Обмеження струму короткого замикання в електроенергетичних системах та застосування обмежувачів струму короткого замикання (FCL)

0 Вступ​
З розвитком електроенергетичних систем та зростанням вимог до навантаження, інтеграція великих генеруючих одиниць та підстанційного обладнання, особливо появою великих електростанцій у центральних точках навантаження та взаємопов’язування великих електроенергетичних систем, необхідно призводить до постійного зростання рівнів струму короткого замикання. Без ефективних обмежувальних заходів цей тренд не лише значно збільшить інвестиції в обладнання для нових підстанцій, але також серйозно вплине на лінії зв’язку та трубопроводи існуючих підстанцій, можливо, потребуючи значних коштів на реконструкцію та модернізацію.

На ранніх стадіях розвитку системи, коли її пропускна здатність невелика, а рівні струму короткого замикання низькі, зростання струму короткого замикання можна зазвичай вирішити шляхом заміни комутаційних пристроїв — інше підстанційне обладнання часто має достатній запас на цьому етапі. Однак, коли пропускна здатність електроенергетичної системи велика, рівні струму короткого замикання високі, а струми короткого замикання продовжують зростати через взаємопов’язування систем або подальшу експансію пропускної здатності, просто заміна вимикачів більше не достатня. Існуючі підстанції можуть потребувати не лише заміни вимикачів, але й підсилення або заміни головних трансформаторів, відключаючих пристроїв, приладівних трансформаторів, шин, ізоляторів, конструкцій, фундаментів та систем заземлення. Додатково, лінії зв’язку можуть потребувати екранивання або навіть перетворення на підземні кабелі зв’язку.

З-за різноманітних факторів нові великі генеруючі одиниці та електростанції продовжують інтегруватися в 220кВ мережу, що призводить до надмірно швидкого зростання рівнів струму короткого замикання. Пропускна здатність та динамічна стабільність численних вимикачів 220кВ, а навіть всієї підстанції, більше не відповідають зростаючим рівням струму короткого замикання, створюючи серйозні технічні та економічні виклики. Тому дослідження обмеження струму короткого замикання є терміновою необхідністю.

​1 Традиційні заходи обмеження струму та їх обмеження​
Обмеження струму короткого замикання можна розглядати з точки зору структури, експлуатації та обладнання системи. Традиційні заходи включають наступні категорії, але кожен має значні обмеження:

• ​а. Налаштування структури мережі​
  Включає розвиток мереж вищої напруги, розбиття низької напруги мереж/шин, та розділення мереж.
• Розвиток мереж вищої напруги: Потребує великих інвестицій та пов’язаний з екологічними питаннями.
• Розбиття низької напруги мереж/шин: Просте у реалізації з суттєвим обмежувальним ефектом, але зменшує безпеку системи та обмежує оперативну гнучкість, що робить його придатним лише для необхідних сценаріїв.
• ​b. Технологія DC-зв’язку​
  DC-зв’язок може значно знизити струм короткого замикання, але інвестиції в конвертерні станції на обох кінцях надзвичайно високі. Для коротких зв’язків з низьким обміном потужності це рішення є економічно невигідним.
• ​c. Трансформатори з високим опором​
  Використання трансформаторів з високим опором для обмеження струму короткого замикання на стороні низької напруги є широко прийнятий захід. Однак, ці трансформатори демонструють більші втрати під час стаціонарної роботи, що впливає на економічність системи.
• ​d. Серійні реактори​
  Серійні реактори, з зрілою технологією виробництва та чітким обмежувальним ефектом, вже використовуються в допоміжних системах електростанцій та підстанціях 10–35кВ. Однак, їх застосування в ультрависоконапігових системах збільшує мережеві втрати та зменшує стабільність системи, що обмежує їх придатність.
• ​e. Розширення пропускної здатності обладнання та модернізація​
  Заміна вимикачів та модернізація існуючих підстанцій для обробки більшого струму короткого замикання прямо вирішують проблему, але вимагають великих інвестицій та складного будівництва, що призводить до поганої економічної ефективності та своєчасності.

З урахуванням значних обмежень традиційних заходів, розробка нових обмежувальних пристроїв, адаптованих до сучасних електроенергетичних систем, стала необхідністю. Обмежувач струму короткого замикання (FCL) виявився як рішення та є важливим компонентом систем гнучкого передавання AC (FACTS).

​2 Застосування FCL у електроенергетичних системах​

​2.1 Модель та основні принципи FCL​
Основний принцип FCL походить від технології обмеження струму серійним реактором, покращеної з використанням електроніки влади, щоб подолати недоліки традиційних серійних реакторів (наприклад, високі стаціонарні втрати та вплив на стабільність системи). Його основна модель може бути абстрагована як: "Немає реактивного опору при нормальній роботі; швидке введення реактивного опору під час аварії для обмеження струму."

• При нормальній роботі: Комутаційний пристрій закритий, еквівалентний опір FCL майже дорівнює нулю, немає впливу на систему.
• При аварійному стані: Швидко відкривається комутаційний пристрій, вводиться обмежувальний реактор, щоб пригнічити струм короткого замикання.

Основні компоненти FCL включають чотири ключових елементи:

1. Швидкий детектор струму короткого замикання: Моніторить струм системи в реальному часі та швидко виявляє аварійні ситуації короткого замикання.
2. Швидкий комутаційний пристрій: Діє швидко під час аварій, переключаючись між станами "без реактивного опору" та "з реактивним опором".
3. Обмежувальний реактор: Основний обмежувальний компонент, що пригнічує струм короткого замикання через опір.
4. Елемент захисту від перевищень напруги: Захищає системне обладнання від перевищень напруги під час комутації аварій.

​2.2 Функції та вимоги до проектування FCL​

​2.2.1 Основні функції FCL​
FCL надає новий підхід до обмеження струму короткого замикання в електроенергетичних системах та є важливим компонентом сучасних електроенергетичних систем. Його переваги включають:

• Зменшення навантаження на вимикачі: Більш високі рівні напруги відповідають більшим, важче перериваним струмам короткого замикання. FCL безпосередньо зменшує переривний струм вимикачів, продовжуючи строк служби обладнання.
• Покращення стабільності системи: Швидке обмеження струму короткого замикання зменшує спад напруги на лініях та ймовірність виходу генераторів з ритму, покращуючи стабільність кута мощності, напруги та частоти.
• Збільшення використання обладнання та ліній: Якщо FCL діє перед досягненням піку струму короткого замикання, він зменшує вимоги до термічної та динамічної стійкості, збільшуючи фактичну передавальну здатність ліній.
• Оптимізація якості напруги: Швидке обмеження струму перед усуненням аварії скорочує тривалість провалу напруги на непостражених лініях, забезпечуючи стабільність напруги в мережі.
• Зменшення втручання в роботу супутніх об’єктів: Обмеження струму короткого замикання в мережах високої напруги зменшує електромагнітне втручання у близькі лінії зв’язку та системи сигналізації залізниць.

​2.2.2 Вимоги до проектування FCL​
Для адаптації до характеристик роботи електроенергетичної системи, FCL повинен задовольняти наступним проектним стандартам:

• Немає впливу на систему під час нормальній роботи (спад напруги майже дорівнює нулю).
• Швидка реакція під час аварій (в межах 1–2 мс), обмежуючи як пік, так і стаціонарний струм короткого замикання без побічних ефектів, таких як перевищення напруги.
• Автоматичне скидання після усунення аварії без необхідності вручнуї інтервенції.
• Не втручатися в логіку нормальної роботи захисних реле.
• Розумна вартість та висока економічна ефективність, відповідаючи потребам інженерних застосувань.

​2.3 Порівняння різних схем реалізації FCL​

​2.3.1 Порівняння схем​

• ​Висновок: FCL на основі нових матеріалів (особливо надпровідників) та FCL на основі електроніки влади є найоптимальнішими рішеннями. Перший простий та надійний, але обмежений технологією матеріалів; другий надає сильну контролюваність, і зі зниженням вартості електроніки влади, став інженерно придатним, що робить його найперспективнішим напрямком досліджень та розробок.

​2.5 Майбутні напрямки досліджень FCL​
Майбутні дослідження FCL повинні зосередитися на "оптимізації продуктивності, інтеграції функцій та інженерній адаптації." Ключові напрямки включають:

1. Перетворники з постійно регульованою реактивною опором: Виходячи за межі поточного обмеження "двостанового опору (нуль або нескінченність)," розробляються відгукувані, постійно регульовані перетворники, які динамічно відповідають більш високим опорам при більших аварійних струмах. Це повинно включати компенсацію коефіцієнта ефективності та поглинання перевищень напруги, поєднані з теоріями управління (наприклад, від’ємна зворотна зв’язок, PID-управління) для підвищення автоматизації системи.
2. Інтеграція з контролерами FACTS: Розробляються комплексні контрольні пристрої, які поєднують FCL з іншими компонентами FACTS (наприклад, SVG, SVC) для поліпшення загальної економічної ефективності та розвитку контролюваного передавання та розподілу AC.
3. Ключові технологічні прориви:
• Механізми впливу FCL на стабільність електроенергетичної системи.
• Логіка координації між FCL та захисними реле.
• Оптимізація систем швидкого виявлення аварійних сигналів та контролерів.
• Вплив FCL на якість енергії (наприклад, гармоніки, флуктуації напруги) та міри зменшення.

​3 Висновок​

• a. Обмеження струму короткого замикання в електроенергетичних системах стало критичною проблемою, яка потребує термінового вирішення. Як новий захисний пристрій, Обмежувач струму короткого замикання (FCL) надає ефективне рішення, і розробка FCL, адаптованих до сучасних мереж, має значну теоретичну та інженерну цінність.
• b. FCL на основі електроніки влади уже мають теоретичне підґрунтя та інженерну практичність. Їх відмінна контурна продуктивність та зниження вартості електроніки влади свідчать про широкі перспективи розвитку.
• c. З розвитком технологій FACTS/CusPow, FCL, як ключовий член родини FACTS, повинен не лише самостійно вирішувати проблеми обмеження струму в мережах передачі та розподілу, але й співпрацювати з іншими контролерами FACTS, щоб ще більше сприяти розвитку контролюваного передавання та розподілу AC.