Közös megoldás hibajárat-korlátozó (FCL) és egyfázisú automatikus újraszánási (SPAR) rendszerek számára a délkelet-ázsiai EHV villamos hálózatokban
- Bevezetés: Kutatási háttér és jelentőség
A délkelet-ázsiai országok gyors gazdasági fejlődésével a villamos hálózatok mérete folyamatosan bővül, és a terhelés is növekszik. Ez olyan helyzetbe hozza a rendszert, hogy a rövidzárlási áramok közelítnek vagy még meghaladják a vágókapcsolók leállítási képességét, súlyosan fenyegetve a villamos hálózatok biztonságát és stabilitását. Ugyanakkor az extra magas feszültségű (EHV) átviteli vezetékek regionális villamos hálózati összeköttetések alapját képezik. A hibák 70%-a egyfázis-földelési hiba, melyek közül körülbelül 80% átmeneti hibák (pl. villámütő, széllel elhordott idegen testek). Az Egyfázisú Automatikus Visszakapcsoló (SPAR) technológia egy kulcsfontosságú módszer a gyors hibaeltüntetésre, a tápellátás visszaállítására, valamint a hálózat stabilitásának és megbízhatóságának biztosítására.
A Hibaáram-Korlátozók (FCL), különösen a költséghatékony fémmelléklet-karbantartó (MOA) típusú FCL-ek, hatékony intézkedéseket jelentenek a rövidzárlási áramok korlátozására, és fokozatosan alkalmazva lettek az EHV hálózatokban. Azonban a meglévő kutatások nagy része a FCL-ek hatására a rendszer átmeneti stabilitására és a relévédelmi rendszerekre koncentrált, figyelmen kívül hagyva a SPAR sikeres működésére gyakorolt potenciálisan negatív hatásukat. Ez a javaslat arra törekszik, hogy kitölteni ezt a kutatási üres területet, a FCL-ek és a SPAR kölcsönhatásának mélyreható elemzésével, és egy sor együttműködő irányítási stratégiák előterjesztésével, amelyek megfelelnek a délkelet-ázsiai villamos hálózatok igényeinek. Ezek a stratégiák garantálják mind a hatékony áramkorlátozást, mind a megbízható tápellátást.
1. A fémmelléklet-karbantartó (MOA) típusú FCL műkövésmódja
Ez a FCL-típus elsősorban a következő komponensekből áll, amelyek együttesen működnek, hogy elérjék a "nemzetközi működés alatt alacsony ellenállást, hibák esetén magas ellenállást" alapvető funkciót:
|
Komponens |
Funkció leírása |
|
Induktor Lf (Lf = Lc + L) |
Normál működés közben rezgással működik sorban a Cf kondenzátorral, alacsony ellenállást mutatván; hiba esetén a korlátozó induktor L bekerül a rendszerbe. |
|
Kondenzátor Cf |
Rezgással vesz részt normál működés közben; hiba esetén a MOA gyorsan kivesszőti, és kilép a rezgási körből. |
|
Fémmelléklet-karbantartó (MOA) |
Azonnal reagál a rövidzárlási hiba észlelésekor, a Cf kondenzátor vészleltetésével. |
|
Átkapcsoló K |
Gyorsan zárul a hiba után, hogy osztozzon az áramban, és védje a MOA-t túlzott energiaszívástól. Időzítése kritikus fontosságú. |
|
Áramkorlátozó induktor Lc |
Főleg a Cf kondenzátor kilövési áramát korlátozza a kapcsoló régen keresztül. |
Működési folyamat: Normál rendszerműködés közben Lf és Cf rezgnek → a FCL ellenállása majdnem nulla → nincs hatása az áramfolyásra. Rövidzárlási hiba esetén a MOA gyorsan reagál, a Cf kondenzátort vészlelteti → a korlátozó induktor L bekerül a rendszerbe, hogy korlátozza a rövidzárlási áramot → a kapcsoló rége bezárul, és jelzést küld az átkapcsoló K zárására → K zárása után áramot átirányít, hogy védje a MOA-t.
2. Problémaelemzés: A FCL negatív hatásai a másodlagos íváramra és a SPAR-ra
A másodlagos íváram a SPAR működése közben, a hibafázisú vágókapcsoló megnyitása után továbbra is fenntartja a hibahelyet, elektromágneses és elektrosztatikus kölcsönhatásokkal a tiszta fázisoktól. Ez az áram mértéke és jellemzői közvetlenül befolyásolják, hogy a hibaív képes-e önállóan kihaltani, ami kritikus a SPAR sikeres működéséhez.
Szimulációs elemzés (EMTP alapján, a modell paraméterei egy délkelet-kinai 500 kV rendszerre vonatkoznak) azt mutatja, hogy a FCL telepítése új problémákat okozhat:
- Az Átkapcsoló (K) időzítésének hatása: Ha az átkapcsoló K nyitva van, amikor a vágókapcsoló bezár, a másodlagos íváram egy nagy amplitúdójú (akár 225 A), lassan lecsengő, nagyon alacsony frekvenciájú (kb. 3–3,25 Hz) komponenssel bővül. Ez az alacsonyfrekvenciás komponens jelentősen csökkenti az áram nullátmetszések számát, nehézítve az ív kihaltását, és jelentősen csökkentve a SPAR sikeres működésének arányát.
- A hibaív ellenállásának (Rg) hatása: Ha a hibahelyen lévő átmeneti ellenállás nagy (pl. 300 Ω), a rövidzárlási áram kis, amely lehet, hogy nem aktiválja a vonallégvégén lévő FCL-et (a MOA nem éri el a működési feszültséget). Ilyen esetben a Cf kondenzátor nem vészleltetett, és alacsonyfrekvenciás rezgéscircuitot formál a vonal párhuzamos reaktorával, hasonlóan káros alacsonyfrekvenciás komponenset generálva az ív kihaltásához.
3. Mechanizmus vizsgálata: Az alacsonyfrekvenciás komponens eredete
Az ekvivalens ellenállás hálózatok és Laplace-transzformációk segítségével végzett elméleti elemzés felismert a mechanizmust, amely az alacsonyfrekvenciás komponens mögött áll:
A legfőbb oka a FCL-ben lévő Cf kondenzátor. Miután a vágókapcsoló bezár, és a hibafázis elkülönül, a Cf-ben tárolt energia a párhuzamos reaktor és a hibaív ellenállás keresztül lesz kivenve. Ez a kivenési circuit alacsonyfrekvenciás rezgéscircuitot formál, amely rezgési frekvenciája (kb. 3 Hz) főleg a Cf és a vonal párhuzamos reaktor paramétereitől függ, nagyjából függetlenül a hiba helyétől. Ez az alacsonyfrekvenciás rezgéscircuit csak akkor tűnik el, ha az átkapcsoló K zárva marad, teljesen vészleltetve a Cf kondenzátort.
4. Alapvető megoldás: Időzítési koordinációs stratégia a FCL és a SPAR számára
A FCL hatékony áramkorlátozásának biztosítása anélkül, hogy a SPAR-re ne legyen hatás, ez a javaslat a következő pontos időzítési koordinációs stratégiát javasolja, amelynek teljes időtartama 0,66–0,73 másodperc között van:
|
Időzítési csomópont |
Időtartam (s) |
Folyamat leírása |
|
t0 |
- |
Egyfázisú földelési hiba lép fel a rendszerben. |
|
t1 |
0,002 |
A MOA eléri a működési feszültséget, reagál, a Cf kondenzátort vészlelteti, és a korlátozó induktor L bekerül a rendszerbe. |
|
t2 |
0,002 |
A FCL monitorozási rendszere aktiválja a G kapcsoló réget, és ugyanakkor jelzést küld az átkapcsoló K zárásának indítására. |
|
t3 |
0,016 |
A vonal relévédelem működik, vágókapcsoló bezáró jelzést ad, ami egyben parancsot ad K erőltetett zárására. |
|
t4 |
≤0,024 |
Biztosítható, hogy az átkapcsoló K teljesen zárva van. Ez a vágókapcsoló bezárása előtt el kell végezni. |
|
t5 |
0,016–0,036 |
A vonal végpontjain lévő vágókapcsolók főkapcsolói bezárulnak, a hibaáramot leválasztva. |
|
t6 |
0,02 |
A vágókapcsoló nyitóellenállásai kikapcsolódnak, teljesen elválasztva a hibafázisú vonalat a rendszertől; a másodlagos ív kezd égésre. |
|
t7 |
0,20 |
A másodlagos ív égésének idejében K zárva marad, hogy kiveszi az alacsonyfrekvenciás komponenst. Az ív kihaltása után jelzést ad K nyitására. |
|
t8 |
0,045 |
Az átkapcsoló K nyitva áll. |
|
t9 |
0,015 |
A hibaív ellenállás ionizálódási ideje, biztosítva a izoláció helyreállítását. |
|
t10 |
0,10 |
A vágókapcsoló záró teherkör energiát kap, felkészülve a visszakapcsolásra. |
|
t11 |
0,20–0,25 |
A vágókapcsoló bezárul, a záróellenállásokkal együtt, hogy csökkentsék a kapcsolási túlfeszültségeket. |
|
t12 |
0,02 |
A vágókapcsoló főkapcsolói bezárulnak, a záróellenállások kijárnak, és a vonal sikeresen visszakapcsolódik, a tápellátást folytatva. |
Stratégia alapja: A relévédelem vágókapcsoló bezáró jelzését használja parancsként, hogy erőltessen az átkapcsoló K gyors zárását, és azt tartja zárva a másodlagos ív égésének teljes ideje alatt (kb. 0,2 másodperc). Ez hatékonyan vészlelteti a Cf kondenzátort, teljesen kiveszi az alacsonyfrekvenciás rezgéscircuitet a másodlagos íváramból, és kedvező feltételeket teremt az ív kihaltásához.
5. A terv hatékonysága és előnyei
Az EMTP-szimulációk igazolták, hogy ez az időzítési koordinációs stratégia a következőket éri el:
- Alacsonyfrekvenciás káros hatások kiküszöbölése: Teljesen kiveszi a 3 Hz-es alacsonyfrekvenciás komponenst a másodlagos íváramból, elkerülve annak káros hatásait az ív kihaltására.
- Ív kihaltási jellemzők optimalizálása: A másodlagos ív kihaltási ideje kb. 4,5%-kal csökken, a hálózati frekvenciájú komponens áram pedig 10,5%-kal csökken, jelentősen javítva a SPAR sikeres működésének arányát.
- Kompatibilitás és megbízhatóság: A stratégia nem befolyásolja a rendszer eredeti feszültség-helyreállítási jellemzőit, és kiegyensúlyozza a FCL biztonságát (a MOA védelme) a gyors helyreállítási igényekkel.
- Implementáció könnyűsége: A meglévő védelmi jelzések alapján a stratégia minimális módosításokat igényel a másodrendű rendszerekben, alacsony költséggel, alkalmas a délkelet-ázsiai országokban már meglévő vagy új EHV projektekre.
6. Következtetés és ajánlások
A délkelet-ázsiai EHV villamos hálózatok számára, akik tervezik vagy már telepítettek fémmelléklet-karbantartó (MOA) típusú FCL-eket, fontos, hogy nagy hangsúlyt fektessenek a másodlagos íváram alacsonyfrekvenciás rezgéscircuitje potenciális problémájára, mivel ez csökkentheti a SPAR sikeres működésének arányát, és fenyegetheti a tápellátás megbízhatóságát.
