Penyelesaian Berkolaborasi untuk Pembatas Arus Kerosakan (FCL) dan Auto-Penyambungan Semula Fasa Tunggal (SPAR) dalam Grid Kuasa EHV Asia Tenggara
- Pengenalan: Latar Belakang dan Kepentingan Penyelidikan
Dengan pembangunan ekonomi yang pesat di Asia Tenggara, skala grid elektrik terus berkembang, dan beban terus meningkat. Ini telah menyebabkan arus pendek sistem mendekati atau bahkan melebihi had kapasiti pemutusan pekap, mengancam serius keselamatan dan kestabilan operasi grid elektrik. Sementara itu, laluan penghantaran EHV bertindak sebagai tulang belakang untuk interkoneksi tenaga kawasan. Lebih daripada 70% kesalahan adalah kesalahan penyambungan tanah fasa tunggal, dan kira-kira 80% daripadanya adalah kesalahan sementara (contohnya, sambaran petir, objek asing diterbangkan oleh angin). Teknologi Auto-Pemutusan Semula Fasa Tunggal (SPAR) adalah kaedah utama untuk membersihkan kesalahan dengan cepat, memulihkan bekalan tenaga, dan menjamin kestabilan dan kebolehpercayaan grid.
Pembatas Arus Kesalahan (FCLs), terutamanya FCL jenis pelindung oksida logam (MOA) yang berpatutan dari segi kos, adalah langkah-langkah yang efektif untuk menekan arus pendek dan telah digunakan secara beransur-ansur dalam grid EHV. Walau bagaimanapun, penyelidikan sedia ada kebanyakannya difokuskan kepada kesan FCLs terhadap kestabilan sementara sistem dan perlindungan relai, mengabaikan kesan buruk potensial mereka terhadap kadar kejayaan SPAR. Cadangan ini bertujuan untuk mengisi jurang penyelidikan ini dengan menganalisis secara mendalam interaksi antara FCLs dan SPAR, dan mencadangkan satu set strategi kawalan kolaboratif yang sesuai untuk grid tenaga Asia Tenggara. Strategi-strategi ini memastikan kedua-dua pembatasan arus yang efektif dan bekalan tenaga yang boleh dipercayai.
1. Prinsip Kerja FCL Jenis Pelindung Oksida Logam
Jenis FCL ini terutamanya terdiri daripada komponen-komponen berikut, yang bekerja bersama-sama untuk mencapai fungsi inti "rendah impedansi semasa operasi normal dan tinggi impedansi semasa kesalahan":
|
Komponen |
Penerangan Fungsi |
|
Reaktor Lf (Lf = Lc + L) |
Semasa operasi normal, ia beresonans bersiri dengan kapasitor Cf, menunjukkan rendah impedansi; semasa kesalahan, reaktor pembatas arus L dimasukkan ke dalam sistem. |
|
Kapasitor Cf |
Mengambil bahagian dalam resonans semasa operasi normal; semasa kesalahan, ia dipendekkan dengan cepat oleh MOA dan keluar dari litar resonans. |
|
Pelindung Oksida Logam (MOA) |
Bertindak segera apabila mendeteksi kesalahan pendek, menghantar untuk memendekkan kapasitor Cf. |
|
Tukar Bypass K |
Tutup dengan cepat selepas kesalahan untuk berkongsi arus dan melindungi MOA daripada menyerap terlalu banyak tenaga. Waktu tindak balasnya sangat penting. |
|
Reaktor Pembatas Arus Lc |
Utamanya membatasi arus pelepasan kapasitor Cf melalui jurang pemicu. |
Aliran kerja: Semasa operasi sistem normal, Lf dan Cf beresonans → impedansi FCL hampir sifar → tiada kesan pada aliran kuasa. Apabila kesalahan pendek berlaku, MOA bertindak dengan cepat untuk memendekkan Cf → reaktor pembatas arus L dimasukkan ke dalam sistem untuk menekan arus pendek → jurang pemicu runtuh dan menghantar isyarat untuk menutup tukar bypass K → selepas K ditutup, ia membelokkan arus untuk melindungi MOA.
2. Analisis Masalah: Kesan Buruk FCL Terhadap Arus Busur Sekunder dan SPAR
Arus busur sekunder adalah arus yang terus mengekalkan titik kesalahan selepas pemutus litar fasa kesalahan dibuka semasa operasi SPAR, disokong oleh koppelan elektromagnetik dan elektrostatik dari fasa sihat. Magnitud dan ciri-ciri arus ini menentukan sama ada busur kesalahan dapat padam sendiri, yang penting untuk kejayaan SPAR.
Analisis simulasi (berdasarkan EMTP, dengan parameter model merujuk kepada sistem 500 kV Selatan China) menunjukkan bahawa pemasangan FCL mungkin memperkenalkan isu-isu baru:
- Kesan Waktu Tindak Balas Tukar Bypass (K): Jika tukar bypass K terbuka apabila pemutus litar tripped, arus busur sekunder akan termasuk komponen dengan amplitud besar (hingga 225 A), penurunan perlahan, dan frekuensi sangat rendah (kira-kira 3–3.25 Hz). Komponen frekuensi rendah ini secara signifikan mengurangkan bilangan persilangan sifar arus, membuat padaman busur sukar dan menurunkan kadar kejayaan SPAR secara ketara.
- Kesan Rintangan Laluan Busur (Rg): Apabila rintangan transisi di titik kesalahan besar (contohnya, 300 Ω), arus pendek kecil, yang mungkin mencegah FCL di hujung laluan bertindak (MOA tidak mencapai voltan operasi). Dalam kes ini, Cf tetap tidak dipendekkan dan membentuk litar osilasi frekuensi rendah dengan reaktor paralel laluan, juga menghasilkan komponen frekuensi rendah yang merugikan bagi padaman busur.
3. Penyelidikan Mekanisme: Asal Usul Komponen Frekuensi Rendah
Analisis teori menggunakan rangkaian impedansi ekuivalen dan transformasi Laplace mendedahkan mekanisme di sebalik komponen frekuensi rendah:
Penyebab utamanya adalah kapasitor Cf dalam FCL. Selepas pemutus litar tripped dan fasa kesalahan diasingkan, tenaga yang tersimpan dalam Cf dilepaskan melalui reaktor paralel dan rintangan busur titik kesalahan. Litar pelepasan ini membentuk litar osilasi frekuensi rendah, dengan frekuensi osilasi (kira-kira 3 Hz) utamanya ditentukan oleh Cf dan parameter reaktor paralel laluan, hampir seluruhnya bebas daripada lokasi kesalahan. Osilasi frekuensi rendah ini hanya dihapuskan apabila tukar bypass K tetap tertutup, sepenuhnya memendekkan Cf.
4. Penyelesaian Inti: Strategi Koordinasi Waktu untuk FCL dan SPAR
Untuk memastikan pembatasan arus yang efektif oleh FCL tanpa mempengaruhi SPAR, cadangan ini mencadangkan strategi koordinasi waktu yang tepat berikut, dengan tempoh total dikawal dalam 0.66–0.73 saat:
|
Node Waktu |
Sela Waktu (s) |
Penerangan Proses |
|
t0 |
- |
Kesalahan penyambungan tanah fasa tunggal berlaku dalam sistem. |
|
t1 |
0.002 |
MOA mencapai voltan operasi, bertindak untuk memendekkan Cf, dan reaktor pembatas arus L dimasukkan ke dalam sistem. |
|
t2 |
0.002 |
Sistem pemantauan FCL memicu jurang pelepasan G dan serentak menghantar isyarat untuk memulakan penutupan tukar bypass K. |
|
t3 |
0.016 |
Perlindungan relai laluan beroperasi, mengeluarkan isyarat trip pemutus litar, yang juga berfungsi sebagai perintah untuk menutup K secara paksa. |
|
t4 |
≤0.024 |
Pastikan tukar bypass K sepenuhnya tertutup. Ini mesti diselesaikan sebelum pemutus litar memutuskan. |
|
t5 |
0.016–0.036 |
Kontak utama pemutus litar laluan di kedua-dua hujung terbuka, memotong arus kesalahan. |
|
t6 |
0.02 |
Rintangan pembukaan pemutus litar diputuskan, mengasingkan laluan fasa kesalahan sepenuhnya dari sistem; busur sekunder bermula membakar. |
|
t7 |
0.20 |
Semasa busur sekunder membakar, simpan K tertutup untuk menghapuskan komponen frekuensi rendah. Setelah busur padam sendiri, keluarkan isyarat untuk membuka K. |
|
t8 |
0.045 |
Tukar bypass K dibuka. |
|
t9 |
0.015 |
Masa deionisasi laluan busur titik kesalahan, memastikan pemulihan isolasi. |
|
t10 |
0.10 |
Koil penutupan pemutus litar dihidupkan, mempersiapkan untuk pemutusan semula. |
|
t11 |
0.20–0.25 |
Pemutus litar ditutup, dengan rintangan penutupan terlibat untuk menekan tegangan over switching. |
|
t12 |
0.02 |
Kontak utama pemutus litar ditutup, rintangan penutupan keluar, dan laluan berjaya memulihkan bekalan tenaga. |
Inti Strategi: Gunakan isyarat trip pemutus litar dari perlindungan relai sebagai perintah untuk menutup tukar bypass K dengan cepat dan mengekalkannya tertutup sepanjang tempoh pembakaran busur sekunder (kira-kira 0.2 saat). Ini secara efektif memendekkan Cf, sepenuhnya menghapuskan komponen osilasi frekuensi rendah dalam arus busur sekunder dan mencipta syarat-syarat yang menguntungkan untuk padaman busur sendiri.
5. Keberkesanan dan Kelebihan Skema
Simulasi EMTP mengesahkan bahawa strategi koordinasi waktu ini mencapai perkara berikut:
- Menghapuskan Kesan Buruk Frekuensi Rendah: Sepenuhnya menghapuskan komponen frekuensi rendah 3 Hz dalam arus busur sekunder, mengelakkan kesan buruknya terhadap padaman busur.
- Memperbaiki Ciri-Ciri Padaman Busur: Mengurangkan masa padaman busur sekunder sekitar 4.5% dan mengurangkan arus komponen frekuensi kuasa sebanyak 10.5%, meningkatkan kadar kejayaan SPAR secara signifikan.
- Keserasian dan Kebolehpercayaan: Strategi ini tidak mempengaruhi ciri-ciri pemulihan voltan asal sistem dan menyeimbangkan keselamatan FCL (melindungi MOA) dengan keperluan pemulihan yang cepat.
- Kemudahan Pelaksanaan: Berdasarkan isyarat perlindungan sedia ada, strategi ini memerlukan modifikasi minimal kepada sistem sekunder, berkos rendah, dan sesuai untuk projek EHV sedia ada atau baru di negara-negara Asia Tenggara.
6. Kesimpulan dan Cadangan
Untuk grid tenaga EHV Asia Tenggara yang merancang atau sudah dilengkapi dengan FCL jenis pelindung oksida logam, adalah penting untuk memberi perhatian tinggi kepada isu potensial osilasi frekuensi rendah dalam arus busur sekunder, yang boleh mengurangkan kadar kejayaan SPAR dan mengancam kebolehpercayaan bekalan tenaga.
