Ограничување на струјата при кратко поврзување во системите за енергија и примената на ограничителите на струјата при грешки (FCL)

0 Вовед​
Со развојот на системите за енергија и зголемувањето на потребите, интеграцијата на генератори со голем капацитет и опрема за подстанции - особено појавата на големи електрани во центрови на потрошувачки и поврзувањето на големи системи за енергија - неизбежно доведе до непрекинат растеж на нивото на стрмни струи. Без ефективни мери за ограничување, оваа тенденција не само значително би зголемила инвестициите во опрема за нови подстанции, туку и би имала сериозни влијание врз комуникационите линии и трбушните системи на постојечката опрема, што би можело да изиска значителни средства за обнова и надградба.

Во раните фази на развојот на системот, кога капацитетот на системот е мал и нивото на стрмни струи е ниско, зголемувањето на стрмни струи често може да се реши со замена на превключувачки опреми - другата опрема во подстанцијата често има доволно маржина во оваа фаза. Меѓутоа, кога капацитетот на системот за енергија е голем, нивото на стрмни струи е високо, а стрмните струи продолжуваат да растат поради поврзувањето на системите или дополнителна експанзија на капацитетот, само замената на прекинувачите веќе не е доволна. Постојечките подстанции можеби треба да не само заменат прекинувачите, туку и да ги подобрат или заменат главните трансформатори, прекинувачи, инструментални трансформатори, главни линии, изолатори, конструкции, основи и системи за земјиште. Поради тоа, комуникационите линии може да треба да се заштитат или дури да се конвертираат во подземни комуникациони кабели.

Зборавши за различни фактори, новите генератори со голем капацитет и електрани продолжуваат да се интегрираат во мрежата од 220кВ, што доведе до премногу брз растеж на нивото на стрмни струи. Прекинувачката капацитет и перформансата на динамичка стабилност на многу прекинувачи од 220кВ - и дури целите подстанции - веќе не можат да одговараат на растечкото ниво на стрмни струи, што создава сериозни технички и економски предизвици. Затоа, истражувањето на ограничувањето на стрмни струи е ургентно потребно.

​1 Традиционални мерки за ограничување на стрмни струи и нивните ограничувања​
Ограничувањето на стрмни струи може да се пристапи од аспекти на структурата, операцијата и опремата на системот. Традиционалните мерки вклучуваат следните категории, но секоја има значителни ограничувања:

• ​a. Адаптација на структурата на мрежата​
  Вклучува развој на мрежи со повисока напонска ниво, сплачивanje на мрежи со ниско напонско ниво/главни линии и одделување на мрежата.
• Развој на мрежи со повисоко напонско ниво: Изискува големи инвестиции и вклучува еколошки проблеми.
• Сплачивanje на мрежи со ниско напонско ниво/одделување: Лесно за имплементирање со значителен ефект на ограничување на стрмни струи, но го намалува безбедносниот маргин на системот и ограничува оперативната флексибилност, што го прави прифатлив само во неопходни случаи.
• ​b. Технологија за поврзување со ДЦ​
  Поврзувањето со ДЦ може значително да ја намали стрмната струја, но инвестициите во преобразувачки станции на двете крајни точки се екстремно високи. За кратки поврзувања со ниско размена на моќ, ова решение е економски неизвршливо.
• ​c. Трансформатори со висок импеданс​
  Користењето на трансформатори со висок импеданс за ограничување на стрмни струи на страната со ниско напонско ниво е често применувана мерка. Меѓутоа, тие трансформатори имаат повисоки губитоци во стабилната операција, што влијае на економијата на системот.
• ​d. Серисни реактори​
  Серисните реактори, со зрелост во производството и јасни ефекти на ограничување на стрмни струи, веќе се користат во помошни системи на електрани и подстанции од 10–35кВ. Меѓутоа, нивната примена во системи со екстремно високо напонско ниво зголемува губитоците во мрежата и намалува стабилноста на системот, што ги ограничува нивната прифатливост.
• ​e. Експанзија на капацитетот на опремата и надградба​
  Замената на прекинувачите и надградбата на постојечките подстанции за управување со поголеми стрмни струи директно го решава проблемот, но вклучува големи инвестиции и комплексна конструкција, што резултира со лоша економска ефикасност и своевременост.

Затоа, дадени значителните ограничувања на традиционалните мерки, развојот на нови уреди за ограничување на стрмни струи кои се прилагодени на модерните системи за енергија стана неизбежен. Уредот за ограничување на стрмни струи (FCL) се појави како решение и е важен компонент на Флексибилните системи за передавање на AC (FACTS).

​2 Примена на FCL-овите во системите за енергија​

​2.1 Модел и основни принципи на FCL​
Основниот принцип на FCL произлегува од технологијата за ограничување на стрмни струи со серисни реактори, подобрен со електроника за моќ за да се надминат недостатоците на традиционалните серисни реактори (на пример, високи губитоци во стабилната операција и влијание врз стабилноста на системот). Неговиот основен модел може да се абстрактира како: "Нема реактивност во нормална операција; брзо вметнување на реактивност при грешки за ограничување на стрмни струи."

• Нормална операција: Превключувачкиот уред е затворен, еквивалентниот импеданс на FCL е близу до нула, нема влијание врз системот.
• Состојба на грешка: Брзо отварање на превключувачкиот уред, вметнување на реакторот за ограничување на стрмни струи за да се подобри стрмната струја.

Основните компоненти на FCL вклучуваат четири клучни елементи:

1. Брз елемент за детекција на стрмни струи: Мониторира системската струја во реално време и брзо ги идентификува грешките на стрмни струи.
2. Брз превключувачки уред: Реагира брзо при грешки за да превклучи меѓу состојбите "без реактивност" и "со реактивност".
3. Реактор за ограничување на стрмни струи: Основен компонент за ограничување на стрмни струи, што ги подобрува стрмните струи преку импеданс.
4. Елемент за заштита од прекомерен напон: Предотвршува прекомерен напон при превклучување на грешки, за да ги заштити опремата на системот.

​2.2 Функции и дизајнски барања за FCL​

​2.2.1 Основни функции на FCL​
FCL дава нов пристап за ограничување на стрмни струи во системите за енергија и е критичен компонент на модерните системи за енергија. Неговите предности вклучуваат:

• Намалување на бремето на прекинувачите: Повисоки напонски нива соодветствуваат на поголеми, трудни за прекинување стрмни струи. FCL директно го намалува прекинувачкиот ток, што го проширува животниот век на опремата.
• Подобрување на стабилноста на системот: Брзото ограничување на стрмни струи намалува паѓањето на напонот во линиите и веројатноста за излегување на генераторите од фаза, што го подобрува стабилноста на аголот на моќта, напонот и фреквенцијата.
• Зголемување на користењето на опремата и линиите: Ако FCL действува пред да достигне врвната точка на стрмната струја, тоа ги намалува барањата за термална и динамичка стабилност, што го зголемува фактичкиот преносен капацитет на линиите.
• Оптимизација на качеството на напонот: Брзото ограничување на стрмни струи пред очистувањето на грешката скратува длабочината на паѓањето на напонот во невинувани линии, што гарантира стабилноста на напонот во мрежата.
• Намалување на интерференцијата со околниот опрема: Ограничувањето на стрмни струи во мрежите со високо напонско ниво намалува електромагнетната интерференција со соседните комуникациони линии и системите за сигнална система на железниците.

​2.2.2 Дизајнски барања за FCL​
За да се прилагоди на карактеристиките на операцијата на системот за енергија, FCL мора да задоволи следните стандарди за дизајн:

• Нема влијание врз системот во нормална операција (падот на напонот близу до нула).
• Брз одговор при грешки (во рамки од 1–2 ms), ограничување на врвната и стабилната стрмна струја без странични ефекти како прекомерен напон.
• Автоматско враќање после очистувањето на грешката без рачко вмешателство.
• Нема интерференција со нормалната логика на операцијата на заштитни релеи.
• Разумна цена и висок коефициент на полезност, кој одговара на потребите на инженерски проект.

​2.3 Споредба на различни реализации на FCL​

​2.3.1 Споредба на схеми​

• ​Заклучок: FCL-овите базирани на нови материјали (особено суперпроводници) и FCL-овите со електроника за моќ се моментално најдобар решенија. Првиот е прост и надежен, но ограничен од технологијата на материјалите; вториот нуди силна контрола, и со падањето на цените на електрониката за моќ, стана инженерски вработливо, што го прави најобетувачки насок за истражување и развој.

​2.5 Будни насоки за истражување на FCL​
Будните истражувања на FCL треба да се фокусираат на "оптимизација на перформансите, функционална интеграција и инженерска прилагодливост." Клучните насоки вклучуваат:

1. Непрекинато приспособливи конвертери за импеданс: Одмина на моменталната "двострана импеданс (нула или бесконечно)" ограничување за да се развијат приспособливи, непрекинато регулирани конвертери за импеданс кои динамично се прилагодуваат на поголема импеданс со поголеми грешки. Овие треба да вклучуваат компензација на факторот на моќ и апсорбиране на прекомерен напон, комбинирано со теории за контрола (на пример, негативен фидбек, PID контрола) за да се подобри автоматизацијата на системот.
2. Интеграција со контролери FACTS: Развој на комплетни контролни уреди кои комбинираат FCL со други компоненти FACTS (на пример, SVG, SVC) за да се подобри целосната економичност и да се напредува во контролируемите системи за пренос и дистрибуција на AC.
3. Клучни технички промени:
• Механизми на влијание на FCL врз стабилноста на системот за енергија.
• Логика на координација помеѓу FCL и заштитни релеи.
• Оптимизација на системи за брза детекција на грешки и контролери.
• Ефекти на FCL врз качеството на моќта (на пример, хармонии, флуктуации на напонот) и мерки за намалување.

​3 Заклучок​

• a. Ограничувањето на стрмни струи во системите за енергија стана критичен проблем кој бара ургентно решавање. Како нов уред за заштита, FCL (Fault Current Limiter) нуди ефективно решение, и развојот на FCL-ови прилагодени на модерните мрежи има значителна теоретска и инженерска вредност.
• b. FCL-овите со електроника за моќ веќе имаат теоретска основа и инженерска практичност. Нивните отлични контролни перформанси и падањето на цените на електрониката за моќ покажуваат широки перспективи за развој.
• c. Со напредокот на технологии FACTS/CusPow, FCL - како кључен член на семејството FACTS - треба да не само независно да се справи со проблемите на ограничување на стрмни струи во системите за пренос и дистрибуција, туку и да соработува со други контролери FACTS за да се допринесе за напредокот на контролируемите системи за пренос и дистрибуција на AC.