar kontrolēšanas teorijām (piemēram, negatīvā atgriezeniskā saite, PID kontrolēšana), lai uzlabotu sistēmas automātizāciju.
2. Integrācija ar FACTS kontrolētājiem: Attīstot kompleksus kontrolētājus, kas kombinē FCL ar citiem FACTS komponentiem (piemēram, SVG, SVC), lai uzlabotu kopējo ekonomisko efektivitāti un veicinātu kontrolējamās alternātsprieguma pārnosūtnes un pārveidošanas sistēmas.
3. Kritiskās tehnoloģijas pārvarēšana:
• FCL ietekme uz elektrosistēmu stabilitāti.
• FCL un aizsardzības releju koordinācijas loģika.
• Ultraātras strāvas pārtraukuma signālu detektāju un kontrolētāju sistēmu optimizācija.
• FCL ietekme uz enerģijas kvalitāti (piemēram, harmoniskie, sprieguma svārstības) un mazināšanas pasākumi.

​3 Secinājums​

• a. Elektrosistēmu strāvas pārtraukuma ierobežošana ir kļuvusi par steidzamu problēmu, kas prasa ātru risinājumu. Kā jauna aizsardzības iekārta, Strāvas Pārtraukuma Ierobežotājs (FCL) piedāvā efektīvu risinājumu, un FCL, kas pielāgoti moderniem tīkliem, ir nozīmīgi teorētiski un inženierzinātniski.
• b. Enerģētikas elektronikas balstīti FCL jau ir gūti teorētisko pamatu un inženierzinātnisku praktiskumu. Viņu izcilās kontrolēšanas veiktspējas un enerģētikas elektronikas izmaksu samazināšanās norāda uz plašām attīstības perspektīvām.
• c. Ar FACTS/CusPow tehnoloģiju attīstību, FCL, kā svarīgs FACTS ģimenes loceklis, ne tikai neatkarīgi jārisina strāvas pārtraukuma ierobežojumi pārnosūtnes un pārveidošanas tīklā, bet arī jāsadzīvo ar citiem FACTS kontrolētājiem, lai veicinātu kontrolējamās alternātsprieguma pārnosūtnes un pārveidošanas sistēmu attīstību.