Yhteistyösopimus sähkövirtarajoittimen (FCL) ja yksivaiheautomaattipitoiminnan (SPAR) käytölle Etelä-Aasian EHV-sähköverkoissa

1. Johdanto: Tutkimuksen tausta ja merkitys​
   Kun Etelä-Aasian talous kasvaa nopeasti, sähköverkot laajenevat ja kuormat lisääntyvät. Tämä on johtanut siihen, että järjestelmän lyhytkiertosähkövirrat lähestyvät tai ylittävät sirkkeiden katkaisukapasiteettirajoituksia, mikä vaarantaa vakavasti sähköverkon toiminnan turvallisuuden ja vakauden. Samalla EHK- (erittäin korkean jännitteen) siirtolinjat toimivat alueellisten sähköverkkoyhteyksien selkärankana. Yli 70 % vikoista ovat yhden vaiheen maastaumavirheitä, ja noin 80 % näistä ovat tilapäisiä vikoja (esim. ukkoskuljet, tuulen tuomat ulkopuoliset kappaleet). Yhden vaiheen automaattinen uudelleensulkeminen (SPAR) on avainmenetelmä nopealle vikojen poistamiselle, sähköntoimituksen palauttamiselle ja sähköverkon vakauden ja luotettavuuden takaamiselle.

Sähkövirran rajoittimet (FCL:t), erityisesti kustannustehokkaat metallioksidin vastus (MOA)-tyypin FCL:t, ovat tehokkaita toimenpiteitä lyhytkiertosähkövirtojen hillitsemiseksi ja ne on käytetty yhä enemmän EHK-verkoissa. Kuitenkin olemassa oleva tutkimus on keskittynyt pääasiassa FCL:n vaikutuksiin järjestelmän väliaikaisten tilojen vakautta ja suojalaitteita koskeviin asioihin, unohtaen niiden potentiaaliset haitalliset vaikutukset SPAR:n menestymisasteeseen. Tämä ehdotus tähtää tämän tutkimuspulan täyttämiseen syventävällä analyysillä FCL:n ja SPAR:n välisestä vuorovaikutuksesta, ja ehdottaa sopivaa joukkoa yhteistyöllisiä ohjausstrategioita Etelä-Aasian sähköverkoille. Nämä strategiat varmistavat sekä tehokkaan sähkövirran rajoittamisen että luotettavan sähköntoimituksen.

​1. Metallioksidin vastus -tyypin FCL:n toimintaperiaate​
Tämä tyypin FCL koostuu pääasiassa seuraavista komponenteista, jotka toimivat yhteistyössä saavuttaakseen ytimen funktion "matala impedanssi normaalissa toiminnassa ja korkea impedanssi vikojen aikana":

Toimintaperiaate: Normaalissa järjestelmän toiminnassa Lf ja Cf resonoivat → FCL:n impedanssi on lähes nolla → ei vaikutusta sähkövirran virtaukseen. Kun lyhytkiertovirhe tapahtuu, MOA toimii nopeasti kondensaattorin Cf kytkemiseksi pois → sähkövirran rajoittava reaktori L liitetään järjestelmään lyhytkiertosähkövirran hillitsemiseksi → läpi kulkeva aukko romuttuu ja lähettää signaalin ohituskytkimen K sulkeutumiseksi → kun K on suljettu, se ohjaa sähkövirtaa MOA:n suojelemiseksi.

​2. Ongelman analyysi: FCL:n haitalliset vaikutukset toissijaiseen kaarien virraan ja SPAR:iin​
Toissijainen kaarien virra on sähkövirta, joka jatkaa vikopisteen ylläpitämistä SPAR:n toiminnon aikana, kun vikovaiheen sirkki avautuu, ja se on ylläpidetty terveiden vaiheiden sähkömagneettisella ja sähköstatillisella koppulaisella. Tämän sähkövirran suuruus ja ominaisuudet määrittävät suoraan, voiko vikokaari sammutua itsestään, mikä on kriittistä SPAR:n menestyksestä.

Simulointianalyysi (perustuen EMTP:hen, malliparametreilla, jotka viittaavat eteläkiinalaiseen 500 kV järjestelmään) osoittaa, että FCL:n asentaminen voi tuoda mukanaan uusia ongelmia:

• Ohituskytkimen (K) ajoituksen vaikutus: Jos ohituskytkin K on auki, kun sirkki katkaisee, toissijainen kaarien virra sisältää komponentin, jolla on suuri amplitudi (jopa 225 A), hitaasti heikkenevä ja hyvin matala taajuus (noin 3–3.25 Hz). Tämä matalataajuinen komponentti vähentää huomattavasti sähkövirran nollakertymiä, mikä tekee kaaren itsesammutumisesta vaikeaa ja merkittävästi pienentää SPAR:n menestymismahdollisuuksia.
• Vikopolun vastuksen (Rg) vaikutus: Kun vikokohtaan liittyvä siirtymävastus on suuri (esim. 300 Ω), lyhytkiertosähkövirta on pieni, mikä voi estää FCL:n linjan päähän asennetun aktivoinnin (MOA ei saavuta toimintajännitettä). Tällöin Cf pysyy kytkettynä ja muodostaa matalatajuisen värähtelypiirin linjan rinnakkaisreaktorin kanssa, tuottamalla matalatajuisen komponentin, joka on haitallinen kaaren sammutumiselle.

​3. Mekanismi tutkimuksessa: Matalatajuisen komponentin alkuperä​
Teoreettinen analyysi ekvivalenttien impedanssiverkkojen ja Laplace-muunnosten avulla paljastaa matalatajuisen komponentin mekanismin:
Juuri syy on FCL:n kondensaattori Cf. Kun sirkki katkaisee ja vikovaihe eristetään, Cf:n sisällä oleva energia purkautuu rinnakkaisreaktorin ja vikokohtaan liittyvän kaarien vastuksen kautta. Tämä purkautumispiiri muodostaa matalatajuisen värähtelypiirin, jonka värähtelytaajuus (noin 3 Hz) määräytyy pääasiassa Cf:n ja linjan rinnakkaisreaktorin parametreista, olipa vikopaikka mikä tahansa. Tämä matalatajuinen värähtely poistetaan vain, kun ohituskytkin K pysyy suljetuna, kytkemällä Cf kokonaan pois.

​4. Ydinratkaisu: Tarkka ajoituskoordinointistrategia FCL:lle ja SPAR:lle​
Varmistaaksemme FCL:n tehokkaan sähkövirran rajoittamisen ilman SPAR:lle aiheutuvia vaikutuksia, tämä ehdotus ehdottaa seuraavaa tarkkaa ajoituskoordinointistrategiaa, jossa kokonaiskestus on kontrolloitu 0.66–0.73 sekuntiin:

Strategian ydin: Käytä suojalaitteiden sirkkien katkaisusignaalia käskynä pakottaa ohituskytkin K sulkeutumaan nopeasti ja pitämään sen suljetuksi koko toissijaisen kaaren polttamisajan (noin 0.2 sekuntia) ajan. Tämä kytketsee Cf:n kokonaan pois, poistaa täydellisesti matalatajuisen värähtelykomponentin toissijaisesta kaarien virrasta ja luo suotuisat olosuhteet kaaren itsesammutumiselle.

​5. Ratkaisun tehokkuus ja edut​
EMTP-simulaatiot vahvistavat, että tämä ajoituskoordinointistrategia saavuttaa seuraavat:

1. Matalatajuisten haittojen poistaminen: Poistaa täydellisesti 3 Hz:n matalatajuisen komponentin toissijaisesta kaarien virrasta, välttää sen haitalliset vaikutukset kaaren sammutumiseen.
2. Kaaren sammutumisominaisuuksien optimointi: Vähentää toissijaista kaaren sammutusaikaa noin 4.5 % ja vähentää sähkövirran taajuuskomponentin sähkövirran noin 10.5 %, parantaa huomattavasti SPAR:n menestymismahdollisuuksia.
3. Yhteensopivuus ja luotettavuus: Strategia ei vaikuta järjestelmän alkuperäisiin jännitteen palautumisominaisuuksiin ja tasapainottaa FCL:n turvallisuuden (MOA:n suojelemisen) ja nopean palautumisen tarpeet.
4. Toteutettavuus: Perustuen olemassa oleviin suojalaitteiden signaaleihin, strategia vaatii vähän muutoksia toissijaisiin järjestelmiin, on edullinen ja soveltuu olemassa oleviin tai uusiin EHK-hankkeisiin Etelä-Aasian maissa.

​6. Johtopäätökset ja suositukset​
Etelä-Aasian EHK-sähköverkoille, jotka suunnittelevat tai jo ovat varustaneet metallioksidin vastus-tyypin FCL:llä, on tärkeää kiinnittää erityistä huomiota matalatajuiseen värähtelyyn toissijaisessa kaarien virrassa, joka voi vähentää SPAR:n menestymismahdollisuuksia ja uhata sähköntoimituksen luotettavuutta.