Ograničenje strujnog preopterećenja u elektroenergetskim sistemima i primena ograničivača struja greške (FCL)

0 Uvod​
Sa razvojem sistema električne energije i porastom potrebe za opterećenjem, integracija velikih jedinica proizvodnje i opreme u transformatornim staniciama—posebno pojavljivanje velikih elektrana u centrima potrošnje i povezivanje velikih sistema električne energije—neizbežno dovodi do kontinuiranog porasta nivoa strujnih prekida. Bez efikasnih mera ograničavanja, ova tendencija ne bi samo značajno povećala ulaganja u opremu za nove transformatorne stanice, već bi i ozbiljno uticala na komunikacione linije i cjevovode postojeće opreme, čime bi se mogao zahtevati značajan kapital za renovaciju i unapređenje.

U ranoj fazi razvoja sistema, kada je kapacitet sistema mali i nivoi strujnih prekida niski, povećanje strujnih prekida može se obično rešiti zamjenom prekidaca—druga oprema u transformatornim stanicama često ima dovoljan rezerv u toj fazi. Međutim, kada je kapacitet sistema električne energije veliki, nivoi strujnih prekida visoki, a strujni prekidi nastavljaju da rastu zbog povezivanja sistema ili daljeg proširenja kapaciteta, jednostavna zamjena prekidaca više nije dovoljna. Postojeće transformatorne stanice bi možda morale da ne samo zamene prekidače, već i unaprede ili zamene glavne transformatore, prekidače, instrumentne transformatore, magistralne šine, izolatore, konstrukcije, temelje i sisteme zemljanja. Takođe, komunikacionim linijama bi možda bilo potrebno osiguranje ili čak pretvaranje u podzemne komunikacione kabelske mreže.

Zbog različitih faktora, novi veliki kapaciteti proizvodnje i elektrane nastavljaju da se integrišu u 220kV mrežu, što dovodi do previše brzog porasta nivoa strujnih prekida. Prekidna sposobnost i dinamička stabilnost mnogih 220kV prekidaca—čak i celih transformatornih stanica—više ne odgovaraju rastućim nivoima strujnih prekida, što stvara ozbiljne tehničke i ekonomske izazove. Stoga je hitno potrebno istraživanje ograničavanja strujnih prekida.

​1 Tradicionalne mere ograničavanja strujnih prekida i njihove ograničenja​
Ograničavanje strujnih prekida može se posmatrati s aspekta strukture sistema, operacije i opreme. Tradične mere uključuju sljedeće kategorije, ali svaka ima značajna ograničenja:

• ​a. Prilagođavanje strukture mreže​
  Uključuje razvoj mreža sa višim napetostima, razdvajanje mreža sa nižim napetostima/magistralnih šina i separaciju mreže.
• Razvoj mreža sa višim napetostima: Zahteva velika ulaganja i uključuje ekološke brige.
• Razdvajanje mreža sa nižim napetostima/separacija: Jednostavno za implementaciju sa značajnim efektima ograničavanja strujnih prekida, ali smanjuje sigurnosne margine sistema i ograničava fleksibilnost operacije, pa je pogodno samo za nužne situacije.
• ​b. Tehnologija DC interkonekcije​
  DC interkonekcija može značajno smanjiti strujne prekide, ali ulaganje u konverterne stanice na oba kraja je izuzetno visoko. Za kratke interkonekcije sa niskim razmenom snage, ovo rešenje nije ekonomski isplativo.
• ​c. Transformatori visokog impedansa​
  Korišćenje transformatora visokog impedansa za ograničavanje strujnih prekida na strani niske napetosti je često prihvaćena mera. Međutim, ti transformatori pokazuju veće gubitke tijekom stabilnog rada, što utiče na ekonomiju sistema.
• ​d. Serijski reaktori​
  Serijski reaktori, sa zreloj tehnologijom proizvodnje i jasnim efektima ograničavanja strujnih prekida, već se koriste u pomoćnim sistemima elektrana i 10–35kV transformatornim stanicama. Međutim, njihova primjena u ultravisko-naponskim sistemima povećava gubitke mreže i smanjuje stabilnost sistema, ograničavajući njihovu primenjivost.
• ​e. Proširenje kapaciteta opreme i rekonstrukcija​
  Zamjena prekidaca i rekonstrukcija postojećih transformatornih stanica kako bi se nosile s većim strujnim prekidima direktno rešavaju problem, ali zahtevaju velika ulaganja i složenu konstrukciju, što rezultira lošom ekonomskom efikasnošću i pravovremenosti.

Zbog značajnih ograničenja tradicionalnih mera, postalo je neophodno razvijanje novih uređaja za ograničavanje strujnih prekida prilagođenih modernim sistemima električne energije. Ograničivač strujnih prekida (FCL) nastao je kao rešenje i predstavlja važnu komponentu Fleksibilnih AC prenosnih sistema (FACTS).

​2 Primjena ograničivača strujnih prekida (FCL) u sistemima električne energije​

​2.1 Model i osnovni principi FCL-a​
Osnovni princip FCL-a izveden je iz tehnologije ograničavanja strujnih prekida serijskim reaktorima, poboljšan putem elektronike snage kako bi se prekošli nedostaci tradicionalnih serijskih reaktora (npr. visoki gubitci tijekom stabilnog rada i uticaji na stabilnost sistema). Njegov jezgreni model može se apstrahovati kao: "Bez reaktivnog otpora tijekom normalnog rada; brzo ubacivanje reaktivnog otpora tijekom grešaka kako bi se ograničila struja."

• Normalna operacija: Prekidač je zatvoren, ekvivalentni impedans FCL-a je blizu nule, bez uticaja na sistem.
• Stanje greške: Brzi otvaranje prekidača, ubacivanje ograničivača strujnih prekida kako bi se supresirao strujni prekid.

Jezgrene komponente FCL-a uključuju četiri ključna elementa:

1. Brzi element detekcije strujnih prekida: Monitiori struju u sistemu u stvarnom vremenu i brzo identifikuje strujne prekide.
2. Brzi prekidač: Djeluje brzo tijekom grešaka kako bi se prebacio između stanja "bez reaktivnog otpora" i "sa reaktivnim otporom".
3. Ograničivač strujnih prekida: Jezgreni ograničivač strujnih prekida, koji supresira strujne prekide putem impedansa.
4. Element zaštite od prekomjerne napetosti: Sprječava prekomjerne napetosti tijekom prebacivanja tijekom grešaka, štiti opremu sistema.

​2.2 Funkcije i zahtjevi za dizajn FCL-a​

​2.2.1 Jezgrena funkcija FCL-a​
FCL pruža novi pristup ograničavanju strujnih prekida u sistemima električne energije i predstavlja ključnu komponentu modernih sistema električne energije. Njegove prednosti uključuju:

• Smanjenje opterećenja prekidaca: Viši nivoi napetosti odgovaraju većim, težim za prekid strujnim prekidima. FCL direktno smanjuje prekidnu struju prekidaca, produžujući vijek trajanja opreme.
• Poboljšanje stabilnosti sistema: Brzo ograničavanje strujnih prekida smanjuje pad napona na linijama i vjerojatnost izvanfaza generatora, poboljšavajući stabilnost ugla snage, napona i frekvencije.
• Povećanje iskorištenja opreme i linija: Ako FCL djeluje prije vrha strujnih prekida, smanjuje zahtjeve za termalnim i dinamičkim granicama stabilnosti, time povećavajući stvarnu prenosnu sposobnost linija.
• Optimizacija kvalitete napona: Brzo ograničavanje struje prije otklanjanja grešaka skraćuje trajanje padova napona na nenarušenim linijama, osiguravajući stabilnost napona mreže.
• Smanjenje interferencije sa okolinom: Ograničavanje strujnih prekida u visokonaponskim mrežama smanjuje elektromagnetsku interferenciju s bližnjim komunikacionim linijama i sistemima signalizacije železnica.

​2.2.2 Zahtjevi za dizajn FCL-a​
Da bi se prilagodio karakteristikama rada sistema električne energije, FCL mora zadovoljavati sljedeće standardne zahtjeve za dizajn:

• Bez uticaja na sistem tijekom normalne operacije (pad napona blizu nule).
• Brza reakcija tijekom grešaka (unutar 1–2 ms), ograničavanje vrha i stabilnog strujnog prekida bez sekundarnih efekata poput prekomjerne napetosti.
• Automatsko resetovanje nakon otklanjanja greške bez ručnog intervencije.
• Bez interferencije sa normalnom logikom radnog dijagrama zaštitnih releja.
• Razumna cena i visoka ekonomija, zadovoljava potrebe inženjerske primjene.

​2.3 Uporedba različitih shema implementacije FCL-a​

​2.3.1 Uporedba shema​

• ​Zaključak: FCL-ovi bazirani na novim materijalima (posebno superprovodnicima) i elektronici snage su trenutno optimalna rešenja. Prvi je jednostavan i pouzdan, ali ograničen tehnologijom materijala; drugi nudi snažnu kontrolu, a s padanjem cijena elektronike snage, postao je inženjerski izvediv, što ga čini najobećavajućim smjerom R&D.

​2.5 Buduće smjerove istraživanja FCL-a​
Buduće istraživanje FCL-a treba da se fokusira na "optimizaciju performansi, integraciju funkcija i inženjersku adaptaciju." Ključni smjerovi uključuju:

1. Neprekidno prilagodljivi konvertori impedansa: Prolazeći preko trenutnog ograničenja "dva stanja impedansa (nula ili beskonačno)" za razvoj odgovornih, neprekidno prilagodljivih konverzora impedansa koji dinamički usklađuju viši impedans s većim strujnim prekidima. Takođe bi trebalo kombinovati kompenzaciju faktora snage i apsorpciju prekomjerne napetosti, kombinirano sa teorijama kontrole (npr. negativna povratna informacija, PID kontrola) kako bi se poboljšala automatizacija sistema.
2. Integracija sa kontrolerima FACTS: Razvoj kompleksnih kontrolnih uređaja koji kombiniraju FCL sa drugim komponentama FACTS (npr. SVG, SVC) kako bi se poboljšala ukupna ekonomija i napredovali kontrolabilni AC prenosni i distribucijski sistemi.
3. Ključni tehnološki propusti:
• Mehanizmi uticaja FCL-a na stabilnost sistema električne energije.
• Logika koordinacije između FCL-a i zaštitnih releja.
• Optimizacija ultra-brzih sistema detekcije signala grešaka i kontrolera.
• Uticaji FCL-a na kvalitet struje (npr. harmonici, fluktuacije napona) i mjere smanjenja.

​3 Zaključak​

• a. Ograničavanje strujnih prekida u sistemima električne energije postalo je ključni problem koji zahteva hitno rešenje. Kao novi zaštitni uređaj, Ograničivač strujnih prekida (FCL) pruža efikazno rešenje, a razvoj FCL-a prilagođenih modernim mrežama ima značajnu teorijsku i inženjersku vrijednost.
• b. FCL-ovi bazirani na elektronici snage već imaju teorijsku osnovu i inženjersku praktičnost. Njihove izvanredne kontrolne performanse i padajuće cijene elektronike snage ukazuju na široke perspektive razvoja.
• c. Sa napretkom tehnologija FACTS/CusPow, FCL—kao ključni član porodice FACTS—trebao bi ne samo nezavisno rešavati probleme ograničavanja strujnih prekida u prenosnim i distribucijskim mrežama, već i surađivati s drugim kontrolerima FACTS kako bi se dodatno promovirao razvoj kontrolabilnih AC prenosnih i distribucijskih sistema.