Ograniczenie prądu krótkiego w systemach energetycznych i zastosowanie ograniczników prądu uszkodzeniowego (FCL)

0 Wstęp​
Wraz z rozwojem systemów energetycznych i wzrostem zapotrzebowania na obciążenia, integracja dużych jednostek generacyjnych i urządzeń stacjonarnych — szczególnie pojawienie się dużych elektrowni w centrach obciążeń oraz łączenie dużych systemów energetycznych — nieuchronnie prowadzi do ciągłego wzrostu poziomu prądów zwarciowych. Bez skutecznych środków ograniczających, ten trend nie tylko znacznie zwiększa koszty inwestycyjne dla nowych stacji transformatorowych, ale również poważnie wpływa na linie komunikacyjne i rurociągi istniejących obiektów stacjonarnych, co może wymagać znacznych środków na modernizację i aktualizację.

W wczesnym etapie rozwoju systemu, gdy jego pojemność jest mała, a poziom prądów zwarciowych niski, rosnące prądy zwarciowe mogą być zwykle rozwiązane poprzez wymianę urządzeń przełączających — inne urządzenia stacjonarne często mają na tym etapie wystarczającą rezerwę. Jednakże, gdy pojemność systemu energetycznego jest duża, poziom prądów zwarciowych jest wysoki, a prądy zwarciowe nadal rosną w wyniku łączenia systemów lub dalszej ekspansji pojemności, prosta wymiana wyłomników nie jest już wystarczająca. Istniejące stacje transformatorowe mogą wymagać nie tylko wymiany wyłomników, ale także wzmocnienia lub wymiany głównych transformatorów, przestawiaczy, transformatorków pomiarowych, szyn, izolatorów, konstrukcji, fundamentów i systemów uziemienia. Ponadto, linie komunikacyjne mogą wymagać ekranowania lub nawet przekształcenia w kablowe linie podziemne.

Z powodu różnych czynników, nowe duże jednostki generacyjne i elektrownie są stale integrowane do sieci 220kV, co prowadzi do nadmiernie szybkiego wzrostu poziomu prądów zwarciowych. Przerwy w działaniu i wydajność dynamicznej stabilności wielu wyłomników 220kV — a nawet całych stacji transformatorowych — nie odpowiadają już rosnącym poziomom prądów zwarciowych, tworząc poważne wyzwania techniczne i ekonomiczne. Badania nad ograniczeniem prądów zwarciowych są więc pilnie potrzebne.

​1 Tradycyjne środki ograniczające prądy zwarciowe i ich ograniczenia​
Ograniczenie prądów zwarciowych można rozpatrywać z perspektywy struktury systemu, działania i sprzętu. Tradycyjne środki obejmują następujące kategorie, ale każda ma istotne ograniczenia:

• ​a. Dostosowanie struktury sieci​
  Obejmuje rozwój sieci o wyższych napięciach, podział sieci niskiego napięcia/szyn i separację sieci.
• Rozwój sieci o wyższych napięciach: wymaga dużych inwestycji i wiąże się z kwestiami środowiskowymi.
• Podział sieci niskiego napięcia/separacja: łatwe w implementacji, znaczny efekt ograniczający prądy zwarciowe, ale zmniejsza margines bezpieczeństwa systemu i ogranicza elastyczność operacyjną, co sprawia, że jest odpowiednie tylko w koniecznych scenariuszach.
• ​b. Technologia łączenia DC​
  Łączenie DC może znacznie zmniejszyć prądy zwarciowe, ale inwestycja w stacje konwertorowe na obu końcach jest ekstremalnie wysoka. Dla krótkich łączeń z niewielkim wymianą mocy, to rozwiązanie jest ekonomicznie nierentowne.
• ​c. Transformatory o wysokim oporze​
  Używanie transformatorów o wysokim oporze do ograniczenia prądów zwarciowych po stronie niskiego napięcia jest powszechnie stosowaną metodą. Jednak te transformatory mają większe straty w stanie ustalonym, co wpływa na ekonomię systemu.
• ​d. Reaktory szeregowe​
  Reaktory szeregowe, z dojrzałą technologią produkcji i jasnym efektem ograniczającym prądy zwarciowe, są już używane w systemach pomocniczych elektrowni i stacjach transformatorowych 10–35kV. Jednak ich zastosowanie w systemach ultrawysokiego napięcia zwiększa straty sieciowe i zmniejsza stabilność systemu, co ogranicza ich przydatność.
• ​e. Rozszerzenie pojemności sprzętu i modernizacja​
  Zastępowanie wyłomników i modernizacja istniejących stacji transformatorowych do obsługi wyższych prądów zwarciowych bezpośrednio rozwiązuje problem, ale wiąże się z wysokimi inwestycjami i złożonymi pracami budowlanymi, co prowadzi do niskiej efektywności ekonomicznej i terminowości.

Biorąc pod uwagę istotne ograniczenia tradycyjnych środków, stało się konieczne opracowanie nowych urządzeń ograniczających prądy zwarciowe dostosowanych do nowoczesnych systemów energetycznych. Powstał wtedy Ograniczacz Prądów Zwarciowych (FCL), który jest również ważnym elementem Systemów Elastycznej Transmisji AC (FACTS).

​2 Zastosowanie Ograniczaczy Prądów Zwarciowych (FCL) w systemach energetycznych​

​2.1 Model i podstawowe zasady działania FCL​
Podstawowa zasada działania FCL pochodzi z technologii ograniczania prądów przez reaktory szeregowe, poprawionej za pomocą elektroniki mocy, aby pokonać wady tradycyjnych reaktorów szeregowych (np. wysokie straty w stanie ustalonym i wpływ na stabilność systemu). Jego podstawowy model można sformułować jako: "Brak reaktancji w normalnym działaniu; szybkie wstawienie reaktancji podczas uszkodzeń, aby ograniczyć prąd."

• Normalne działanie: Urządzenie przełączające zamknięte, opór równoważny FCL bliski zero, bez wpływu na system.
• Stan uszkodzenia: Szybkie otwarcie przełącznika, wstawienie reaktora ograniczającego prąd, aby zahamować prąd zwarciowy.

Główne elementy FCL obejmują cztery kluczowe składniki:

1. Szybki element detekcji prądu zwarciowego: monitoruje prąd systemu w czasie rzeczywistym i szybko identyfikuje uszkodzenia zwarciowe.
2. Szybkie urządzenie przełączające: działa szybko podczas uszkodzeń, przełączając między stanami "bez reaktancji" i "z reaktancją".
3. Reaktor ograniczający prąd: kluczowy element ograniczający prąd, hamujący prąd zwarciowy poprzez impedancję.
4. Element ochronny przed nadnapięciem: zapobiega nadnapięciom podczas przełączania w przypadku uszkodzeń, chroniąc sprzęt systemu.

​2.2 Funkcje i wymagania projektowe FCL​

​2.2.1 Kluczowe funkcje FCL​
FCL oferuje nowe podejście do ograniczania prądów zwarciowych w systemach energetycznych i jest kluczowym elementem nowoczesnych systemów energetycznych. Jego zalety obejmują:

• Zmniejszenie obciążenia wyłomników: Wyższe napięcia odpowiadają większym, trudniejszym do przerwania prądom zwarciowym. FCL bezpośrednio zmniejsza prąd przerwania wyłomników, prolongując żywotność sprzętu.
• Poprawa stabilności systemu: Szybkie ograniczanie prądów zwarciowych zmniejsza spadki napięcia na liniach i prawdopodobieństwo utraty synchronizacji generatorów, zwiększając stabilność kąta mocy, napięcia i częstotliwości.
• Zwiększenie wykorzystania sprzętu i linii: Jeśli FCL działa przed osiągnięciem szczytowego prądu zwarciowego, zmniejsza wymagania dotyczące granic termicznej i dynamicznej stabilności, zwiększając rzeczywistą zdolność transmisyjną linii.
• Optymalizacja jakości napięcia: Szybkie ograniczenie prądu przed usunięciem uszkodzenia skraca czas obniżenia napięcia na liniach nieuszkodzonych, zapewniając stabilność napięcia w sieci.
• Zmniejszenie zakłóceń dla pobliskich obiektów: Ograniczanie prądów zwarciowych w sieciach wysokiego napięcia zmniejsza zakłócenia elektromagnetyczne dla pobliskich linii komunikacyjnych i systemów sygnalizacji kolejowej.

​2.2.2 Wymagania projektowe dla FCL​
Aby dostosować się do charakterystyki działania systemów energetycznych, FCL musi spełniać następujące standardy projektowe:

• Brak wpływu na system w normalnym działaniu (spadek napięcia bliski zeru).
• Szybka reakcja podczas uszkodzeń (w ciągu 1-2 ms), ograniczanie zarówno szczytowych, jak i ustalonych prądów zwarciowych bez efektów ubocznych, takich jak nadnapięcia.
• Automatyczne resetowanie po usunięciu uszkodzenia bez interwencji manualnej.
• Brak zakłóceń w normalnej logice działania relé ochronnych.
• Rozsądne koszty i wysoka rentowność, spełniające potrzeby zastosowań inżynierii公用事业翻译成波兰语如下：

  

  0 Wstęp​
  Wraz z rozwojem systemów energetycznych i wzrostem zapotrzebowania na obciążenia, integracja dużych jednostek generacyjnych i urządzeń stacjonarnych — szczególnie pojawienie się dużych elektrowni w centrach obciążeń oraz łączność dużych systemów energetycznych — nieuchronnie prowadzi do ciągłego wzrostu poziomu prądów zwarciowych. Bez skutecznych środków ograniczających, ten trend nie tylko znacznie zwiększa koszty inwestycyjne dla nowych stacji transformatorowych, ale również poważnie wpływa na linie komunikacyjne i rurociągi istniejących obiektów stacjonarnych, co może wymagać znacznych środków na modernizację i aktualizację.

  W wczesnym etapie rozwoju systemu, gdy jego pojemność jest mała, a poziom prądów zwarciowych niski, rosnące prądy zwarciowe mogą być zwykle rozwiązane poprzez wymianę urządzeń przełączających — inne urządzenia stacjonarne często mają na tym etapie wystarczającą rezerwę. Jednakże, gdy pojemność systemu energetycznego jest duża, poziom prądów zwarciowych jest wysoki, a prądy zwarciowe nadal rosną w wyniku łączenia systemów lub dalszej ekspansji pojemności, prosta wymiana wyłomników nie jest już wystarczająca. Istniejące stacje transformatorowe mogą wymagać nie tylko wymiany wyłomników, ale także wzmocnienia lub wymiany głównych transformatorów, przestawiaczy, transformatorków pomiarowych, szyn, izolatorów, konstrukcji, fundamentów i systemów uziemienia. Ponadto, linie komunikacyjne mogą wymagać ekranowania lub nawet przekształcenia w kablowe linie podziemne.

  Z powodu różnych czynników, nowe duże jednostki generacyjne i elektrownie są stale integrowane do sieci 220kV, co prowadzi do nadmiernie szybkiego wzrostu poziomu prądów zwarciowych. Przerwy w działaniu i wydajność dynamicznej stabilności wielu wyłomników 220kV — a nawet całych stacji transformatorowych — nie odpowiadają już rosnącym poziomom prądów zwarciowych, tworząc poważne wyzwania techniczne i ekonomiczne. Badania nad ograniczeniem prądów zwarciowych są więc pilnie potrzebne.

  ​1 Tradycyjne środki ograniczające prądy zwarciowe i ich ograniczenia​
  Ograniczenie prądów zwarciowych można rozpatrywać z perspektywy struktury systemu, działania i sprzętu. Tradycyjne środki obejmują następujące kategorie, ale każda ma istotne ograniczenia:

  • ​a. Dostosowanie struktury sieci​
    Obejmuje rozwój sieci o wyższych napięciach, podział sieci niskiego napięcia/szyn i separację sieci.
  • Rozwój sieci o wyższych napięciach: wymaga dużych inwestycji i wiąże się z kwestiami środowiskowymi.
  • Podział sieci niskiego napięcia/separacja: łatwe w implementacji, znaczny efekt ograniczający prądy zwarciowe, ale zmniejsza margines bezpieczeństwa systemu i ogranicza elastyczność operacyjną, co sprawia, że jest odpowiednie tylko w koniecznych scenariuszach.
  • ​b. Technologia łączenia DC​
    Łączenie DC może znacznie zmniejszyć prądy zwarciowe, ale inwestycja w stacje konwertorowe na obu końcach jest ekstremalnie wysoka. Dla krótkich łączeń z niewielkim wymianą mocy, to rozwiązanie jest ekonomicznie nierentowne.
  • ​c. Transformatory o wysokim oporze​
    Używanie transformatorów o wysokim oporze do ograniczenia prądów zwarciowych po stronie niskiego napięcia jest powszechnie stosowaną metodą. Jednak te transformatory mają większe straty w stanie ustalonym, co wpływa na ekonomię systemu.
  • ​d. Reaktory szeregowe​
    Reaktory szeregowe, z dojrzałą technologią produkcji i jasnym efektem ograniczającym prądy zwarciowe, są już używane w systemach pomocniczych elektrowni i stacjach transformatorowych 10–35kV. Jednak ich zastosowanie w systemach ultrawysokiego napięcia zwiększa straty sieciowe i zmniejsza stabilność systemu, co ogranicza ich przydatność.
  • ​e. Rozszerzenie pojemności sprzętu i modernizacja​
    Zastępowanie wyłomników i modernizacja istniejących stacji transformatorowych do obsługi wyższych prądów zwarciowych bezpośrednio rozwiązuje problem, ale wiąże się z wysokimi inwestycjami i złożonymi pracami budowlanymi, co prowadzi do niskiej efektywności ekonomicznej i terminowości.

  Biorąc pod uwagę istotne ograniczenia tradycyjnych środków, stało się konieczne opracowanie nowych urządzeń ograniczających prądy zwarciowe dostosowanych do nowoczesnych systemów energetycznych. Powstał wtedy Ograniczacz Prądów Zwarciowych (FCL), który jest również ważnym elementem Systemów Elastycznej Transmisji AC (FACTS).

  ​2 Zastosowanie Ograniczaczy Prądów Zwarciowych (FCL) w systemach energetycznych​

  ​2.1 Model i podstawowe zasady działania FCL​
  Podstawowa zasada działania FCL pochodzi z technologii ograniczania prądów przez reaktory szeregowe, poprawionej za pomocą elektroniki mocy, aby pokonać wady tradycyjnnych reaktorów szeregowych (np. wysokie straty w stanie ustalonym i wpływ na stabilność systemu). Jego podstawowy model można sformułować jako: "Brak reaktancji w normalnym działaniu; szybkie wstawienie reaktancji podczas uszkodzeń, aby ograniczyć prąd."

  • Normalne działanie: Urządzenie przełączające zamknięte, opór równoważny FCL bliski zero, bez wpływu na system.
  • Stan uszkodzenia: Szybkie otwarcie przełącznika, wstawienie reaktora ograniczającego prąd, aby zahamować prąd zwarciowy.

  Główne elementy FCL obejmują cztery kluczowe składniki:

  1. Szybki element detekcji prądu zwarciowego: monitoruje prąd systemu w czasie rzeczywistym i szybko identyfikuje uszkodzenia zwarciowe.
  2. Szybkie urządzenie przełączające: działa szybko podczas uszkodzeń, przełączając między stanami "bez reaktancji" i "z reaktancją".
  3. Reaktor ograniczający prąd: kluczowy element ograniczający prąd, hamujący prąd zwarciowy poprzez impedancję.
  4. Element ochronny przed nadnapięciem: zapobiega nadnapięciom podczas przełączania w przypadku uszkodzeń, chroniąc sprzęt systemu.

  ​2.2 Funkcje i wymagania projektowe FCL​

  ​2.2.1 Kluczowe funkcje FCL​
  FCL oferuje nowe podejście do ograniczania prądów zwarciowych w systemach energetycznych i jest kluczowym elementem nowoczesnych systemów energetycznych. Jego zalety obejmują:

  • Zmniejszenie obciążenia wyłomników: Wyższe napięcia odpowiadają większym, trudniejszym do przerwania prądom zwarciowym. FCL bezpośrednio zmniejsza prąd przerwania wyłomników, prolongując żywotność sprzętu.
  • Poprawa stabilności systemu: Szybkie ograniczanie prądów zwarciowych zmniejsza spadki napięcia na liniach i prawdopodobieństwo utraty synchronizacji generatorów, zwiększając stabilność kąta mocy, napięcia i częstotliwości.
  • Zwiększenie wykorzystania sprzętu i linii: Jeśli FCL działa przed osiągnięciem szczytowego prądu zwarciowego, zmniejsza wymagania dotyczące granic termicznej i dynamicznej stabilności, zwiększając rzeczywistą zdolność transmisyjną linii.
  • Optymalizacja jakości napięcia: Szybkie ograniczenie prądu przed usunięciem uszkodzenia skraca czas obniżenia napięcia na liniach nieuszkodzonych, zapewniając stabilność napięcia w sieci.
  • Zmniejszenie zakłóceń dla pobliskich obiektów: Ograniczanie prądów zwarciowych w sieciach wysokiego napięcia zmniejsza zakłócenia elektromagnetyczne dla pobliskich linii komunikacyjnych i systemów sygnalizacji kolejowej.

  ​2.2.2 Wymagania projektowe dla FCL​
  Aby dostosować się do charakterystyki działania systemów energetycznych, FCL musi spełniać następujące standardy projektowe:

  • Brak wpływu na system w normalnym działaniu (spadek napięcia bliski zeru).
  • Szybka reakcja podczas uszkodzeń (w ciągu 1-2 ms), ograniczanie zarówno szczytowych, jak i ustalonych prądów zwarciowych bez efektów ubocznych, takich jak nadnapięcia.
  • Automatyczne resetowanie po usunięciu uszkodzenia bez interwencji manualnej.
  • Brak zakłóceń w normalnej logice działania relé ochronnych.
  • Rozsądne koszty i wysoka rentowność, spełniające potrzeby zastosowań inżynierii.