د پاور سیسټمونو کې کورټ شوي Strom محدودت او Fault Current Limiters (FCL) کارول

0 مقدمه​
مع تطور أنظمة الطاقة وزيادة الطلب على الأحمال، فإن دمج الوحدات الكهربائية ذات السعة الكبيرة ومعدات المحطات الكهربائية—خاصة ظهور محطات الطاقة الكبيرة في مراكز الأحمال والربط بين أنظمة الطاقة الكبيرة—قد أدى بالضرورة إلى ارتفاع مستمر في مستويات التيار القصير. بدون تدابير فعالة للحد من ذلك، سينتج عن هذا الاتجاه ليس فقط زيادة كبيرة في استثمارات المعدات للمحطات الجديدة ولكن أيضًا تأثير كبير على خطوط الاتصال والأنبوبية لمعدات المحطات الموجودة، مما قد يتطلب أموالًا كبيرة للاستبدال والتحديث.

في مراحل مبكرة من تطور النظام، عندما تكون سعة النظام صغيرة ومستويات التيار القصير منخفضة، يمكن عادةً التعامل مع زيادة التيار القصير عن طريق استبدال أجهزة التحويل—غالبًا ما يكون لدى باقي معدات المحطة هامش كافٍ في هذه المرحلة. ومع ذلك، عندما تكون سعة نظام الطاقة كبيرة ومستويات التيار القصير عالية وتستمر في الارتفاع بسبب الربط بين الأنظمة أو توسيع السعة، لا يكفي الاستبدال ببساطة لأجهزة الفصل. قد تتطلب المحطات الموجودة ليس فقط استبدال أجهزة الفصل ولكن أيضًا تعزيز أو استبدال المحولات الرئيسية وأجهزة الفصل والمتحولات الحالية والحافلات والعوازل والبنى التحتية وأنظمة الأرض. بالإضافة إلى ذلك، قد تحتاج خطوط الاتصال إلى التحصين أو حتى تحويلها إلى كابلات اتصال تحت الأرض.

بسبب عوامل مختلفة، يستمر دمج الوحدات الكهربائية ذات السعة الكبيرة والمحطات الكهربائية في شبكة 220 كيلوفولت، مما يؤدي إلى زيادة سريعة جدًا في مستويات التيار القصير. لقد أصبحت قدرة الانقطاع الديناميكي والاستقرار للأداء لكثير من أجهزة الفصل بـ 220 كيلوفولت—وحتى المحطات بأكملها—غير متوافقة مع المستويات المتزايدة للتيار القصير، مما يخلق تحديات تقنية واقتصادية خطيرة. لذلك، أصبح البحث عن حدود التيار القصير أمرًا ملحًا.

​1 الإجراءات التقليدية لتحديد التيار والتقييدات المرتبطة بها​
يمكن معالجة تحديد التيار القصير من منظوري الهيكل التشغيلي والمعدات. تشمل الإجراءات التقليدية الفئات التالية، ولكن لكل منها تقييدات كبيرة:

• ​أ. تعديل هيكل الشبكة​
  يشمل تطوير شبكات ذات فولتية أعلى، وتقسيم شبكات الجهد المنخفض / الحافلات، وفصل الشبكة.
• تطوير شبكات ذات فولتية أعلى: يتطلب استثمارات كبيرة ويتعلق بالمخاوف البيئية.
• تقسيم شبكات الجهد المنخفض / الفصل: سهل التنفيذ ولديه تأثير كبير في تحديد التيار ولكنه يقلل من هوامش الأمان في النظام ويحد من المرونة التشغيلية، مما يجعله مناسبًا فقط للحالات الضرورية.
• ​ب. تقنية الربط المباشر​
  يمكن أن يقلل الربط المباشر بشكل كبير من التيار القصير، ولكن الاستثمار في محطات التحويل في الطرفين مرتفع للغاية. بالنسبة للروابط القصيرة بتبادل قليل للطاقة، فإن هذه الحل غير مجدية اقتصاديًا.
• ​ج. المحولات ذات المقاومة العالية​
  استخدام المحولات ذات المقاومة العالية لتقييد التيار القصير على الجانب ذو الجهد المنخفض هو إجراء شائع. ومع ذلك، فإن هذه المحولات تظهر خسائر أعلى أثناء التشغيل الثابت، مما يؤثر على الاقتصاديات النظام.
• ​د. المفاعلات المتسلسلة​
  المفاعلات المتسلسلة، مع تكنولوجيا تصنيع ناضجة وتأثير واضح في تحديد التيار، يتم استخدامها بالفعل في أنظمة المساعدة في محطات الطاقة وفي محطات التحويل 10–35 كيلوفولت. ومع ذلك، فإن تطبيقها في أنظمة الجهد الفائق يزيد من خسائر الشبكة ويقلل من استقرار النظام، مما يحد من ملاءمتها.
• ​ه. توسيع طاقة المعدات وإعادة التجهيز​
  استبدال أجهزة الفصل وإعادة تجهيز المحطات الموجودة للتعامل مع التيار القصير الأعلى يعالج المشكلة مباشرة ولكن يتضمن استثمارًا عاليًا وبناءً معقدًا، مما يؤدي إلى كفاءة اقتصادية وتوقيت ضعيف.

نظرًا للتقييدات الكبيرة للإجراءات التقليدية، أصبح من الضروري تطوير أجهزة جديدة لتحديد التيار متكيفة مع أنظمة الطاقة الحديثة. وقد ظهر محدد التيار القصير (FCL) كحل وهو أيضًا مكون مهم لنظم النقل المرن للتيار المتردد (FACTS).

​2 تطبيق محددات التيار القصير (FCL) في أنظمة الطاقة​

​2.1 نموذج ومبادئ أساسية لـ FCL​
يعتمد المبدأ الأساسي لـ FCL على تقنية تحديد التيار باستخدام المفاعلات المتسلسلة، مع تحسينها بتكنولوجيا الإلكترونيات الكهربائية للتغلب على عيوب المفاعلات المتسلسلة التقليدية (مثل الخسائر العالية أثناء التشغيل الثابت والتاثير على استقرار النظام). يمكن تبسيط نموذجه الأساسي إلى: "لا توجد معاوقة أثناء التشغيل الطبيعي؛ إدخال المعاوقة بسرعة أثناء الأعطال لتقييد التيار."

• خلال التشغيل الطبيعي: جهاز التحويل مغلق، مكافئ المعاوقة لـ FCL قريب من الصفر، ولا تأثير على النظام.
• حالة العطل: يفتح الجهاز بسرعة، مما يؤدي إلى إدخال مفاعل التحديد للتيار لتقليل التيار القصير.

تشمل المكونات الأساسية لـ FCL أربعة عناصر رئيسية:

1. عنصر الكشف السريع عن التيار القصير: يقوم بمراقبة التيار النظام بوقت حقيقي ويحدد بسرعة أعطال التيار القصير.
2. جهاز التحويل السريع: يعمل بسرعة أثناء الأعطال ليقوم بالتحويل بين حالات "لا معاوقة" و"معاوقة".
3. مفاعل التحديد للتيار: المكون الرئيسي لتقييد التيار، يحد من التيار القصير عبر المعاوقة.
4. عنصر حماية الجهد الزائد: يمنع الجهد الزائد أثناء التحويل أثناء العطل، مما يحمي معدات النظام.

​2.2 الوظائف ومتطلبات التصميم لـ FCL​

​2.2.1 الوظائف الأساسية لـ FCL​
يوفر FCL نهجًا جديدًا لتقييد التيار القصير في أنظمة الطاقة وهو مكون أساسي لأنظمة الطاقة الحديثة. ومن بين مزاياه:

• تخفيض العبء على أجهزة الفصل: تتوافق مستويات الجهد الأعلى مع تيارات أعطال أكبر وأصعب للفصل. يقلل FCL مباشرة من التيار الذي يجب فصله بواسطة أجهزة الفصل، مما يطيل عمر المعدات.
• تحسين استقرار النظام: يساهم تحديد التيار القصير بسرعة في تقليل انخفاض الجهد على الخطوط وتقليل احتمالية فقدان الخطوة للمولدات، مما يعزز استقرار الزاوية الكهربية والجهد والتردد.
• زيادة استخدام المعدات والخطوط: إذا عمل FCL قبل الوصول إلى ذروة التيار القصير، فإنه يقلل من متطلبات الحدود الحرارية والاستقرار الديناميكي، وبالتالي يزيد من قدرة النقل الفعلية للخطوط.
• تحسين جودة الجهد: يقصر تحديد التيار بسرعة قبل فصل العطل فترة انخفاض الجهد على الخطوط غير المعيبة، مما يضمن استقرار جهد الشبكة.
• تخفيض التداخل مع المرافق المحيطة: يقلل تقييد التيار القصير في شبكات الجهد العالي من التداخل الكهرومغناطيسي مع خطوط الاتصال المجاورة وأنظمة الإشارات الحديدية.

​2.2.2 متطلبات التصميم لـ FCL​
لكي يناسب خصائص تشغيل أنظمة الطاقة، يجب أن يلبي FCL المعايير التصميمية التالية:

• لا تأثير على النظام أثناء التشغيل الطبيعي (انخفاض الجهد قريب من الصفر).
• رد فعل سريع أثناء الأعطال (ضمن 1–2 مللي ثانية)، يحد من التيار القصير الذروي والثابت دون آثار جانبية مثل الجهد الزائد.
• إعادة الضبط التلقائي بعد فصل العطل دون تدخل بشري.
• لا تداخل مع منطق التشغيل الطبيعي لأجهزة الحماية.
• تكلفة معقولة وكفاءة تكلفة عالية، تلبي احتياجات التطبيقات الهندسية.

​2.3 مقارنة بين مختلف أنظمة تنفيذ FCL​

​2.3.1 مقارنة بين الأنظمة​

• ​สรุป: FCL บนพื้นฐานของวัสดุใหม่ (โดยเฉพาะซูเปอร์คอนดักเตอร์) และ FCL อิเล็กทรอนิกส์กำลัง เป็นทางออกที่เหมาะสมที่สุดในปัจจุบัน แบบแรกมีโครงสร้างเรียบง่ายและน่าเชื่อถือ แต่จำกัดโดยเทคโนโลยีวัสดุ ในขณะที่แบบหลังมีความสามารถในการควบคุมที่แข็งแกร่ง และด้วยต้นทุนของอิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ลดลง ทำให้เป็นทางออกที่สามารถนำไปใช้งานได้จริง และเป็นทิศทางการวิจัยและพัฒนาที่มีแนวโน้มมากที่สุด

​2.5 ทิศทางการวิจัยในอนาคตสำหรับ FCL​
การวิจัยในอนาคตเกี่ยวกับ FCL ควรเน้นที่ "การปรับปรุงประสิทธิภาพ การรวมฟังก์ชัน และการปรับตัวทางวิศวกรรม" ทิศทางสำคัญรวมถึง:

1. เครื่องแปลงอิมพีแดนซ์ที่สามารถปรับได้ต่อเนื่อง: ขยายขอบเขตจาก "อิมพีแดนซ์สองสถานะ (ศูนย์หรืออนันต์)" ปัจจุบัน เพื่อพัฒนาเครื่องแปลงอิมพีแดนซ์ที่ตอบสนองได้และสามารถปรับได้ต่อเนื่อง ซึ่งสามารถจับคู่อิมพีแดนซ์ที่สูงขึ้นกับกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้น โดยรวมถึงการชดเชยแฟคเตอร์กำลังและการดูดซับแรงดันสูงร่วมกับทฤษฎีการควบคุม (เช่น วงจรป้อนกลับลบ, PID control) เพื่อเพิ่มการควบคุมอัตโนมัติของระบบ
2. การรวมกับตัวควบคุม FACTS: พัฒนาอุปกรณ์ควบคุมแบบครบวงจรที่รวม FCL กับองค์ประกอบ FACTS อื่น ๆ (เช่น SVG, SVC) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจโดยรวมและส่งเสริมระบบการส่งและกระจายพลังงานที่ควบคุมได้
3. การผ่านทางเทคโนโลยีสำคัญ:
• กลไกผลกระทบของ FCL ต่อเสถียรภาพของระบบไฟฟ้า
• ตรรกะการประสานงานระหว่าง FCL และตัวคุ้มครองรีเลย์
• การปรับปรุงระบบตรวจจับสัญญาณข้อผิดพลาดที่รวดเร็วและตัวควบคุม
• ผลกระทบของ FCL ต่อคุณภาพไฟฟ้า (เช่น ฮาร์โมนิก, ความผันผวนของแรงดัน) และมาตรการบรรเทา

​3 สรุป​

• a. การจำกัดกระแสไฟฟ้าสั้นในระบบไฟฟ้ากลายเป็นปัญหาสำคัญที่ต้องแก้ไขอย่างเร่งด่วน ด้วย FCL ซึ่งเป็นอุปกรณ์ป้องกันใหม่ นำเสนอทางออกที่มีประสิทธิภาพ และการพัฒนา FCL ที่เหมาะสมกับตารางไฟฟ้าสมัยใหม่มีคุณค่าทางทฤษฎีและวิศวกรรมอย่างมาก
• b. FCL บนพื้นฐานของอิเล็กทรอนิกส์กำลัง มีพื้นฐานทางทฤษฎีและสามารถนำไปใช้งานได้จริงแล้ว ด้วยประสิทธิภาพการควบคุมที่ยอดเยี่ยมและการลดลงของต้นทุนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง แสดงถึงโอกาสในการพัฒนาที่กว้างขวาง
• c. ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยี FACTS/CusPow ที่ก้าวหน้า FCL ในฐานะสมาชิกหลักของครอบครัว FACTS ควรมีความสามารถในการแก้ไขปัญหาการจำกัดกระแสในระบบส่งและกระจายพลังงานอย่างอิสระ และทำงานร่วมกับตัวควบคุม FACTS อื่น ๆ เพื่อส่งเสริมการพัฒนาระบบการส่งและกระจายพลังงานที่ควบคุมได้