Spolupracující řešení pro omezovač chybového proudu (FCL) a jednofázové automatické přepínání (SPAR) v jihovýchroasijských EHV elektrických síťích
- Úvod: Pozadí výzkumu a význam
S rychlým ekonomickým rozvojem v jihovýchodní Asii se síť elektrické distribuce neustále rozšiřuje a zatěžování stále roste. To vedlo k tomu, že systémové krátkozavření proudy se blíží nebo dokonce překračují limity přerušovací kapacity vypínačů, což vážně ohrožuje bezpečnost a stabilitu provozu elektrické sítě. Zároveň slouží EHV přenosové linky jako základ pro regionální propojení elektrických sítí. Přes 70 % poruch jsou jednofázové zemní poruchy a přibližně 80 % z nich jsou přechodné poruchy (např. blesky, vítr nesoucí cizí objekty). Technologie jednofázového automatického připojení (SPAR) je klíčovou metodou pro rychlé odstranění poruch, obnovení dodávky elektrické energie a zajištění stability a spolehlivosti sítě.
Omezovače chybového proudu (FCL), zejména ekonomické omezovače typu metaloxidový ochranný přístroj (MOA), jsou efektivními opatřeními pro potlačení krátkozavření proudů a postupně se uplatňují v EHV sítích. Avšak dosavadní výzkum se většinou zaměřoval na dopad FCL na transienční stabilitu systému a reléovou ochranu, zanedbávaje jejich potenciální nepříznivý dopad na úspěšnost SPAR. Tento návrh má za cíl zaplnit tuto výzkumnou mezernu provedením hluboké analýzy interakce mezi FCL a SPAR a navržením sady kooperativních řídicích strategií vhodných pro jihovýchodoasijské elektrické sítě. Tyto strategie zajišťují jak efektivní omezení proudu, tak spolehlivou dodávku elektrické energie.
1. Pracovní princip omezovače typu metaloxidový ochranný přístroj (MOA)
Tento typ FCL se skládá především z následujících komponent, které ve spolupráci dosahují jádrové funkce "nízké impedanci během normálního provozu a vysoké impedanci během poruch":
|
Komponenta |
Funkční popis |
|
Reaktor Lf (Lf = Lc + L) |
Během normálního provozu rezonuje sériově s kondenzátorem Cf, nabízejí nízkou impedanci; během poruch se do systému vloží omezovací reaktor L. |
|
Kondenzátor Cf |
Účastní se rezonance během normálního provozu; během poruch je rychle zakrátkován MOA a vystupuje z rezonančního obvodu. |
|
Metaloxidový ochranný přístroj (MOA) |
Působí okamžitě po detekci krátkozavření, vedením zakrátkovává kondenzátor Cf. |
|
Obchvatný spínač K |
Rychle se zavře po poruše, aby sdílel proud a chránil MOA před absorpcí příliš velkého množství energie. Jeho časování je klíčové. |
|
Omezovací reaktor Lc |
Hlavně omezuje vybíjecí proud kondenzátoru Cf skrze spouštěcí mezera. |
Pracovní postup: Během normálního provozu systému Lf a Cf rezonují → impedancí FCL je téměř nulová → nemá vliv na tok elektrické energie. Po výskytu krátkozavření MOA rychle působí a zakrátkovává Cf → omezovací reaktor L se vloží do systému k potlačení krátkozavření proudu → spouštěcí mezera selže a odešle signál ke zavření obchvatného spínače K → po zavření K odkloní proud k ochraně MOA.
2. Analýza problému: Nepříznivý dopad FCL na sekundární obloukový proud a SPAR
Sekundární obloukový proud je proud, který udržuje místo poruchy po otevření fázového vypínače během provozu SPAR, podporovaný elektromagnetickým a elektrostatickým spojením z zdravých fází. Velikost a charakteristiky tohoto proudu přímo určují, zda se poruchový oblouk může samočinně zhasnout, což je klíčové pro úspěch SPAR.
Simulační analýza (založena na EMTP, s parametry modelu odkazujícími na jihočínský systém 500 kV) ukazuje, že instalace FCL může způsobit nové problémy:
- Dopad času zavření obchvatného spínače (K): Pokud je obchvatný spínač K otevřen, když se vypínač vypne, sekundární obloukový proud bude obsahovat složku s velkou amplitudou (až 225 A), pomalým poklesem a velmi nízkou frekvencí (přibližně 3–3.25 Hz). Tato nízkofrekvenční složka výrazně snižuje počet průniků proudu nulou, což ztěžuje samočinné zhasnutí oblouku a značně snižuje úspěšnost SPAR.
- Dopad odpornosti cesty oblouku (Rg): Pokud je přechodová odpornost v místě poruchy velká (např. 300 Ω), krátkozavření proud je malý, což může zabránit aktivaci FCL na konci linky (MOA nedosáhne pracovního napětí). V tomto případě zůstane Cf nezakrátkován a tvoří nízkofrekvenční oscilační obvod s paralelním reaktorem linky, což opět generuje nízkofrekvenční složku škodlivou pro zhasnutí oblouku.
3. Mechanismus vyšetření: Původ nízkofrekvenční složky
Teoretická analýza pomocí ekvivalentních impedančních sítí a Laplaceovy transformace odhaluje mechanismus nízkofrekvenční složky:
Kořenovou příčinou je kondenzátor Cf v FCL. Po vypnutí vypínače a izolaci poruchové fáze se energie uložená v Cf vybije skrze paralelní reaktor a odpornost oblouku v místě poruchy. Tento vybíjecí obvod tvoří nízkofrekvenční oscilační obvod s frekvencí (přibližně 3 Hz) hlavně určenou Cf a parametry paralelního reaktoru linky, v zásadě nezávisle na místě poruchy. Tato nízkofrekvenční oscilace je eliminována pouze tehdy, když zůstává obchvatný spínač K zavřen, kompletně zakrátkován Cf.
4. Klíčové řešení: Strategie koordinace časování FCL a SPAR
Pro zajištění efektivního omezení proudu FCL bez ovlivnění SPAR tento návrh navrhuje následující přesnou strategii koordinace časování, s celkovou dobou kontrolovanou v rozmezí 0.66–0.73 sekundy:
|
Časový uzel |
Časové interval (s) |
Popis procesu |
|
t0 |
- |
V systému nastane jednofázová zemní porucha. |
|
t1 |
0.002 |
MOA dosáhne pracovního napětí, působí a zakrátkovává Cf, a omezovací reaktor L se vloží do systému. |
|
t2 |
0.002 |
Monitorovací systém FCL spustí vybíjecí mezera G a současně odešle signál ke startu zavírání obchvatného spínače K. |
|
t3 |
0.016 |
Reléová ochrana linky působí, vydává signál k vypnutí vypínače, který také slouží jako příkaz k silnému zavření K. |
|
t4 |
≤0.024 |
Zajistit, aby byl obchvatný spínač K plně zavřen. To musí být dokončeno před vypnutím vypínače. |
|
t5 |
0.016–0.036 |
Hlavní kontakty vypínačů na obou koncích linky se otevřou, odříznou poruchový proud. |
|
t6 |
0.02 |
Odpornost vypínacího vypínače se odpojí, kompletně izoluje poruchovou fázi od systému; sekundární oblouk začne hořet. |
|
t7 |
0.20 |
Během hoření sekundárního oblouku udržte K zavřené k eliminaci nízkofrekvenční složky. Po samočinném zhasnutí oblouku vydejte signál k otevření K. |
|
t8 |
0.045 |
Obchvatný spínač K se otevře. |
|
t9 |
0.015 |
Čas deionizace cesty oblouku v místě poruchy, zajistí obnovu izolace. |
|
t10 |
0.10 |
Cívek vypínacího vypínače je energizován, připravuje se k opětovnému připojení. |
|
t11 |
0.20–0.25 |
Vypínač se zavře, s zapojením vypínací odpornosti k potlačení přepínacích přetlaků. |
|
t12 |
0.02 |
Hlavní kontakty vypínače se zavřou, vypínací odpornost odstoupí a linka úspěšně obnoví dodávku elektrické energie. |
Jádro strategie: Použijte signál k vypnutí vypínače z reléové ochrany jako příkaz k rychlému a silnému zavření obchvatného spínače K a udržujte ho zavřený po celou dobu hoření sekundárního oblouku (přibližně 0.2 sekundy). Tím se efektivně zakrátkuje Cf, kompletně eliminuje nízkofrekvenční oscilační složku v sekundárním obloukovém proudu a vytvoří příznivé podmínky pro samočinné zhasnutí oblouku.
5. Efektivita a výhody schématu
Simulace EMTP ověřily, že tato strategie koordinace časování dosahuje následujícího:
- Eliminace nízkofrekvenčního škodu: Kompletně eliminuje 3 Hz nízkofrekvenční složku v sekundárním obloukovém proudu, zabrání jejímu nepříznivému dopadu na zhasnutí oblouku.
- Optimalizace charakteristik zhasnutí oblouku: Sníží dobu zhasnutí sekundárního oblouku přibližně o 4.5% a sníží sílu proudu s frekvencí síťového proudu o 10.5%, což výrazně zlepší úspěšnost SPAR.
- Kompatibilita a spolehlivost: Strategie nespůsobí vliv na původní charakteristiky obnovy napětí systému a vyvažuje bezpečnost FCL (ochrana MOA) s potřebami rychlé obnovy.
- Snadná implementace: Na základě existujících ochranných signálů strategie vyžaduje minimální úpravy sekundárních systémů, je nízké náklady a vhodná pro existující nebo nové projekty EHV v zemích jihovýchodní Asie.
6. Závěr a doporučení
Pro jihovýchodoasijské EHV elektrické sítě, které plánují nebo již disponují omezovači typu metaloxidový ochranný přístroj (MOA), je nezbytné důkladně posoudit potenciální problém nízkofrekvenční oscilace v sekundárním obloukovém proudu, který může snížit úspěšnost SPAR a ohrozit spolehlivost dodávky elektrické energie.
