Uchunguzi wa Mwendo wa Umeme na Matumizi ya Fault Current Limiters (FCL)

0 Upatikanaji​
Kwa maendeleo ya mifumo ya umeme na maombi yasiyofikia za ongezeko la mwendo, uunganishaji wa vifaa vya kutengeneza kubwa na vifaa vya substation—kwa ujumla kuonyesha ukurugenzi wa viwanja vya nguvu makubwa katika kituo cha mwendo na uunganishaji wa mifumo makubwa ya umeme—umeleta ongezeko la muda wa kiwango cha magari ya short-circuit. Bila hatua za kukidhi zisizo na tathmini, tenda hii itakuwa inaweza kusababisha ongezeko la juu la sarafu kwa majengo mpya ya substations na pia kuharibu mstari wa mawasiliano na mifupa ya vifaa vilivyopo, ambayo inaweza kutaka fedha nyingi kwa ajili ya upanuzi na uzalishaji.

Kwenye hatua za awali za maendeleo ya mifumo, wakati ukubwa wa mifumo ni ndogo na kiwango cha magari ya short-circuit ni chache, ongezeko la magari ya short-circuit linaweza kutatuliwa kwa kubadilisha vifaa vya kutumia—vifaa vingine vya substation mara nyingi vinajitokezea kama vina ustawi mzuri sasa. Lakini, wakati ukubwa wa mifumo ya umeme unapoongezeka, kiwango cha short-circuit kinachopo kwa juu, na magari ya short-circuit yanavyoendelea kongezeka kutokana na uunganishaji wa mifumo au uzalishaji wa ukubwa, kubadilisha tu circuit breakers haikuwa inasafi. Viwanja vilivyopo vilivyo vyeweza kutarajihiwa kubadilisha au kuzalishwa kwa kutosha vifaa kama transformer mkuu, disconnectors, instrument transformers, busbars, insulators, structures, misingi, na mifumo ya grounding. Pia, mitandao ya mawasiliano yanaweza kutarajihiwa kushindwa au hata kutumia kabla cables za mawasiliano.

Kwa sababu nyingi, vifaa vya kutengeneza nguvu vya ukubwa na viwanja vya nguvu vya ukubwa wanavunjiwa kwa muda kwa grid 220kV, kufanya kwa hiari kwa kiwango cha magari ya short-circuit. Uwezo wa kupunguza na ustawi wa dynamic wa wengi wa circuit breakers 220kV—na hata substations zote—haikuwa zinaweza kudumu kwa kiwango cha magari kilichounganisha, kutoa changamoto tekniki na kiuchumi kubwa. Kwa hiyo, utafiti wa kidhibiti ya magari ya short-circuit unaonekana kuwa muhimu sana.

​1 Hatua Za Kidhibiti Ya Magari Ya Short-Circuit Na Mipaka Yake​
Kidhibiti cha magari ya short-circuit linaweza kutatuliwa kutoka kwa mtazamo wa muundo, matumizi, na vifaa. Hatua za zamani zinajumuisha kategoria ifuatayo, lakini kila moja ina mipaka kubwa:

• ​a. Usimamizi Wa Muundo Wa Grid​
  Inajumuisha kutengeneza grids za kiwango cha juu, kugawa grids za kiwango cha chini/busbars, na kutengeneza separation ya grid.
• Kutengeneza grids za kiwango cha juu: Inahitaji sarafu nyingi na kuhusu maswala ya mazingira.
• Gawa/separation ya grids za kiwango cha chini: Inaweza kutatuliwa rahisi na na athari kubwa ya kidhibiti, lakini inapunguza ustawi wa usalama wa mifumo na kuzuia uruhusu wa matumizi, kufanya kwa hiari inaweza kutumika tu kwa hatua zinazohitajika.
• ​b. Teknolojia Ya Interconnection Ya DC​
  Interconnection ya DC inaweza kupunguza magari ya short-circuit kwa kiasi kubwa, lakini sarafu kwa converter stations yenye mbili inaweza kuwa ikubwa sana. Kwa interconnections fupi na usambazaji wa nguvu chache, suluhisho hili si kifedheni.
• ​c. Transformers Wa Impedance Iliyojuu​
  Tumia transformers wa impedance iliyojuu kutatuliwa magari ya short-circuit upande wa chini ni hatua iliyopitishwa sana. Hata hivyo, transformers haya hujihisi hasara kubwa wakati wa matumizi ya kawaida, kufanya kwa hiari kuharibi system economy.
• ​d. Reactors Vya Series​
  Reactors vya series, na teknolojia ya kutengeneza imara na athari ya kidhibiti zenye uhakika, tayari zinatumika katika mfumo wa msaada wa power plant na substations 10–35kV. Hata hivyo, matumizi yao katika mifumo ya ultra-high-voltage huongeza losses za network na kupunguza ustawi wa system, kufanya kwa hiari kuharibi uruhusu wao.
• ​e. Uzalishaji Wa Ukubwa Wa Vifaa Na Upanuzi​
  Kubadilisha circuit breakers na kuzalisha tena substations zilizopo kusikia magari ya short-circuit kwa juu hutatuliwa kwa kutosha, lakini inahitaji sarafu nyingi na kazi ya kubuni, kufanya kwa hiari kuharibi ustawi wa kiuchumi na timeliness.

Kwa sababu ya mipaka mikubwa ya hatua za zamani, kutengeneza vifaa vya kidhibiti vya magari mapya yanayoweza kutumika kwa mifumo ya umeme ya kisasa imekuwa muhimu. Fault Current Limiter (FCL) imekuwa suluhisho na pia ni sehemu muhimu ya Flexible AC Transmission Systems (FACTS).

​2 Matumizi Ya Fault Current Limiters (FCL) Katika Mifumo Ya Umeme​

​2.1 Modeli Na Mfano Wa Msingi Wa FCL​
Mfano msingi wa FCL unategemea kwa teknolojia ya kidhibiti ya reactors vya series, iliyobadilishwa kwa teknolojia ya power electronics ili kutatuliwa vitu vya vibaya vya reactors vya series za zamani (mfano, losses za steady-state kali na athari kwa ustawi wa system). Modeli yake ya muhimu inaweza kuanza kama: "Hakuna reactance wakati wa matumizi ya kawaida; insert reactance kwa haraka wakati wa magari ya short-circuit."

• Matumizi ya kawaida: Vifaa vya switch vimefungwa, equivalent impedance ya FCL ni karibu sifuri, hakuna athari kwa system.
• Hali ya magari: Switch inafunguka kwa haraka, inaweza kutumia current-limiting reactor kumpiga magari ya short-circuit.

Vifaa muhimu vya FCL vinajumuisha vitu vitatu muhimu:

1. Eneo linalowezekana kwa haraka la detection ya magari ya fault: Inaangalia magari ya system kwa muda na kuhakikisha kwa haraka faults za short-circuit.
2. Vifaa vya switch vya haraka: Vinatenda kwa haraka wakati wa faults kubadilisha kati ya "hakuna reactance" na "reactance" states.
3. Current-limiting reactor: Eneo linalowezekana muhimu la kidhibiti, kumpiga magari ya short-circuit kwa kutumia impedance.
4. Eneo linalowezekana la protection ya overvoltage: Kilindia overvoltage wakati wa switching ya fault, kilindia vifaa vya system.

​2.2 Vigezo Na Matumizi Ya FCL​

​2.2.1 Vigezo Vyake Vya Muhimu Ya FCL​
FCL inatoa njia mpya ya kidhibiti ya magari ya fault katika mifumo ya umeme na ni sehemu muhimu ya mifumo ya umeme ya kisasa. Madhara yake yana jumlisha:

• Punguza mshindo wa circuit breakers: Kiwango cha juu cha voltage kinachojibana na magari ya fault kubwa zaidi na zinazotumika kwa uchungu. FCL inapunguza magari ya interrupting ya circuit breakers, kurekebisha muda wa matumizi ya vifaa.
• Ongeza ustawi wa system: Kumpiga magari ya short-circuit kwa haraka kunapunguza drops za voltage kwenye mstari na probabilities za generator out-of-step, kuboresha stability ya power angle, voltage, na frequency.
• Ongeza matumizi ya vifaa na mstari: Ikiwa FCL itatenda kabla ya magari ya short-circuit kufika peak, itapunguza talabu za thermal na limits ya dynamic stability, kwa hiyo kuongeza uwezo wa mstari wa kusafirisha.
• Bora quality ya voltage: Kumpiga magari kwa haraka kabla ya clearance ya fault kunapunguza duration ya voltage sag kwenye mstari usio na fault, kuhakikisha stability ya grid voltage.
• Punguza interference na vifaa vingine: Kumpiga magari ya short-circuit kwenye grids za kiwango cha juu kunapunguza electromagnetic interference na mawasiliano ya mstari wa karibu na mifumo ya signaling ya treni.

​2.2.2 Vigezo Vya Design Kwa FCL​
Ili kuwa na ustawi wa mifumo ya umeme, FCL lazima iwe na vigezo vifuatavyo:

• Hakuna athari kwa system wakati wa matumizi ya kawaida (drop ya voltage karibu sifuri).
• Jibu la haraka wakati wa faults (kati ya 1–2 ms), kumpiga both peak na steady-state magari ya short-circuit bila effects ya kinyume kama overvoltage.
• Reset automatic baada ya clearance ya fault bila intervention ya mkono.
• Hakuna interference na logic ya matumizi ya kawaida ya protective relays.
• Bei nzuri na value ya kuchukua, inafanana na mahitaji ya application ya utility engineering.

​2.3 Comparison of Various FCL Implementation Schemes​

​2.3.1 Scheme Comparison​

• ​Mwisho: New material-based (hasa superconducting) na power electronics-based FCLs ni suluhisho la bora sasa. Hali ya kwanza ni rahisi na imara lakini limited kwa teknolojia ya vifaa; hali ya pili ina control strong, na kwa gharama za power electronics zinazopunguza, imekuwa inafanana na engineering, kufanya kwa hiari kuwa direction ya R&D yenye ubora.

​2.5 Mwisho Wa Kutafuta Kwa FCL​
Utafiti wa FCL baada ya hii unapaswa kuwa kwenye "performance optimization, functional integration, na engineering adaptation." Mipaka muhimu yana jumlisha:

1. Impedance converters wenye adjustable continuously: Kusogelea nyuma ya "two-state impedance (zero au infinite)" limitation kwa kutengeneza converters wenye adjustable continuously impedance wenye responsive, wenye kudhibitisha impedance kubwa kwa magari ya fault kubwa. Wanaweza pia kujumuisha power factor compensation na overvoltage absorption, combined na theories za control (mfano, negative feedback, PID control) kuongeza automation ya system.
2. Integration na FACTS controllers: Kutengeneza vifaa vya control comprehensive vyanayojumuisha FCL na vifaa vingine vya FACTS (mfano, SVG, SVC) kuongeza value ya kuchukua na kuboresha mifumo ya transmission na distribution ya AC.
3. Breakthroughs za teknolojia muhimu:
• Mechanisms za impact za FCL kwa ustawi wa mifumo ya umeme.
• Logic ya coordination kati ya FCL na protective relays.
• Optimization ya mifumo ya detection ya magari ya fault na controllers.
• Effects za FCL kwa quality ya nguvu (mfano, harmonics, voltage fluctuations) na mitigation measures.

​3 Mwisho​

• a. Kidhibiti cha magari ya short-circuit katika mifumo ya umeme limekuwa changamoto muhimu inayohitaji kutatuliwa kwa haraka. Kama vifaa vya kidhibiti vya mapya, Fault Current Limiter (FCL) inatoa suluhisho la bora, na kutengeneza FCLs wenye adaptability kwa mifumo ya kisasa ina thamani kubwa kwa theory na engineering.
• b. Power electronics-based FCLs tayari wamekuwa na foundation ya theory na practicality ya engineering. Uwezo wao wa control mzuri na gharama za power electronic devices zinazopunguza zinatangaza prospects za development kubwa.
• c. Kwa maendeleo ya FACTS/CusPow technologies, FCL—kama member muhimu wa familia ya FACTS—yanapaswa sio tu kutatuliwa changamoto za kidhibiti ya magari kwenye mifumo ya transmission na distribution, lakini pia kutumaini na vifaa vingine vya FACTS controllers kuboresha development ya mifumo ya transmission na distribution ya AC yenye control.