مسأله کنترل جریان کوتاه بیش از حد: راه‌حل‌ها و کاربردهای محدودکننده جریان فرا سریع (FCL)

1. چالش برنامه‌ای: موانع طرح‌های محافظت کوتاه مدار سنتی

در شبکه‌های برق مدرن، به ویژه در زیراستانیون‌های نیروگاه‌ها و پارک‌های صنعتی بزرگ، عملیات موازی ترانسفورماتورها یا ژنراتورهای متعدد به منظور افزایش قابلیت اطمینان تأمین برق و کارایی انرژی به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این حال، این امر منجر به افزایش شدید سطح جریان کوتاه مدار سیستم می‌شود که اغلب ظرفیت تحمل مجاز (مانند تحمل دینامیکی / حرارتی) تجهیزات موجود مانند سوئیچ‌گیری، برشکن‌ها و ترانسفورماتورها را فراتر می‌برد.

راه‌حل‌های سنتی با چالش‌های قابل توجهی مواجه هستند:

1. برشکن‌های سنتی: زمان برش آن‌ها چند ده میلی‌ثانیه است که نمی‌تواند تأثیر اوج جریان کوتاه مدار (جریان اوج) را جلوگیری کند. تجهیزات همچنان تحت تأثیر نیروی الکترومغناطیسی و تأثیرات حرارتی عظیم قرار می‌گیرند که خطر آسیب را می‌افزاید.
2. ریاکتورهای محدودکننده جریان: اگرچه می‌توانند جریان کوتاه مدار را محدود کنند، اما عملکرد مداوم سری آن‌ها منجر به تلفات قدرت فعال مداوم (افزایش هزینه برق)، کاهش ولتاژ (تأثیر بر کیفیت برق) و تلفات قدرت واکنشی می‌شود. آن‌ها ممکن است مشکلات تنظیم ژنراتور را نیز ایجاد کنند و عملکرد اقتصادی و فنی ضعیفی دارند.
3. تعویض کامل تجهیزات: تعویض بخش‌های کامل سوئیچ‌گیری یا ترانسفورماتورها برای مقابله با افزایش جریان‌های کوتاه مدار نیازمند سرمایه‌گذاری عظیم، مهندسی پیچیده و قطع برق طولانی است.

II. راه‌حل: ارزش کاربردی اصلی محدودکننده جریان فوق سریع (FCL)

محدودکننده جریان فوق سریع (FCL) ارائه شده در این راه‌حل یک دستگاه هوشمند بر اساس پیکربندی موازی "سوئیچ سریع" و "پیوند محدودکننده جریان" است. این دستگاه به طور بنیادی چالش‌های ذکر شده را حل می‌کند و ارزش کاربردی اصلی آن در "برش میلی‌ثانیه‌ای" و "مزایای اقتصادی کامل دوره حیات" است.

مزایای کاربردی اصلی:

• محافظت فوق سریع، حذف تأثیر جریان اوج: قادر به کامل کردن تشخیص و عمل محدودکننده جریان در یک میلی‌ثانیه پس از وقوع کوتاه مدار است، که به طور موثر جریان را قبل از رسیدن به اوج تخریبی محدود می‌کند. این به طور کامل تجهیزات مانند سوئیچ‌گیری، CTs و اتصالات کابل از نیروهای الکترومغناطیسی عظیم محافظت می‌کند که با برشکن‌های سنتی غیرممکن است.
• مزایای اقتصادی قابل توجه و صرفه‌جویی در انرژی: FCL معمولاً به صورت موازی با یک ریاکتور محدودکننده جریان کاربرد دارد. در حالت عادی، جریان از طریق FCL (با تلفات نزدیک به صفر) می‌گذرد؛ در زمان کوتاه مدار، FCL به سرعت برش می‌دهد و جریان به ریاکتور منتقل می‌شود تا محدود شود. این حالت از تلفات هزینه برق قابل توجه ناشی از عملکرد طولانی مدت ریاکتورها جلوگیری می‌کند و به عنوان راه‌حل محدودکننده جریان اقتصادی‌ترین است. همزمان، از سرمایه‌گذاری گران‌قیمت تعویض کامل بخش‌های سوئیچ‌گیری جلوگیری می‌کند و به طور قابل توجهی هزینه بازسازی، گسترش یا ساخت جدید زیراستانیون را کاهش می‌دهد.
• قابلیت اطمینان بالا و طراحی بدون نیاز به نگهداری: عملکرد پایدار آن در بیش از ۶۰ سال عملیات جهانی ثابت شده است. مؤلفه اصلی عمل‌کننده آن، پل هدایت‌کننده، دارای طراحی ماژولار است. پس از عملیات، فقط ماژول داخلی نیاز به تعویض در کارخانه دارد که هزینه نگهداری آن بسیار کم است و ساختار اصلی قابل استفاده مجدد است.
• انطباق گسترده با سناریوها: این تنها یا بهترین راه‌حل فنی برای مقابله با جریان‌های کوتاه مدار بیش از حد در سناریوهایی مانند عملیات موازی ترانسفورماتورهای متعدد و اتصالات شبکه با منابع برق مستقل است.

III. سناریوهای کاربردی نمونه و راه‌حل‌ها

IV. پیاده‌سازی فنی و راهنمای انتخاب

1. تحلیل مختصر اصول کار:
   دستگاه به صورت واقعی جریان (I) و نرخ تغییر آن (di/dt) را از طریق CT‌های بوشینگ با دقت بالا می‌شناسد. از دو معیار - فقط ارسال دستور برش وقتی هر دو از حدود عبور کنند - استفاده می‌کند که به طور موثر از عملکرد نادرست جلوگیری می‌کند. پس از فعال شدن، پل هدایت‌کننده در یک میلی‌ثانیه شکسته می‌شود و جریان به پیوند محدودکننده جریان خاص موازی منتقل می‌شود که محدود کردن جریان و خاموشی نهایی قوس را در زمان بسیار کوتاهی انجام می‌دهد.
2. مدل‌های ارائه شده و انتخاب:
   سه حالت یکپارچه‌سازی با انعطاف‌پذیری بر اساس نیازهای پروژه در دسترس هستند:
• نوع مولفه‌های جدا: برای پروژه‌های بازسازی مناسب است، در داخل سوئیچ‌گیری موجود نصب می‌شود و فضا را صرفه‌جویی می‌کند.
• نوع قابل خروج (کامیون‌دار): برای سوئیچ‌گیری جدید، پل هدایت‌کننده روی یک کامیون قابل خروج نصب می‌شود که همچنین به عنوان یک سوئیچ جداکننده عمل می‌کند و نگهداری را آسان می‌کند.
• نوع کابین ثابت: برای تمام سطوح ولتاژ مناسب است، به ویژه سیستم‌های ۳۶/۴۰.۵kV. تمام مولفه‌ها در یک ساختار فشرده ثابت نصب می‌شوند.
3. پارامترهای انتخابی کلیدی (مثال):

V. خلاصه

محدودکننده جریان فوق سریع (FCL) تنها یک دستگاه جایگزین ساده نیست بلکه یک رویکرد انقلابی برای محافظت سیستم است. از طریق سرعت برش میلی‌ثانیه‌ای، این دستگاه معیار جدیدی برای محافظت کوتاه مدار تعریف می‌کند و ایمنی و مزایای اقتصادی بی‌سابقه‌ای به مشتریان ارائه می‌دهد. در مواجهه با چالش گسترده جریان‌های کوتاه مدار بیش از حد، FCL یک راه‌حل برتر و معتبر ارائه می‌دهد که به طور گسترده‌ای در هزاران پروژه در سراسر جهان اعتبار یافته است. این یک انتخاب استراتژیک برای اطمینان از قابلیت اطمینان و عملکرد اقتصادی آینده سیستم‌های برق مهم است.