Sampuwersa Solusyon para sa Fault Current Limiter (FCL) at Single-Phase Auto-Reclosing (SPAR) sa Southeast Asian EHV Power Grids
- Pagpapakilala: Paggamit at Kahalagahan ng Pag-aaral
Sa mabilis na pag-unlad ng ekonomiya sa Timog-silangang Asya, patuloy na lumalaki ang saklaw ng grid ng kuryente, at patuloy na tumataas ang mga load. Ito ay nagresulta sa mga short-circuit current ng sistema na lumapit o kahit lumampas sa limitasyon ng interrupting capacity ng circuit breaker, na nanganganib sa kaligtasan at estabilidad ng operasyon ng grid ng kuryente. Samantala, ang mga EHV transmission lines ay nagsisilbing backbone para sa regional power interconnections. Ang higit sa 70% ng mga kapinsalaan ay single-phase grounding faults, at humigit-kumulang 80% dito ay transient faults (halimbawa, lightning strikes, wind-blown foreign objects). Ang teknolohiya ng Single-Phase Auto-Reclosing (SPAR) ay isang pangunahing pamamaraan para sa mabilis na paglilinis ng mga kapinsalaan, pagbabalik ng supply ng kuryente, at pagsiguro ng estabilidad at reliabilidad ng grid.
Ang Fault Current Limiters (FCLs), partikular na ang cost-effective metal-oxide arrester (MOA)-type FCLs, ay epektibong mga hakbang para sa pagbawas ng mga short-circuit currents at paulit-ulit na ipinapakilala sa mga EHV grids. Gayunpaman, ang mayorya ng mga pag-aaral ay nakatuon sa epekto ng FCLs sa system transient stability at relay protection, na inuulit na inaabandunang ang kanilang potensyal na negatibong epekto sa SPAR success rates. Ang propuesta na ito ay naghahangad na punan ang gap na ito sa pag-aaral sa pamamagitan ng malalim na analisis ng interaksiyon sa pagitan ng FCLs at SPAR, at pagpopropona ng set ng collaborative control strategies na angkop para sa mga grid ng kuryente sa Timog-silangang Asya. Ang mga strategy na ito ay nagpapahintulot sa parehong epektibong current limiting at reliable power supply.
1. Pamamaraan ng Paggana ng Metal-Oxide Arrester-Type FCL
Ang uri ng FCL na ito ay pangunahing binubuo ng mga sumusunod na komponente, na gumagana nang magkasabay upang makamit ang pangunahing tungkulin ng "mababang impedance sa normal na operasyon at mataas na impedance sa panahon ng mga kapinsalaan":
|
Komponente |
Paglalarawan ng Tungkulin |
|
Reactor Lf (Lf = Lc + L) |
Sa normal na operasyon, ito ay resonates sa serye kasama ang capacitor Cf, na nagpapakita ng mababang impedance; sa panahon ng mga kapinsalaan, ang current-limiting reactor L ay ilalagay sa sistema. |
|
Capacitor Cf |
Partisipante sa resonance sa normal na operasyon; sa panahon ng mga kapinsalaan, ito ay mabilis na ma-short-circuited ng MOA at lumalabas sa resonant circuit. |
|
Metal-Oxide Arrester (MOA) |
Aktwal na gumagana sa deteksiyon ng short-circuit fault, na nag-conduct upang ma-short-circuit ang capacitor Cf. |
|
Bypass Switch K |
Mabilis na isinasara pagkatapos ng kapinsalaan upang bahagiin ang current at protektahan ang MOA mula sa pag-absorb ng sobrang enerhiya. Ang oras nito ay kritikal. |
|
Current-Limiting Reactor Lc |
Pangunahing nagbibigay ng limitasyon sa discharge current ng capacitor Cf sa pamamagitan ng triggering gap. |
Workflow: Sa normal na operasyon ng sistema, Lf at Cf resonate → FCL impedance ay halos zero → walang epekto sa power flow. Kapag may short-circuit fault, ang MOA mabilis na gumagana upang ma-short-circuit ang Cf → ang current-limiting reactor L ay ilalagay sa sistema upang suppresin ang short-circuit current → ang triggering gap ay bumabali at nagpapadala ng signal upang isara ang bypass switch K → pagkatapos ng K isara, ito ay nagdivert ng current upang protektahan ang MOA.
2. Analisis ng Problema: Negatibong Epekto ng FCL sa Secondary Arc Current at SPAR
Ang secondary arc current ay ang current na patuloy na nagsusuporta sa fault point pagkatapos ng fault-phase circuit breaker buksan sa panahon ng operasyon ng SPAR, na pinapanatili ng electromagnetic at electrostatic coupling mula sa mga healthy phases. Ang sukat at katangian ng current na ito ay direktang nagpapasya kung ang fault arc ay maaaring self-extinguish, na mahalaga para sa tagumpay ng SPAR.
Ang simulation analysis (batay sa EMTP, na may model parameters na naka-referensiya sa Southern China 500 kV system) ay nagpapakita na ang pag-install ng FCL maaaring magdulot ng bagong mga isyu:
- Epekto ng Oras ng Bypass Switch (K): Kung ang bypass switch K ay bukas noong ang circuit breaker trips, ang secondary arc current ay maglalaman ng component na may malaking amplitude (hanggang 225 A), mabagal na decay, at napakababang frequency (humigit-kumulang 3–3.25 Hz). Ang low-frequency component na ito ay malaki ang epekto sa pagbawas ng bilang ng current zero-crossings, na nagpapahirap sa self-extinction ng arc at malaki ang pagbawas sa SPAR success rates.
- Epekto ng Arc Path Resistance (Rg): Kapag malaki ang transition resistance sa fault point (halimbawa, 300 Ω), ang short-circuit current ay maliit, na maaaring hindi mapagana ang FCL sa line end (ang MOA ay hindi umabot sa operating voltage). Sa kasong ito, ang Cf ay nananatiling unshort-circuited at nabubuo ang low-frequency oscillation circuit kasama ang line shunt reactor, na nagpapadala rin ng low-frequency component na masama para sa pag-extinguish ng arc.
3. Pagsisiyasat ng Mekanismo: Pinagmulan ng Low-Frequency Component
Ang teoretikal na analisis gamit ang equivalent impedance networks at Laplace transforms ay nagpapakita ng mekanismo sa likod ng low-frequency component:
Ang ugat ng problema ay ang capacitor Cf sa FCL. Pagkatapos ng circuit breaker trips at ang fault phase ay na-isolate, ang enerhiyang naka-store sa Cf ay nag-discharge sa pamamagitan ng shunt reactor at fault point arc resistance. Ang discharge circuit na ito ay nabubuo ang low-frequency oscillation circuit, na may oscillation frequency (humigit-kumulang 3 Hz) na pangunahing nakadepende sa Cf at sa mga parameter ng line shunt reactor, na malaya sa lokasyon ng kapinsalaan. Ang low-frequency oscillation na ito ay nawawala lamang kung ang bypass switch K ay mananatiling sarado, na ganap na ma-short-circuit ang Cf.
4. Pangunahing Solusyon: Timing Coordination Strategy para sa FCL at SPAR
Upang siguruhin ang epektibong current limiting ng FCL nang hindi makaapekto sa SPAR, ang propuesta na ito ay nagpopropona ng sumusunod na precise timing coordination strategy, na may kabuuang duration na kontrolado sa loob ng 0.66–0.73 segundo:
|
Timing Node |
Time Interval (s) |
Process Description |
|
t0 |
- |
Nagaganap ang single-phase grounding fault sa sistema. |
|
t1 |
0.002 |
Ang MOA ay umabot sa operating voltage, gumagana upang ma-short-circuit ang Cf, at ang current-limiting reactor L ay ilalagay sa sistema. |
|
t2 |
0.002 |
Ang FCL monitoring system ay nag-trigger ng discharge gap G at parehong nagpapadala ng signal upang simulan ang pag-sara ng bypass switch K. |
|
t3 |
0.016 |
Ang line relay protection ay gumagana, nagpapadala ng circuit breaker trip signal, na parehong nagserbiyong utos upang pakinabangan ang K. |
|
t4 |
≤0.024 |
Siguraduhing fully closed ang bypass switch K. Ito ay dapat matapos bago ang circuit breaker interrupts. |
|
t5 |
0.016–0.036 |
Ang main contacts ng line circuit breakers sa parehong dulo ay bubuksan, nagputok ng fault current. |
|
t6 |
0.02 |
Ang circuit breaker opening resistors ay nag-disconnect, ganap na nai-insulate ang fault-phase line mula sa sistema; ang secondary arc ay nagsisimulang mag-burn. |
|
t7 |
0.20 |
Sa panahon ng secondary arc burning, panatilihin ang K na sarado upang alisin ang low-frequency component. Pagkatapos ng arc self-extinction, magpadala ng signal upang buksan ang K. |
|
t8 |
0.045 |
Ang bypass switch K ay buksan. |
|
t9 |
0.015 |
Ang deionization time ng fault point arc path, na nagpapasiuguro ng insulation recovery. |
|
t10 |
0.10 |
Ang closing coil ng circuit breaker ay energized, naghahanda para sa reclosing. |
|
t11 |
0.20–0.25 |
Ang circuit breaker ay isasara, na may closing resistors na naka-engage upang supresin ang switching overvoltages. |
|
t12 |
0.02 |
Ang main contacts ng circuit breaker ay isasara, ang closing resistors ay lumalabas, at ang linya ay matagumpay na nagbabalik ng supply ng kuryente. |
Strategy Core: Gumamit ng circuit breaker trip signal mula sa relay protection bilang utos upang pakinabangan ang bypass switch K mabilis at panatilihin ito sarado sa buong panahon ng secondary arc burning (humigit-kumulang 0.2 segundo). Ito ay epektibong ma-short-circuit ang Cf, ganap na nalilinis ang low-frequency oscillation component sa secondary arc current at nagbibigay ng favorable conditions para sa self-extinction ng arc.
5. Epektividad at mga Advantages ng Scheme
Ang EMTP simulations ay nagpapatunay na ang timing coordination strategy na ito ay nagpapahintulot sa sumusunod:
- Pag-alis ng Low-Frequency Harm: Ganap na nalilinis ang 3 Hz low-frequency component sa secondary arc current, na nag-iwas sa mga negatibong epekto nito sa extinction ng arc.
- Pag-optimize ng Katangian ng Arc Extinction: Nagbabawas ng humigit-kumulang 4.5% sa secondary arc extinction time at nagbabawas ng 10.5% sa power-frequency component current, na malaking nagpapabuti sa SPAR success rates.
- Compatibility at Reliability: Ang strategy ay hindi nakakaapekto sa original na voltage recovery characteristics ng sistema at nagbalanse sa FCL safety (protektado ang MOA) at rapid recovery needs.
- Kalusugan ng Implementasyon: Batay sa existing protection signals, ang strategy ay nangangailangan ng minimal na mga pagbabago sa secondary systems, mura, at angkop para sa existing o bagong EHV projects sa mga bansa sa Timog-silangang Asya.
6. Conclusion at Mga Rekomendasyon
Para sa mga EHV power grids sa Timog-silangang Asya na naka-planuhan o naka-equip na ng metal-oxide arrester-type FCLs, mahalagang bigyan ng pansin ang potensyal na isyu ng low-frequency oscillation sa secondary arc currents, na maaaring mabawasan ang SPAR success rates at nanganganib sa reliabilidad ng supply ng kuryente.
