การจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรในระบบไฟฟ้าและการใช้งานตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจร (FCL)

0 บทนำ​
ด้วยการพัฒนาระบบไฟฟ้าและความต้องการโหลดที่เพิ่มขึ้น การรวมหน่วยกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่และอุปกรณ์สถานีไฟฟ้าเข้าด้วยกัน—โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเกิดโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่ในศูนย์โหลดและการเชื่อมโยงระบบไฟฟ้าขนาดใหญ่—ได้นำไปสู่ระดับกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง หากไม่มีมาตรการจำกัดที่มีประสิทธิภาพ แนวโน้มนี้จะไม่เพียงแต่เพิ่มการลงทุนในอุปกรณ์สำหรับสถานีไฟฟ้าใหม่เท่านั้น แต่ยังส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อสายสื่อสารและท่อของสถานีไฟฟ้าที่มีอยู่ อาจจำเป็นต้องใช้งบประมาณจำนวนมากในการปรับปรุงและอัปเกรด

ในระยะเริ่มต้นของการพัฒนาระบบ เมื่อความจุของระบบยังเล็กและระดับกระแสไฟฟ้าลัดวงจรยังต่ำ การเพิ่มกระแสไฟฟ้าลัดวงจรสามารถแก้ไขได้โดยการเปลี่ยนอุปกรณ์สวิตช์—อุปกรณ์สถานีไฟฟ้าอื่น ๆ มักมีความเหลื่อมล้ำเพียงพอในระยะนี้ แต่เมื่อความจุของระบบไฟฟ้ามีขนาดใหญ่ ระดับกระแสไฟฟ้าลัดวงจรสูง และกระแสไฟฟ้าลัดวงจรยังคงเพิ่มขึ้นเนื่องจากการเชื่อมโยงระบบหรือการขยายความจุต่อไป การเปลี่ยนเฉพาะเบรกเกอร์จะไม่เพียงพอแล้ว สถานีไฟฟ้าที่มีอยู่อาจต้องการไม่เพียงแต่การเปลี่ยนเบรกเกอร์ แต่ยังรวมถึงการปรับปรุงหรือเปลี่ยนแปลงหม้อแปลงหลัก สวิตช์แยก ทรานฟอร์เมอร์วัด บัสบาร์ อินซูลเลเตอร์ โครงสร้าง ฐานราก และระบบกราวด์ นอกจากนี้ สายสื่อสารอาจต้องการการป้องกันหรือแม้กระทั่งการเปลี่ยนเป็นสายสื่อสารใต้ดิน

เนื่องจากปัจจัยต่าง ๆ ทำให้มีการรวมหน่วยกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่และโรงไฟฟ้าใหม่ๆ เข้ากับระบบ 220kV อย่างต่อเนื่อง นำไปสู่การเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของระดับกระแสไฟฟ้าลัดวงจร ความสามารถในการตัดกระแสและความเสถียรทางพลศาสตร์ของเบรกเกอร์ 220kV จำนวนมากรวมถึงสถานีไฟฟ้าทั้งหมดไม่สามารถรองรับระดับกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่เพิ่มขึ้น สร้างความท้าทายทางเทคนิคและเศรษฐกิจอย่างรุนแรง จึงจำเป็นต้องทำการวิจัยเกี่ยวกับการจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรอย่างเร่งด่วน

​1 มาตรการจำกัดกระแสไฟฟ้าแบบดั้งเดิมและข้อจำกัด​
การจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรสามารถดำเนินการได้จากมุมมองของโครงสร้างระบบ การดำเนินงาน และอุปกรณ์ มาตรการแบบดั้งเดิมประกอบด้วยหมวดหมู่ต่อไปนี้ แต่ละหมวดมีข้อจำกัดอย่างมาก:

• ​a. การปรับโครงสร้างระบบ​
  รวมถึงการพัฒนาระบบแรงดันสูง การแบ่งแยกระบบแรงดันต่ำ/บัสบาร์ และการแยกระบบ
• การพัฒนาระบบแรงดันสูง: ต้องใช้การลงทุนสูงและมีปัญหาด้านสิ่งแวดล้อม
• การแบ่งแยกระบบแรงดันต่ำ/การแยกระบบ: ง่ายต่อการดำเนินการและมีผลจำกัดกระแสอย่างมาก แต่ลดความปลอดภัยของระบบและจำกัดความยืดหยุ่นในการดำเนินงาน ทำให้เหมาะสมเฉพาะในกรณีที่จำเป็นเท่านั้น
• ​b. เทคโนโลยีการเชื่อมโยงด้วยกระแสตรง (DC)​
  การเชื่อมโยงด้วยกระแสตรงสามารถลดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรได้อย่างมาก แต่การลงทุนในสถานีแปลงกระแสทั้งสองปลายสูงมาก สำหรับการเชื่อมโยงระยะสั้นที่มีการแลกเปลี่ยนกำลังต่ำ วิธีนี้ไม่คุ้มค่าทางเศรษฐกิจ
• ​c. หม้อแปลงความต้านทานสูง​
  การใช้หม้อแปลงความต้านทานสูงเพื่อจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรบนด้านแรงดันต่ำเป็นมาตรการที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย แต่หม้อแปลงเหล่านี้มีการสูญเสียสูงในภาวะการทำงานปกติ ทำให้ส่งผลกระทบต่อเศรษฐกิจของระบบ
• ​d. รีแอคเตอร์อนุกรม​
  รีแอคเตอร์อนุกรมมีเทคโนโลยีการผลิตที่เจริญแล้วและมีผลจำกัดกระแสอย่างชัดเจน ใช้ในระบบสนับสนุนของโรงไฟฟ้าและสถานีไฟฟ้า 10-35kV อยู่แล้ว แต่การใช้ในระบบแรงดันสูงมากจะเพิ่มการสูญเสียในเครือข่ายและลดความเสถียรของระบบ จำกัดความเหมาะสม
• ​e. การขยายความจุและปรับปรุงอุปกรณ์​
  การเปลี่ยนเบรกเกอร์และปรับปรุงสถานีไฟฟ้าที่มีอยู่เพื่อรับกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่สูงขึ้นสามารถแก้ไขปัญหาได้โดยตรง แต่ต้องใช้การลงทุนสูงและมีการก่อสร้างที่ซับซ้อน ทำให้มีประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจและเวลาที่ไม่ดี

เนื่องจากข้อจำกัดสำคัญของมาตรการแบบดั้งเดิม การพัฒนาอุปกรณ์จำกัดกระแสใหม่ที่เหมาะสมกับระบบไฟฟ้าสมัยใหม่กลายเป็นเรื่องที่จำเป็น ผู้จำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจร (FCL) ได้ปรากฏเป็นทางออกและเป็นส่วนสำคัญของระบบส่งไฟฟ้าสลับที่ควบคุมได้ (FACTS)

​2 การประยุกต์ใช้ผู้จำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจร (FCL) ในระบบไฟฟ้า​

​2.1 แบบจำลองและหลักการพื้นฐานของ FCL​
หลักการพื้นฐานของ FCL ได้มาจากเทคโนโลยีการจำกัดกระแสของรีแอคเตอร์อนุกรม โดยปรับปรุงด้วยอิเล็กทรอนิกส์กำลังเพื่อ客服似乎在翻译过程中被中断了。我将继续完成剩余部分的泰语翻译： --- 2.1 แบบจำลองและหลักการพื้นฐานของ FCL หลักการพื้นฐานของ FCL ได้มาจากเทคโนโลยีการจำกัดกระแสของรีแอคเตอร์อนุกรม โดยปรับปรุงด้วยอิเล็กทรอนิกส์กำลังเพื่อเอาชนะข้อเสียของรีแอคเตอร์อนุกรมแบบดั้งเดิม (เช่น การสูญเสียสูงในภาวะการทำงานปกติและผลกระทบต่อความเสถียรของระบบ) โมเดลหลักของ FCL สามารถสรุปได้ว่า: "ไม่มีความต้านทานในภาวะการทำงานปกติ; แทรกความต้านทานอย่างรวดเร็วในภาวะเกิดเหตุเพื่อจำกัดกระแส"

• ภาวะการทำงานปกติ: อุปกรณ์สวิตช์ปิด, ความต้านทานเทียบเท่าของ FCL ใกล้เคียงศูนย์, ไม่มีผลกระทบต่อระบบ
• ภาวะเกิดเหตุ: สวิตช์เปิดอย่างรวดเร็ว, แทรกรีแอคเตอร์จำกัดกระแสเพื่อจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจร

ส่วนประกอบหลักของ FCL ประกอบด้วยสี่ส่วนสำคัญ:

1. องค์ประกอบตรวจจับกระแสไฟฟ้าลัดวงจรอย่างรวดเร็ว: ตรวจสอบกระแสระบบในเวลาจริงและระบุเหตุไฟฟ้าลัดวงจรอย่างรวดเร็ว
2. อุปกรณ์สวิตช์ที่ทำงานอย่างรวดเร็ว: ทำงานอย่างรวดเร็วในภาวะเกิดเหตุเพื่อสลับระหว่างสถานะ "ไม่มีความต้านทาน" และ "มีความต้านทาน"
3. รีแอคเตอร์จำกัดกระแส: ส่วนประกอบหลักในการจำกัดกระแส, จำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรผ่านความต้านทาน
4. องค์ประกอบป้องกันแรงดันเกิน: ป้องกันแรงดันเกินในขณะสลับสถานะ, ปกป้องอุปกรณ์ระบบ

​2.2 ฟังก์ชันและข้อกำหนดการออกแบบของ FCL​

​2.2.1 ฟังก์ชันหลักของ FCL​
FCL นำเสนอวิธีการใหม่ในการจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรในระบบไฟฟ้าและเป็นส่วนประกอบสำคัญของระบบไฟฟ้าสมัยใหม่ ข้อดีของ FCL ได้แก่:

• ลดภาระเบรกเกอร์: ระดับแรงดันสูงขึ้นสอดคล้องกับกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่ใหญ่และยากต่อการตัด FCL ลดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่ต้องตัดโดยตรง, ยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์
• เพิ่มความเสถียรของระบบ: การจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรอย่างรวดเร็วนำไปสู่การลดการตกแรงดันของสายและโอกาสที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะทำงานไม่สอดคล้อง, เพิ่มความเสถียรของมุมเฟส, แรงดัน, และความถี่
• เพิ่มการใช้งานอุปกรณ์และสาย: หาก FCL ทำงานก่อนที่กระแสไฟฟ้าลัดวงจรจะสูงสุด, จะลดความต้องการในการจำกัดความร้อนและเสถียรภาพพลศาสตร์, ทำให้สามารถส่งกำลังผ่านสายได้มากขึ้น
• ปรับปรุงคุณภาพแรงดัน: การจำกัดกระแสอย่างรวดเร็วก่อนการกำจัดเหตุทำให้ระยะเวลาการตกแรงดันบนสายที่ไม่เกิดเหตุสั้นลง, รับประกันความเสถียรของแรงดันในระบบ
• ลดการรบกวนกับสิ่งอำนวยความสะดวกรอบข้าง: การจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรในระบบแรงดันสูงลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้ากับสายสื่อสารและระบบสัญญาณรถไฟ

​2.2.2 ข้อกำหนดการออกแบบสำหรับ FCL​
เพื่อให้เหมาะสมกับลักษณะการดำเนินงานของระบบไฟฟ้า, FCL ต้องปฏิบัติตามมาตรฐานการออกแบบดังต่อไปนี้:

• ไม่มีผลกระทบต่อระบบในภาวะการทำงานปกติ (แรงดันตกใกล้ศูนย์)
• ตอบสนองอย่างรวดเร็วในภาวะเกิดเหตุ (ภายใน 1-2 มิลลิวินาที), จำกัดทั้งกระแสสูงสุดและกระแสคงที่โดยไม่มีผลกระทบเช่นแรงดันเกิน
• รีเซ็ตอัตโนมัติหลังจากเหตุเสร็จสิ้นโดยไม่ต้องมีการแทรกแซงด้วยมือ
• ไม่รบกวนลอจิกการทำงานปกติของรีเลย์ป้องกัน
• ค่าใช้จ่ายสมเหตุสมผลและมีประสิทธิภาพสูง, ตอบสนองความต้องการในการใช้งานวิศวกรรม

​2.3 การเปรียบเทียบแผนการดำเนินงานต่าง ๆ ของ FCL​

​2.3.1 การเปรียบเทียบแผนการดำเนินงาน​

• ​สรุป: FCL ที่ใช้วัสดุใหม่ (โดยเฉพาะวัสดุซูเปอร์คอน덕ทิง) และ FCL แบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังเป็นทางออกที่ดีที่สุดในปัจจุบัน วัสดุใหม่เป็นทางเลือกที่ง่ายและน่าเชื่อถือ แต่ยังจำกัดด้วยเทคโนโลยีวัสดุ ในขณะที่ FCL แบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังมีความสามารถในการควบคุมที่แข็งแกร่ง และด้วยค่าใช้จ่ายของอิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ลดลง ทำให้เป็นทางเลือกที่มีแนวโน้มในการวิจัยและพัฒนา

​2.5 ทิศทางการวิจัย FCL ในอนาคต​
การวิจัย FCL ในอนาคตควรเน้นที่ "การปรับปรุงประสิทธิภาพ, การรวมฟังก์ชัน, และการปรับตัวในทางวิศวกรรม" ทิศทางสำคัญรวมถึง:

1. คอนเวอร์เตอร์ความต้านทานที่ปรับได้ต่อเนื่อง: พัฒนาออกจากข้อจำกัด "ความต้านทานสองสถานะ (ศูนย์หรืออนันต์)" ไปสู่คอนเวอร์เตอร์ที่ตอบสนองและปรับความต้านทานได้ต่อเนื่องที่สามารถจับคู่ความต้านทานสูงกับกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่ใหญ่ รวมถึงการชดเชยแฟคเตอร์พลังงานและการดูดซับแรงดันเกิน ผสานกับทฤษฎีการควบคุม (เช่น ป้อนกลับลบ, PID control) เพื่อเพิ่มการควบคุมอัตโนมัติของระบบ
2. การรวมกับคอนโทรลเลอร์ FACTS: พัฒนาอุปกรณ์ควบคุมแบบครบวงจรที่รวม FCL กับส่วนประกอบ FACTS อื่น ๆ (เช่น SVG, SVC) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจโดยรวมและส่งเสริมระบบส่งไฟฟ้าและกระจายไฟฟ้าที่ควบคุมได้
3. การพัฒนาเทคโนโลยีสำคัญ:
• กลไกการส่งผลกระทบของ FCL ต่อความเสถียรของระบบไฟฟ้า
• ลอจิกการประสานงานระหว่าง FCL และรีเลย์ป้องกัน
• การปรับปรุงระบบตรวจจับสัญญาณเหตุและคอนโทรลเลอร์ที่รวดเร็ว
• ผลกระทบของ FCL ต่อคุณภาพไฟฟ้า (เช่น ฮาร์โมนิก, การเปลี่ยนแปลงแรงดัน) และมาตรการลดผลกระทบที่เหมาะสม

​3 สรุป​

• a. การจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรในระบบไฟฟ้าได้กลายเป็นปัญหาสำคัญที่ต้องแก้ไขอย่างเร่งด่วน ผู้จำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจร (FCL) เป็นอุปกรณ์ป้องกันใหม่ที่นำเสนอวิธีการที่มีประสิทธิภาพ และการพัฒนา FCL ที่เหมาะสมกับระบบไฟฟ้าสมัยใหม่มีคุณค่าทั้งทางทฤษฎีและทางวิศวกรรม
• b. FCL แบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังมีพื้นฐานทฤษฎีและปฏิบัติการวิศวกรรมที่มั่นคง ความสามารถในการควบคุมที่ยอดเยี่ยมและการลดค่าใช้จ่ายของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังทำให้มีแนวโน้มในการพัฒนาที่กว้างขวาง
• c. ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยี FACTS/CusPow ที่ก้าวหน้า, FCL ซึ่งเป็นสมาชิกสำคัญของครอบครัว FACTS ควรไม่เพียงแค่แก้ไขปัญหาการจำกัดกระแสในระบบส่งและกระจายไฟฟ้าอย่างอิสระ แต่ยังร่วมมือกับคอนโทรลเลอร์ FACTS อื่น ๆ เพื่อส่งเสริมการพัฒนาระบบส่งและกระจายไฟฟ้าที่ควบคุมได้