Współpracująca Rozwiązanie dla Ogranicznika Prądów Uszkodzeniowych (FCL) i Jednofazowego Automatycznego Włączenia (SPAR) w Południowoazjatyckich Sieciach EHV

1. Wprowadzenie: Tło badawcze i znaczenie​
   Wraz z szybkim rozwojem gospodarczym w Azji Południowo-Wschodniej, skala sieci energetycznych nieustannie się powiększa, a obciążenia rosną. To prowadzi do tego, że prądy zwarciowe systemu zbliżają się lub nawet przekraczają granice przerzutowych możliwości przerywania obwodów, co stanowi poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa i stabilności funkcjonowania sieci energetycznej. W międzyczasie, linie przesyłowe o napięciu nadwyżkowym (EHV) są kręgosłupem regionalnych połączeń energetycznych. Więcej niż 70% awarii to uszkodzenia jednofazowe, a około 80% z nich to awarie przejściowe (np. uderzenia piorunów, obiekty niesione przez wiatr). Technologia automatycznego ponownego zamknięcia jednofazowego (SPAR) jest kluczową metodą szybkiego usuwania awarii, przywracania dostaw energii oraz zapewniania stabilności i niezawodności sieci.

Ograniczniki prądów zwarciowych (FCLs), szczególnie kosztosprawne ograniczniki typu metalo-izolator (MOA), są skutecznymi środkami do tłumienia prądów zwarciowych i stopniowo są stosowane w sieciach EHV. Jednak dotychczasowe badania koncentrowały się głównie na wpływie FCLs na chwilowe stabilność systemu i ochronę relacyjną, pomijając potencjalne negatywne skutki dla skuteczności SPAR. Niniejsza propozycja ma na celu wypełnienie tej luki badawczej, poprzez szczegółową analizę interakcji między FCLs a SPAR, proponując zestaw strategii kontrolnych współpracujących, odpowiednich dla sieci energetycznych Azji Południowo-Wschodniej. Te strategie zapewniają zarówno efektywne ograniczanie prądów, jak i niezawodne dostawy energii.

​1. Zasada działania ogranicznika prądów zwarciowych typu metalo-izolator​
Ten typ ogranicznika składa się głównie z następujących komponentów, które współpracują, aby osiągnąć podstawową funkcję "niskie impedancje w normalnym trybie pracy i wysokie impedancje w przypadku awarii":

Proces pracy: W normalnym trybie pracy systemu, Lf i Cf rezonują → impedancja FCL jest prawie zerowa → nie ma wpływu na przepływ mocy. Gdy wystąpi awaria zwarciowa, MOA szybko działa, zaczynając zwarcie Cf → cewka ograniczająca prąd L jest wprowadzana do systemu, aby stłumić prąd zwarciowy → luka wyzwalająca przestaje działać i wysyła sygnał do zamknięcia przełącznika omijającego K → po zamknięciu K, odciąga prąd, chroniąc MOA.

​2. Analiza problemu: Negatywne skutki FCL na prąd łuku wtórnego i SPAR​
Prąd łuku wtórnego to prąd, który kontynuuje utrzymywanie punktu awarii po otwarciu obwodu fazy awaryjnej przez przełącznik SPAR, utrzymywany przez sprzężenie elektromagnetyczne i elektrostatyczne z faz zdrowych. Wielkość i charakterystyka tego prądu bezpośrednio decydują o tym, czy łuk awaryjny może samoczynnie zgasnąć, co jest kluczowe dla sukcesu SPAR.

Analiza symulacyjna (oparta na EMTP, z parametrami modelu nawiązującymi do systemu 500 kV w południowych Chinach) pokazuje, że instalacja FCL może wprowadzić nowe problemy:

• Wpływ czasowania przełącznika omijającego (K): Jeśli przełącznik omijający K jest otwarty, gdy przełącznik główny jest otwierany, prąd łuku wtórnego będzie zawierał składową o dużej amplitudzie (do 225 A), wolnym spadku i bardzo niskiej częstotliwości (około 3–3.25 Hz). Ta składowa niskoczęstotliwościowa znacznie zmniejsza liczbę przecięć prądu, co utrudnia samoczynne zgaszenie łuku i drastycznie obniża skuteczność SPAR.
• Wpływ oporu drogi łuku (Rg): Gdy opór przejściowy w punkcie awarii jest duży (np. 300 Ω), prąd zwarciowy jest mały, co może uniemożliwić aktywację FCL na końcu linii (MOA nie osiąga napięcia roboczego). W takim przypadku, Cf pozostaje niezwarty i tworzy obwód oscylacji niskoczęstotliwościowej z reaktorem szeregowym linii, generując składową niskoczęstotliwościową szkodliwą dla zgaszenia łuku.

​3. Badanie mechanizmu: Pochodzenie składowej niskoczęstotliwościowej​
Teoretyczna analiza z wykorzystaniem równoważnych sieci impedancyjnych i transformacji Laplace'a ujawnia mechanizm składowej niskoczęstotliwościowej:
Podstawowa przyczyna to kondensator Cf w FCL. Po otwarciu przełącznika głównego i izolacji fazy awaryjnej, energia zgromadzona w Cf rozładowuje się przez reaktor szeregowy linii i opór łuku w punkcie awarii. Ten obwód rozładowania tworzy obwód oscylacji niskoczęstotliwościowej, z częstotliwością oscylacji (około 3 Hz) głównie określonej przez Cf i parametry reaktora szeregowego linii, w dużej mierze niezależnej od lokalizacji awarii. Ta oscylacja niskoczęstotliwościowa jest eliminowana tylko, gdy przełącznik omijający K pozostaje zamknięty, całkowicie zwierając Cf.

​4. Podstawowe rozwiązanie: Strategia koordynacji czasowania FCL i SPAR​
Aby zapewnić efektywne ograniczanie prądów przez FCL bez wpływu na SPAR, niniejsza propozycja proponuje następującą precyzyjną strategię koordynacji czasowej, z całkowitym czasem kontrolowanym w zakresie 0.66–0.73 sekundy:

Podstawowa strategia: Użyj sygnału otwarcia przełącznika z ochrony relacyjnej jako komendy do wymuszonego szybkiego zamknięcia przełącznika omijającego K i utrzymanie go zamkniętego przez cały okres palenia łuku wtórnego (około 0.2 sekundy). To skutecznie zacina Cf, całkowicie eliminując składową oscylacji niskoczęstotliwościowej w prądzie łuku wtórnego i tworząc korzystne warunki dla samoczynnego zgaszenia łuku.

​5. Skuteczność i zalety schematu​
Symulacje EMTP weryfikują, że ta strategia koordynacji czasowej osiąga następujące wyniki:

1. Eliminacja szkodliwej składowej niskoczęstotliwościowej: Kompletnie eliminuje składową 3 Hz w prądzie łuku wtórnego, unikając jej negatywnych skutków na zgaszenie łuku.
2. Optymalizacja cech zgaszania łuku: Redukuje czas zgaszenia łuku wtórnego o około 4.5% i obniża składową prądu częstotliwości sieciowej o 10.5%, znacznie poprawiając skuteczność SPAR.
3. Zgodność i niezawodność: Strategia nie wpływa na oryginalne cechy odzyskiwania napięcia systemu i bilansuje bezpieczeństwo FCL (ochrona MOA) z potrzebami szybkiego odzyskiwania.
4. Łatwość implementacji: Opiera się na istniejących sygnałach ochronnych, wymaga minimalnych modyfikacji systemów wtórnych, jest niskokosztowa i odpowiednia dla istniejących lub nowych projektów EHV w krajach Azji Południowo-Wschodniej.

​6. Podsumowanie i rekomendacje​
Dla sieci energetycznych EHV w Azji Południowo-Wschodniej planujących lub już wyposażonych w ograniczniki prądów zwarciowych typu metalo-izolator, jest kluczowe, aby高度重视低频振荡对二次电弧电流的影响，这会降低单相自动重合闸的成功率，并威胁到供电可靠性。