Съвместно решение за ограничител на тока при повреда (FCL) и автоматично повторно включване на еднофазен преход (SPAR) в югозападноазиатските ВН мрежи

1. Въведение: Изследователски контекст и значимост​
   С рязкото икономическо развитие в Югоизточна Азия, мащабите на електрическите мрежи постоянно се разширяват, а нагрузката продължава да нараства. Това води до това, че системните късо-замкнати токове се приближават или дори надхвърлят границите на капацитета за прекъсване на автоматичните предпазни устройства, което сериозно заплашва безопасността и стабилността на операциите на електрическата мрежа. Едновременно с това високоенергийните (EHV) линии за пренос на енергия служат като основа за регионалната енергийна свързаност. Над 70% от дефектите са единично-фазни замърсявания, а около 80% от тях са преходни дефектни състояния (например удари от мълнии, ветрови обекти). Технологията за автоматично повторно затваряне след единично-фазно замърсяване (SPAR) е ключов метод за бързо изчистване на дефектите, възстановяване на доставката на електроенергия и осигуряване на стабилността и надеждността на мрежата.

Ограничителите на дефектни токове (FCL), особено икономически изгодните ограничители на дефектни токове от тип метал-оксиден гасител (MOA), са ефективни мерки за поддаване на късо-замкнатите токове и бавно се прилагат в EHV мрежи. Въпреки това, съществуващите изследвания са се фокусирали главно върху влиянието на FCL върху преходната стабилност на системата и релейната защита, пренебрегвайки техния потенциален неблагоприятен ефект върху успеха на SPAR. Това предложение цели да запълни тази празнина в изследванията, като проведе детайлна анализа на взаимодействието между FCL и SPAR, и предлага набор от съвместни контролни стратегии, подходящи за електрическите мрежи в Югоизточна Азия. Тези стратегии гарантират както ефективно ограничаване на тока, така и надеждна доставка на енергия.

​1. Работен принцип на ограничителя на дефектни токове от тип метал-оксиден гасител (MOA)​
Този вид FCL се състои главно от следните компоненти, които работят в съгласуваност, за да постигнат основната функция "низко импедансно съпротивление при нормална работа и високо импедансно съпротивление при дефект":

Работен процес: По време на нормална работа на системата, Lf и Cf резонират → импедансът на FCL е почти нулев → няма влияние върху потока на енергията. Когато се случи късо-замкнат дефект, MOA бързо действа, за да закръгли Cf → ограничителният реактор L се включва в системата, за да подави късо-замкнатия ток → активиращият разтвор се разбива и изпраща сигнал за затваряне на обиколния превключвател K → след затварянето на K, той отклонява тока, за да защити MOA.

​2. Анализ на проблема: Неблагоприятни ефекти на FCL върху вторичния дъгов ток и SPAR​
Вторичният дъгов ток е токът, който продължава да поддържа дефектната точка след отварянето на дефектната фаза от автоматичното предпазно устройство по време на операцията на SPAR, поддържан от електромагнитна и електростатична свързаност от здравите фази. Магнитудата и характеристиките на този ток директно определят дали дефектната дъга може да се самоизгаси, което е критично за успеха на SPAR.

Анализ на симулации (основан на EMTP, с параметри на модела, които се отнасят до система от 500 kV в Южна Китай) показва, че инсталирането на FCL може да въведе нови проблеми:

• Влияние на момента на затваряне на обиколния превключвател (K): Ако обиколният превключвател K е отворен, когато автоматичното предпазно устройство се активира, вторичният дъгов ток ще включва компонент с голяма амплитуда (до 225 A), бавно намаляване и много ниска честота (приблизително 3–3.25 Hz). Този нискочестотен компонент значително намалява броя на нулевите преминавания на тока, което прави трудно самоизгасването на дъгата и значително намалява успеха на SPAR.
• Влияние на съпротивлението на пътя на дъгата (Rg): Когато преходното съпротивление в дефектната точка е голямо (например 300 Ω), късо-замкнатият ток е малък, което може да предотврати активирането на FCL в края на линията (MOA не достига операционното напрежение). В този случай, Cf остава незакръглен и формира нискочестотна осцилираща верига с паралелния реактор на линията, което аналогично генерира нискочестотен компонент, неблагоприятен за изгасването на дъгата.

​3. Изследване на механизма: Произход на нискочестотния компонент​
Теоретичен анализ, използвайки еквивалентни импедансни мрежи и преобразувания на Лаплас, разкрива механизма зад нискочестотния компонент:
Основната причина е кондензаторът Cf в FCL. След активирането на автоматичното предпазно устройство и изолирането на дефектната фаза, енергията, съхранена в Cf, се разтоварва през паралелния реактор и съпротивлението на дъгата в дефектната точка. Тази разтоварваща верига формира нискочестотна осцилираща верига, с осцилираща честота (приблизително 3 Hz), основно определена от Cf и параметрите на паралелния реактор на линията, в голяма степен независимо от местоположението на дефекта. Тази нискочестотна осцилация се елиминира само когато обиколният превключвател K остане затворен, напълно закръглявайки Cf.

​4. Основно решение: Стратегия за координиране на моменти между FCL и SPAR​
За да се гарантира ефективното ограничаване на тока от FCL, без да се влияе на SPAR, това предложение предлага следната точна стратегия за координиране на моменти, с общо време, контролирано в рамките на 0.66–0.73 секунди:

Ядро на стратегията: Използването на сигнала за отваряне на автоматичното предпазно устройство от релейната защита като команда за принудително и бързо затваряне на обиколния превключвател K, който остава затворен през целия период на горене на вторичната дъга (приблизително 0.2 секунди). Това ефективно закръгля Cf, напълно елиминирайки нискочестотния осцилиращ компонент в вторичния дъгов ток и създавайки благоприятни условия за самоизгасването на дъгата.

​5. Ефективност и преимущества на схемата​
Симулации с EMTP потвърждават, че тази стратегия за координиране на моменти постига следното:

1. Елиминиране на нискочестотни вреди: Комплектно елиминира 3 Hz нискочестотния компонент в вторичния дъгов ток, избягвайки неговите неблагоприятни ефекти върху изгасването на дъгата.
2. Оптимизиране на характеристиките на изгасването на дъгата: Намалява времето за изгасване на вторичната дъга с приблизително 4.5% и намалява тока на силопречестотния компонент с 10.5%, значително подобрявайки успеха на SPAR.
3. Съвместимост и надеждност: Стратегията не влияе на оригиналните характеристики на възстановяване на напрежението на системата и балансира безопасността на FCL (защита на MOA) с бързите нужди за възстановяване.
4. Лесна реализация: На базата на съществуващи защитни сигнали, стратегията изисква минимални модификации на вторичните системи, е с ниска цена и е подходяща за съществуващи или нови EHV проекти в страните на Югоизточна Азия.

​6. Заключение и препоръки​
За EHV електрическите мрежи в Югоизточна Азия, планиращи или вече оборудвани с ограничители на дефектни токове от тип метал-оксиден гасител, е важно да се обърне внимание на потенциалния проблем с нискочестотната осцилация в вторичния дъгов ток, който може да намали успеха на SPAR и да заплаши надеждността на доставката на енергия.