Omejitev krajšega strmiha v elektroenergetskeh sistemih in uporaba omejevalcev strmih strmi (FCL)

0 Uvod​
Z razvojem električnih sistemov in naraščajočimi zahtevami po obremenitvi je vključevanje velikih enot za generiranje in opreme podstanič, še posebej z nastopom velikih elektrarn v središčih porabe in povezovanjem velikih električnih sistemov, neizbežno vodilo do stalnega naraščanja ravni tokov pri kratkem kolu. Brez učinkovitih omejevalskih ukrepov bi ta trend ne le znatno povečal investicije v opremo za nove podstanice, ampak bi tudi hudo vplival na komunikacijske linije in cevne sisteme obstoječih podstanič, kar bi lahko zahtevalo velike sredstva za prenovo in nadgradnjo.

V začetnih fazah razvoja sistema, ko je kapaciteta sistema majhna in so ravni tokov pri kratkem kolu nizki, se lahko rast tokov pri kratkem kolu običajno reši z zamenjavo preklopnikov - druga oprema podstanice običajno ima v tej fazi zadostno varnostno margino. Ko pa je kapaciteta električnega sistema velika, so ravni tokov pri kratkem kolu visoki in se tok pri kratkem kolu zaradi povezovanja sistemov ali dodatnega razširjanja kapacitete nadalje povečuje, ni več dovolj le zamenjave preklopnikov. Obstojčim podstaničam bi morda morale biti ne le zamenjane preklopnike, ampak bi bile potrebne tudi izboljšave ali zamenjave glavnih transformatorjev, odločilnikov, merilnih transformatorjev, napajalnih trakov, izolatorjev, struktur, temeljev in talovnih sistemov. Poleg tega bi bilo morda potrebno ščititi komunikacijske linije ali celo preoblikovati jih v podzemne komunikacijske kable.

Zaradi različnih dejavnikov se v omrežje 220 kV neprestano vključujejo nove velike enote za generiranje in elektrarne, kar vodi do prekomerno hitrega povečevanja ravni tokov pri kratkem kolu. Prekidna kapaciteta in dinamična stabilnost mnogih preklopnikov 220 kV - in celo celotnih podstanič - več ne morejo ustrezati naraščajočim ravnim tokov pri kratkem kolu, kar ustvarja resne tehnološke in gospodarske izzive. Zato je nujno potrebno raziskovanje omejevanja tokov pri kratkem kolu.

​1 Tradicionalni ukrepi za omejevanje tokov pri kratkem kolu in njihove omejitve​
Omejevanje tokov pri kratkem kolu se lahko obravnava iz perspektive strukture, delovanja in opreme sistema. Tradicionalni ukrepi vključujejo naslednje kategorije, vendar imajo vsi značilne omejitve:

• ​a. Prilagoditev strukture omrežja​
  Vključuje razvoj omrežij z višjimi napetostmi, razdelitev omrežij z nižjimi napetostmi / napajalnih trakov in ločitev omrežij.
• Razvoj omrežij z višjimi napetostmi: Zahteva velike investicije in vključuje okoljske skrbi.
• Razdelitev omrežij z nižjimi napetostmi / ločitev: Enostavno izvedljivo z značilnimi učinki omejevanja toka, vendar zmanjšuje varnostne marže sistema in omejuje operativno prožnost, zato je primeren le za potrebne situacije.
• ​b. Tehnologija DC povezovanja​
  DC povezovanje lahko značilno zmanjša tok pri kratkem kolu, vendar je investicija v pretvorniki na obeh koncih zelo visoka. Za kratka povezovanja z nizkim menjalnim snovnim tokom je ta rešitev gospodarsko neupravičena.
• ​c. Transformatorji z visokim uporom​
  Uporaba transformatorjev z visokim uporom za omejevanje tokov pri kratkem kolu na strani nizke napetosti je pogosto sprejet ukrep. Ti transformatorji vendar izkazujejo višje izgube med stabilnim delovanjem, kar vpliva na ekonomijo sistema.
• ​d. Serijski dušilniki​
  Serijski dušilniki, z zrelo proizvodnjo in jasnimi učinki omejevanja toka, so že uporabljeni v pomočnih sistemih elektrarn in podstanič 10-35 kV. Vendar njihova uporaba v ultra visokonapetostnih sistemih poveča izgube omrežja in zmanjša stabilnost sistema, kar omejuje njihovo primernost.
• ​e. Razširitev kapacitete opreme in prenova​
  Zamenjava preklopnikov in prenova obstoječih podstanič za reševanje višjih tokov pri kratkem kolu neposredno reši problem, vendar zahteva visoke investicije in kompleksno gradnjo, kar vodi do slabe ekonomske učinkovitosti in pravočasnosti.

Zaradi značilnih omejitev tradicionalnih ukrepov postaja nujno razvijanje novih naprav za omejevanje toka, prilagojenih sodobnim električnim sistemom. Omejevalnik toka pri kratkem kolu (FCL) se je izkazal kot rešitev in je tudi pomembna sestavina prilagodljivih AC prenosnih sistemov (FACTS).

​2 Uporaba omejevalnikov toka pri kratkem kolu (FCL) v električnih sistemih​

​2.1 Model in osnovni principi FCL​
Osnovni princip FCL izhaja iz tehnologije omejevanja toka s serijskimi dušilniki, izboljšan z močnostno elektroniko, da prepreči pomanjkljivosti tradicionalnih serijskih dušilnikov (npr. visoke izgube med stabilnim delovanjem in vpliv na stabilnost sistema). Njegov osnovni model se lahko abstrahuje kot: "Brez induktivnosti med normalnim delovanjem; hitro vstavljanje induktivnosti med napako za omejevanje toka."

• Normalno delovanje: Preklopna naprava zaprta, ekvivalentni upor FCL blizu nič, brez vpliva na sistem.
• Napaka: Hitro odpiranje preklopne naprave, vstavljanje dušilnika za omejevanje toka, da se zmanjša tok pri kratkem kolu.

Osnovni sestavni deli FCL vključujejo štiri ključne elemente:

1. Hiter element za zaznavanje toka pri kratkem kolu: V realnem času nadzira tok sistema in hitro zazna napake pri kratkem kolu.
2. Hita preklopna naprava: Hitro deluje med napakami, da preklopi med stanjema "brez induktivnosti" in "s induktivnostjo".
3. Dušilnik za omejevanje toka: Ključni sestavni del za omejevanje toka, ki zmanjša tok pri kratkem kolu z uporom.
4. Element za zaščito pred previsokimi napetostmi: Preprečuje previsoko napetost med preklopanjem napak, zaščiti opremo sistema.

​2.2 Funkcije in zahteve za dizajn FCL​

​2.2.1 Osnovne funkcije FCL​
FCL ponuja nov pristop k omejevanju toka pri kratkem kolu v električnih sistemih in je ključen sestavni del sodobnih električnih sistemov. Njegove prednosti vključujejo:

• Zmanjšanje bremena preklopnikov: Višje ravni napetosti so sorazmerno večji in težje prekinjivi tok pri kratkem kolu. FCL neposredno zmanjša prekinitveni tok preklopnikov, s čimer podaljša življenjsko dobo opreme.
• Izboljšanje stabilnosti sistema: Hitro omejevanje toka pri kratkem kolu zmanjša padec napetosti na linijah in verjetnost izstopanja generatorjev iz koraka, s čimer izboljša stabilnost močnega kota, napetosti in frekvence.
• Povečanje izkoriščenosti opreme in linij: Če FCL deluje pred dosego vrha toka pri kratkem kolu, zmanjša zahteve glede termalne in dinamske stabilnosti, s čimer poveča dejansko prenosno kapaciteto linij.
• Optimizacija kakovosti napetosti: Hitro omejevanje toka pred odpravljanjem napake zmanjša trajanje padca napetosti na nevnapadenih linijah, s čimer zagotovi stabilnost napetosti omrežja.
• Zmanjšanje motenj okoliščin: Omejevanje toka pri kratkem kolu v visokonapetostnih omrežjih zmanjša elektromagnetsko motnjo bližnjih komunikacijskih linij in sistemov za signalizacijo železnic.

​2.2.2 Dizajnske zahteve za FCL​
Da bi se prilagodil lastnostim delovanja električnega sistema, mora FCL izpolnjevati naslednje dizajnske standarde:

• Brez vpliva na sistem med normalnim delovanjem (padec napetosti blizu nič).
• Hitro odzivanje med napakami (v roku 1-2 ms), omejevanje jakosti in stabilnega toka pri kratkem kolu brez stranskih učinkov, kot so previsoke napetosti.
• Avtomatsko ponastavitev po odpravljanju napake brez ročnega posredovanja.
• Brez vpliva na normalno logiko delovanja zaščitnih rele.
• Ustrezen strošek in visoka gospodarska učinkovitost, da bi izpolnjevala potrebe za uporabo v energetski inženirstvu.

​2.3 Primerjava različnih implementacijskih shem FCL​

​2.3.1 Primerjava shem​

• ​Zaključek: FCL iz novih materialov (špecialno superprovodnih) in FCL z močnostno elektroniko so trenutno optimalne rešitve. Prvi je preprost in zanesljiv, a omejen s tehnologijo materialov; drugi ponuja močno kontrollabilnost, in s padanjem stroškov močnostne elektronike, postaja inženirska izvedljivost, kar ga čini najbolj obetavnim smerjo raziskovanja in razvoja.

​2.5 Prihodnje smeri raziskovanja FCL​
Prihodnje raziskovanje FCL bi moralo biti usmerjeno na "optimizacijo zmogljivosti, integracijo funkcij in inženirske prilagoditve." Ključne smeri vključujejo:

1. Neprekinjeno prilagodljivi prevajalniki upora: Nadaljnje razvoj prevajalnikov upora, ki presegajo sedanjo omejitev "dveh stanj upora (nič ali neskončno)", da bi razvili odzivne, neprekinjeno prilagodljive prevajalnike upora, ki dinamično prilagajajo višji upor večjim tokom pri kratkem kolu. Ti bi morali vključevati kompenzacijo faktorja moči in absorpcijo previsokih napetosti, kombinirane z teorijami nadzora (npr. negativna povratna zanka, PID nadzor), da bi izboljšali avtomatizacijo sistema.
2. Integracija z nadzorniki FACTS: Razvoj celovitih nadzornih naprav, ki združujejo FCL z drugimi komponentami FACTS (npr. SVG, SVC), da bi izboljšali celoten gospodarski učinek in spodbudili nadzorno AC prenos in distribucijo.
3. Temeljni tehnični skoki napredek:
• Mehanizmi vpliva FCL na stabilnost električnega sistema.
• Logika koordinacije med FCL in zaščitnimi rele.
• Optimizacija sistemov za hitro zaznavanje napak in nadzornikov.
• Učinki FCL na kakovost energije (npr. harmoniki, fluktuacije napetosti) in ukrepi za zmanjšanje.

​3 Zaključek​

• a. Omejevanje toka pri kratkem kolu v električnih sistemih je postalo ključno vprašanje, ki zahteva nujno reševanje. Kot nova zaščitna naprava ponuja omejevalnik toka pri kratkem kolu (FCL) učinkovito rešitev, in razvoj FCL, prilagojenih sodobnim omrežjem, ima veliko teoretično in inženirska vrednost.
• b. FCL z močnostno elektroniko že imajo teoretično podlago in inženirska izvedljivost. Njihova odlična kontrolna zmogljivost in padajoči stroški močnostne elektronike kažejo na široko perspektivo razvoja.
• c. S napredujočim razvojem tehnologij FACTS/CusPow bi FCL, kot ključni član družine FACTS, moral ne le samostojno reševati težave omejevanja toka v prenosnih in distribucijskih omrežjih, ampak bi se tudi sodeloval z drugimi nadzorniki FACTS, da bi še bolj spodbudili razvoj nadzorne AC prenose in distribucije.