Giới hạn Dòng Đèn Ngắn mạch trong Hệ thống Điện và Ứng dụng của Bộ Giới hạn Dòng Đèn Lỗi (FCL)

0 Giới thiệu​
Với sự phát triển của hệ thống điện và nhu cầu tải ngày càng tăng, việc tích hợp các đơn vị phát điện công suất lớn và thiết bị trạm biến áp—đặc biệt là sự xuất hiện của các nhà máy điện lớn ở trung tâm tải và kết nối giữa các hệ thống điện lớn—đã không thể tránh khỏi dẫn đến mức dòng ngắn mạch liên tục tăng. Nếu không có biện pháp hạn chế hiệu quả, xu hướng này không chỉ làm tăng đáng kể đầu tư vào thiết bị cho các trạm biến áp mới mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến các đường dây thông tin liên lạc và ống dẫn của các trạm biến áp hiện có, có thể đòi hỏi một lượng lớn vốn để cải tạo và nâng cấp.

Tại giai đoạn đầu phát triển hệ thống, khi công suất hệ thống nhỏ và mức dòng ngắn mạch thấp, việc tăng dòng ngắn mạch thường có thể được giải quyết bằng cách thay thế các thiết bị chuyển mạch—các thiết bị trạm biến áp khác thường có dư lượng đủ ở giai đoạn này. Tuy nhiên, khi công suất hệ thống lớn, mức dòng ngắn mạch cao, và dòng ngắn mạch tiếp tục tăng do kết nối hệ thống hoặc mở rộng công suất, việc chỉ thay thế cầu chì không còn đủ. Các trạm biến áp hiện có có thể cần không chỉ thay thế cầu chì mà còn phải cải thiện hoặc thay thế các biến áp chính, dao cách ly, biến áp đo lường, thanh cái, sứ cách điện, cấu trúc, nền móng và hệ thống tiếp đất. Ngoài ra, các đường dây thông tin liên lạc có thể cần được che chắn hoặc thậm chí chuyển sang cáp thông tin liên lạc ngầm.

Vì nhiều yếu tố, các đơn vị phát điện công suất lớn và các nhà máy điện tiếp tục được tích hợp vào lưới 220kV, dẫn đến mức dòng ngắn mạch tăng quá nhanh. Khả năng cắt đứt và hiệu suất ổn định động của nhiều cầu chì 220kV—even cả trạm biến áp—không còn phù hợp với mức dòng ngắn mạch đang tăng, tạo ra những thách thức kỹ thuật và kinh tế nghiêm trọng. Do đó, nghiên cứu về việc hạn chế dòng ngắn mạch là rất cần thiết.

​1 Biện pháp Hạn chế Dòng Ngắn Mạch Truyền thống và Các Hạn chế Của Chúng​
Việc hạn chế dòng ngắn mạch có thể được giải quyết từ góc độ cấu trúc hệ thống, vận hành và thiết bị. Các biện pháp truyền thống bao gồm các loại sau, nhưng mỗi loại đều có hạn chế đáng kể:

• ​a. Điều chỉnh Cấu trúc Mạng​
  Bao gồm việc phát triển lưới điện áp cao hơn, tách lưới điện áp thấp/thanh cái, và tách lưới.
• Phát triển lưới điện áp cao hơn: Cần đầu tư lớn và liên quan đến các vấn đề môi trường.
• Tách lưới điện áp thấp/tách thanh cái: Đơn giản để thực hiện với hiệu ứng hạn chế dòng ngắn mạch đáng kể nhưng giảm biên độ an toàn của hệ thống và hạn chế tính linh hoạt vận hành, chỉ phù hợp trong các tình huống cần thiết.
• ​b. Công nghệ Kết nối DC​
  Kết nối DC có thể giảm đáng kể dòng ngắn mạch, nhưng đầu tư vào các trạm đổi chiều ở cả hai đầu cực kỳ cao. Đối với các kết nối ngắn với lượng điện trao đổi thấp, giải pháp này không kinh tế.
• ​c. Biến Áp Cản Trở Cao​
  Sử dụng biến áp cản trở cao để hạn chế dòng ngắn mạch ở phía điện áp thấp là biện pháp thường được áp dụng. Tuy nhiên, các biến áp này có tổn thất cao hơn trong quá trình vận hành ổn định, ảnh hưởng đến kinh tế của hệ thống.
• ​d. Rơle Series​
  Rơle series, với công nghệ sản xuất chín muồi và hiệu ứng hạn chế dòng ngắn mạch rõ ràng, đã được sử dụng trong các hệ thống phụ trợ của nhà máy điện và các trạm biến áp 10–35kV. Tuy nhiên, việc áp dụng chúng trong các hệ thống siêu cao áp làm tăng tổn thất mạng lưới và giảm sự ổn định của hệ thống, hạn chế sự phù hợp của chúng.
• ​e. Mở Rộng và Cải Tạo Thiết Bị​
  Thay thế cầu chì và cải tạo các trạm biến áp hiện có để xử lý dòng ngắn mạch cao hơn trực tiếp giải quyết vấn đề nhưng đòi hỏi đầu tư lớn và thi công phức tạp, dẫn đến hiệu quả kinh tế và thời gian kém.

Mặt khác, do các hạn chế đáng kể của các biện pháp truyền thống, việc phát triển các thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch mới phù hợp với các hệ thống điện hiện đại đã trở nên cấp bách. Fault Current Limiter (FCL) đã xuất hiện như một giải pháp và cũng là thành phần quan trọng của Hệ thống Truyền Điện Giao Lưu Linh Hoạt (FACTS).

​2 Ứng Dụng Của Fault Current Limiters (FCL) Trong Hệ Thống Điện​

​2.1 Mô Hình và Nguyên Lý Cơ Bản Của FCL​
Nguyên lý cơ bản của FCL được rút ra từ công nghệ hạn chế dòng ngắn mạch rơle series, được cải tiến bằng điện tử công suất để khắc phục nhược điểm của rơle series truyền thống (ví dụ: tổn thất ổn định cao và tác động đến sự ổn định của hệ thống). Mô hình cốt lõi của nó có thể được tóm tắt là: "Không có phản kháng trong vận hành bình thường; nhanh chóng đưa vào phản kháng trong trường hợp lỗi để hạn chế dòng."

• Vận hành bình thường: Thiết bị chuyển mạch đóng, độ cản của FCL gần bằng không, không tác động đến hệ thống.
• Trường hợp lỗi: Thiết bị chuyển mạch nhanh chóng mở, đưa vào rơle hạn chế dòng để kìm hãm dòng ngắn mạch.

Các thành phần cốt lõi của FCL bao gồm bốn yếu tố chính:

1. Yếu tố phát hiện dòng ngắn mạch nhanh: Giám sát dòng điện của hệ thống theo thời gian thực và nhanh chóng nhận biết các lỗi ngắn mạch.
2. Thiết bị chuyển mạch nhanh: Tác động nhanh chóng trong trường hợp lỗi để chuyển đổi giữa trạng thái "không có phản kháng" và "có phản kháng".
3. Rơle hạn chế dòng: Thành phần hạn chế dòng cốt lõi, kìm hãm dòng ngắn mạch thông qua độ cản.
4. Yếu tố bảo vệ quá điện áp: Ngăn chặn quá điện áp trong quá trình chuyển mạch lỗi, bảo vệ thiết bị của hệ thống.

​2.2 Chức Năng và Yêu Cầu Thiết Kế Của FCL​

​2.2.1 Chức Năng Cốt Lõi Của FCL​
FCL cung cấp một phương pháp mới để hạn chế dòng ngắn mạch trong hệ thống điện và là thành phần quan trọng của các hệ thống điện hiện đại. Các ưu điểm của nó bao gồm:

• Giảm gánh nặng cho cầu chì: Các mức điện áp cao hơn tương ứng với dòng ngắn mạch lớn hơn, khó ngắt hơn. FCL trực tiếp giảm dòng ngắt của cầu chì, kéo dài tuổi thọ của thiết bị.
• Nâng cao sự ổn định của hệ thống: Hạn chế nhanh chóng dòng ngắn mạch giảm sụt áp trên đường dây và xác suất mất bước của máy phát, cải thiện sự ổn định của góc pha, điện áp và tần số.
• Tăng cường sử dụng thiết bị và đường dây: Nếu FCL hoạt động trước khi dòng ngắn mạch đạt đỉnh, nó giảm yêu cầu về giới hạn ổn định nhiệt và động, do đó tăng cường khả năng truyền tải thực tế của đường dây.
• Tối ưu hóa chất lượng điện áp: Hạn chế nhanh chóng dòng trước khi loại bỏ lỗi làm giảm thời gian sụt điện áp trên các đường dây không lỗi, đảm bảo sự ổn định điện áp của lưới.
• Giảm nhiễu cho các cơ sở xung quanh: Hạn chế dòng ngắn mạch trong lưới điện áp cao giảm nhiễu điện từ với các đường dây thông tin liên lạc và hệ thống tín hiệu đường sắt gần đó.

​2.2.2 Yêu Cầu Thiết Kế Cho FCL​
Để phù hợp với đặc điểm vận hành của hệ thống điện, FCL phải đáp ứng các tiêu chuẩn thiết kế sau:

• Không tác động đến hệ thống trong vận hành bình thường (sụt điện áp gần bằng không).
• Phản ứng nhanh trong trường hợp lỗi (trong vòng 1-2 ms), hạn chế cả dòng đỉnh và dòng ổn định ngắn mạch mà không có tác dụng phụ như quá điện áp.
• Tự động khôi phục sau khi lỗi được loại bỏ mà không cần can thiệp thủ công.
• Không can thiệp vào logic vận hành bình thường của rơle bảo vệ.
• Chi phí hợp lý và hiệu quả kinh tế cao, đáp ứng nhu cầu ứng dụng kỹ thuật điện lực.

​2.3 So Sánh Các Phương án Thực Hiện FCL​

​2.3.1 So Sánh Phương án​

• ​Kết luận: FCL dựa trên vật liệu mới (đặc biệt là siêu dẫn) và FCL dựa trên điện tử công suất hiện là các giải pháp tối ưu. Cả hai đều đơn giản và tin cậy nhưng bị hạn chế bởi công nghệ vật liệu; trong khi đó, FCL dựa trên điện tử công suất cung cấp khả năng điều khiển mạnh mẽ, và với chi phí điện tử công suất giảm, nó đã trở nên có thể thực hiện kỹ thuật, trở thành hướng nghiên cứu và phát triển hứa hẹn nhất.

​2.5 Hướng Nghiên Cứu Tương Lai cho FCL​
Nghiên cứu tương lai về FCL nên tập trung vào "tối ưu hóa hiệu suất, tích hợp chức năng và thích ứng kỹ thuật." Các hướng chính bao gồm:

1. Chuyển đổi cản trở điều chỉnh liên tục: Đi xa hơn hạn chế "hai trạng thái cản trở (bằng không hoặc vô cùng)" hiện tại để phát triển các bộ chuyển đổi cản trở điều chỉnh liên tục, đáp ứng động với dòng lỗi lớn hơn. Chúng cũng nên kết hợp bù hệ số công suất và hấp thụ quá điện áp, kết hợp với lý thuyết điều khiển (ví dụ: phản hồi âm, điều khiển PID) để tăng cường tự động hóa hệ thống.
2. Tích hợp với bộ điều khiển FACTS: Phát triển các thiết bị điều khiển tổng hợp kết hợp FCL với các thành phần FACTS khác (ví dụ: SVG, SVC) để cải thiện hiệu quả kinh tế tổng thể và thúc đẩy hệ thống truyền phân phối điện có kiểm soát.
3. Đột phá công nghệ chính:
• Cơ chế tác động của FCL đối với sự ổn định của hệ thống điện.
• Logic phối hợp giữa FCL và rơle bảo vệ.
• Tối ưu hóa hệ thống phát hiện tín hiệu lỗi siêu nhanh và bộ điều khiển.
• Tác động của FCL đối với chất lượng điện (ví dụ:谐波、电压波动）以及缓解措施。 请注意，最后一点似乎未完全翻译。以下是完整的翻译： ```

  ​2.5 故障限流器的未来研究方向​
  故障限流器的未来研究应集中在“性能优化、功能集成和工程适应性”。主要方向包括：

  1. 连续可调阻抗变换器：超越当前“双态阻抗（零或无穷大）”的限制，开发响应式、连续可调阻抗变换器，动态匹配更大的故障电流以更高的阻抗。它们还应结合功率因数补偿和过电压吸收，并结合控制理论（例如负反馈、PID 控制）以增强系统自动化。
  2. 与 FACTS 控制器集成：开发综合控制设备，将 FCL 与其他 FACTS 组件（例如 SVG、SVC）结合起来，以提高整体成本效益并推进可控交流输电和配电系统的发展。
  3. 关键技术突破：
  • FCL 对电力系统稳定性的影响机制。
  • FCL 与保护继电器之间的协调逻辑。
  • 超快速故障信号检测系统和控制器的优化。
  • FCL 对电能质量（例如谐波、电压波动）的影响及缓解措施。

  ​3 结论​

  • a. 电力系统的短路电流限制已成为亟待解决的关键问题。作为一种新的保护装置，故障限流器 (FCL) 提供了有效的解决方案，开发适用于现代电网的 FCL 具有重要的理论和工程价值。
  • b. 基于电力电子的 FCL 已经具备理论基础和工程实用性。其优异的控制性能和电力电子器件成本的不断下降表明其具有广阔的发展前景。
  • c. 随着 FACTS/CusPow 技术的不断发展，作为 FACTS 家族的重要成员，FCL 不仅应独立解决输配电网中的电流限制问题，还应与其他 FACTS 控制器协作，进一步推动可控交流输电和配电系统的发展。
  ``` 以下是完整的越南语翻译： ```html

  ​2.5 Hướng Nghiên Cứu Tương Lai cho FCL​
  Nghiên cứu tương lai về FCL nên tập trung vào "tối ưu hóa hiệu suất, tích hợp chức năng và thích ứng kỹ thuật." Các hướng chính bao gồm:

  1. Chuyển đổi cản trở điều chỉnh liên tục: Đi xa hơn hạn chế "hai trạng thái cản trở (bằng không hoặc vô cùng)" hiện tại để phát triển các bộ chuyển đổi cản trở điều chỉnh liên tục, đáp ứng động với dòng lỗi lớn hơn. Chúng cũng nên kết hợp bù hệ số công suất và hấp thụ quá điện áp, kết hợp với lý thuyết điều khiển (ví dụ: phản hồi âm, điều khiển PID) để tăng cường tự động hóa hệ thống.
  2. Tích hợp với bộ điều khiển FACTS: Phát triển các thiết bị điều khiển tổng hợp kết hợp FCL với các thành phần FACTS khác (ví dụ: SVG, SVC) để cải thiện hiệu quả kinh tế tổng thể và thúc đẩy hệ thống truyền phân phối điện có kiểm soát.
  3. Đột phá công nghệ chính:
  • Cơ chế tác động của FCL đối với sự ổn định của hệ thống điện.
  • Logic phối hợp giữa FCL và rơle bảo vệ.
  • Tối ưu hóa hệ thống phát hiện tín hiệu lỗi siêu nhanh và bộ điều khiển.
  • Tác động của FCL đối với chất lượng điện (ví dụ: sóng hài, dao động điện áp) và biện pháp giảm thiểu.

  ​3 Kết luận​

  • a. Hạn chế dòng ngắn mạch trong hệ thống điện đã trở thành vấn đề cấp bách cần giải quyết. Là một thiết bị bảo vệ mới, Fault Current Limiter (FCL) cung cấp một giải pháp hiệu quả, và việc phát triển FCL phù hợp với lưới điện hiện đại có giá trị lý thuyết và kỹ thuật quan trọng.
  • b. FCL dựa trên điện tử công suất đã có nền tảng lý thuyết và khả năng thực hiện kỹ thuật. Hiệu suất điều khiển xuất sắc và chi phí của các thiết bị điện tử công suất đang giảm dần cho thấy triển vọng phát triển rộng lớn.
  • c. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ FACTS/CusPow, FCL—là thành viên quan trọng của gia đình FACTS—không chỉ nên độc lập giải quyết vấn đề hạn chế dòng trong lưới truyền và phân phối mà còn nên hợp tác với các bộ điều khiển FACTS khác để thúc đẩy sự phát triển của hệ thống truyền phân phối điện có kiểm soát.
  ```