Совместное решение для ограничителя тока короткого замыкания (FCL) и автоматического повторного включения однофазного типа (SPAR) в сверхвысоковольтных (EHV) энергосетях Юго-Восточной Азии
- Введение: исследовательский фон и значимость
С быстрым экономическим развитием Юго-Восточной Азии масштабы энергосетей продолжают расширяться, а нагрузки увеличиваются. Это приводит к тому, что токи короткого замыкания в системе приближаются или даже превышают предельные значения отключающей способности выключателей, серьезно угрожая безопасности и стабильности работы энергосетей. В то же время линии передачи сверхвысокого напряжения (СВН) служат основой для региональных межсистемных связей. Более 70% неисправностей являются однофазными замыканиями на землю, и примерно 80% из них — это временные неисправности (например, удары молнии, ветровые посторонние предметы). Технология автоматического повторного включения (АПВ) является ключевым методом для быстрого устранения неисправностей, восстановления подачи электроэнергии и обеспечения стабильности и надежности энергосети.
Ограничители токов короткого замыкания (ОТКЗ), особенно экономически эффективные ОТКЗ типа металлооксидный ограничитель перенапряжений (МОП), являются эффективными мерами для подавления токов короткого замыкания и постепенно применяются в сетях СВН. Однако существующие исследования в основном сосредоточены на влиянии ОТКЗ на переходную устойчивость системы и реле защиты, игнорируя их потенциально неблагоприятное влияние на успешность АПВ. Данное предложение направлено на заполнение этого пробела в исследованиях, проводя глубокий анализ взаимодействия между ОТКЗ и АПВ, и предлагая набор кооперативных стратегий управления, подходящих для энергосетей Юго-Восточной Азии. Эти стратегии обеспечивают как эффективное ограничение тока, так и надежное электроснабжение.
1. Принцип работы ОТКЗ типа МОП
Этот тип ОТКЗ состоит в основном из следующих компонентов, которые работают в координации, чтобы достичь основной функции "низкое сопротивление в нормальном режиме и высокое сопротивление при неисправностях":
|
Компонент |
Описание функции |
|
Реактор Lf (Lf = Lc + L) |
В нормальном режиме он резонирует в последовательности с конденсатором Cf, представляя низкое сопротивление; при неисправностях в систему вводится реактор ограничения тока L. |
|
Конденсатор Cf |
Участвует в резонансе в нормальном режиме; при неисправностях он быстро шунтируется МОП и выходит из резонансного контура. |
|
Металлооксидный ограничитель перенапряжений (МОП) |
Действует немедленно при обнаружении короткого замыкания, шунтируя конденсатор Cf. |
|
Обходной выключатель K |
Быстро закрывается после неисправности, чтобы разделить ток и защитить МОП от поглощения избыточной энергии. Его время срабатывания критично. |
|
Реактор ограничения тока Lc |
Основным образом ограничивает разрядный ток конденсатора Cf через искровой промежуток. |
Принцип работы: В нормальном режиме работы системы Lf и Cf резонируют → сопротивление ОТКЗ практически равно нулю → нет влияния на поток мощности. При возникновении короткого замыкания МОП быстро действует, шунтируя Cf → в систему вводится реактор ограничения тока L для подавления тока короткого замыкания → искровой промежуток разрушается и отправляет сигнал о закрытии обходного выключателя K → после закрытия K ток перенаправляется для защиты МОП.
2. Анализ проблемы: неблагоприятное влияние ОТКЗ на вторичный дуговой ток и АПВ
Вторичный дуговой ток — это ток, который продолжает поддерживать точку неисправности после отключения фазового выключателя при выполнении АПВ, поддерживаемый электромагнитной и электростатической связью со здоровыми фазами. Масштаб и характеристики этого тока напрямую определяют, может ли дуга самозатухнуть, что критически важно для успешности АПВ.
Результаты моделирования (основанные на EMTP, с параметрами модели, соответствующими системе 500 кВ юга Китая) показывают, что установка ОТКЗ может вызвать новые проблемы:
- Влияние времени срабатывания обходного выключателя (K): Если обходной выключатель K открыт при срабатывании выключателя, вторичный дуговой ток будет включать компонент с большой амплитудой (до 225 А), медленным затуханием и очень низкой частотой (примерно 3–3.25 Гц). Этот низкочастотный компонент значительно уменьшает количество пересечений нуля тока, делая самозатухание дуги трудным и заметно снижая успешность АПВ.
- Влияние сопротивления пути дуги (Rg): Когда переходное сопротивление в точке неисправности велико (например, 300 Ω), ток короткого замыкания мал, что может предотвратить активацию ОТКЗ на конце линии (МОП не достигает рабочего напряжения). В этом случае Cf остается нешунтированным и образует низкочастотный колебательный контур с параллельным реактором линии, также генерируя низкочастотный компонент, вредный для самозатухания дуги.
3. Исследование механизма: происхождение низкочастотного компонента
Теоретический анализ с использованием эквивалентных импедансных сетей и преобразования Лапласа выявил механизм низкочастотного компонента:
Основная причина — конденсатор Cf в ОТКЗ. После отключения выключателя и изоляции неисправной фазы энергия, накопленная в Cf, разряжается через параллельный реактор и сопротивление дуги в точке неисправности. Этот разрядный контур формирует низкочастотный колебательный контур, с частотой колебаний (примерно 3 Гц), которая в основном определяется Cf и параметрами параллельного реактора линии, и в значительной степени не зависит от местоположения неисправности. Этот низкочастотный колебательный контур исчезает только тогда, когда обходной выключатель K остается закрытым, полностью шунтируя Cf.
4. Основное решение: стратегия координации времени для ОТКЗ и АПВ
Для обеспечения эффективного ограничения тока ОТКЗ без влияния на АПВ данное предложение предлагает следующую точную стратегию координации времени, с общим временем, контролируемым в пределах 0.66–0.73 секунды:
|
Узел времени |
Интервал времени (с) |
Описание процесса |
|
t0 |
- |
В системе происходит однофазное замыкание на землю. |
|
t1 |
0.002 |
МОП достигает рабочего напряжения, действует, шунтируя Cf, и реактор ограничения тока L вводится в систему. |
|
t2 |
0.002 |
Система мониторинга ОТКЗ запускает искровой промежуток G и одновременно отправляет сигнал о начале закрытия обходного выключателя K. |
|
t3 |
0.016 |
Защита линии действует, отправляя сигнал отключения выключателя, который также служит командой для принудительного закрытия K. |
|
t4 |
≤0.024 |
Обеспечивается полное закрытие обходного выключателя K. Это должно быть завершено до прерывания выключателя. |
|
t5 |
0.016–0.036 |
Главные контакты выключателей линии на обоих концах открываются, прерывая ток неисправности. |
|
t6 |
0.02 |
Размыкающие резисторы выключателей отключаются, полностью изолируя фазу неисправности от системы; начинает гореть вторичная дуга. |
|
t7 |
0.20 |
Во время горения вторичной дуги K остается закрытым, чтобы устранить низкочастотный компонент. После самозатухания дуги отправляется сигнал о его открытии. |
|
t8 |
0.045 |
Обходной выключатель K открывается. |
|
t9 |
0.015 |
Время деионизации пути дуги в точке неисправности, обеспечивающее восстановление изоляции. |
|
t10 |
0.10 |
Катушка закрытия выключателя питается, готовясь к повторному включению. |
|
t11 |
0.20–0.25 |
Выключатель закрывается, с включенными резисторами закрытия для подавления коммутационных перенапряжений. |
|
t12 |
0.02 |
Главные контакты выключателя закрываются, резисторы закрытия выходят, и линия успешно восстанавливает подачу электроэнергии. |
Основа стратегии: Использовать сигнал отключения выключателя от защиты в качестве команды для быстрого принудительного закрытия обходного выключателя K и сохранения его в закрытом состоянии на протяжении всего периода горения вторичной дуги (примерно 0.2 секунды). Это эффективно шунтирует Cf, полностью устраняя низкочастотный колебательный компонент во вторичном дуговом токе и создавая благоприятные условия для самозатухания дуги.
5. Эффективность и преимущества решения
Моделирование EMTP подтверждает, что эта стратегия координации времени достигает следующего:
- Устранение низкочастотного вреда: Полностью устраняет 3 Гц низкочастотный компонент во вторичном дуговом токе, избегая его неблагоприятного влияния на самозатухание дуги.
- Оптимизация характеристик самозатухания дуги: Снижает время самозатухания вторичной дуги примерно на 4.5% и уменьшает ток промышленной частоты на 10.5%, значительно повышая успешность АПВ.
- Совместимость и надежность: Стратегия не влияет на исходные характеристики восстановления напряжения системы и балансирует безопасность ОТКЗ (защиту МОП) с потребностями быстрого восстановления.
- Легкость реализации: На основе существующих защитных сигналов, стратегия требует минимальных изменений в вторичных системах, имеет низкую стоимость и подходит для существующих или новых проектов СВН в странах Юго-Восточной Азии.
6. Заключение и рекомендации
Для энергосетей СВН Юго-Восточной Азии, планирующих или уже оснащенных ОТКЗ типа МОП, крайне важно внимательно относиться к потенциальной проблеме низкочастотных колебаний во вторичном дуговом токе, которые могут снижать успешность АПВ и угрожать надежности электроснабжения.
