Surodno rešenje za ograničivač strujnog prekida (FCL) i automatsko ponovno zatvaranje jednofaznih prekidnika (SPAR) u jugoistočnoazijskim EHV elektroenergetskim mrežama
- Uvod: Osnov za istraživanje i značaj
Sa brzim ekonomskim razvojem u jugoistočnoj Aziji, mreže za prenos električne energije se neprestano šire, a opterećenja rastu. To je dovelo do toga da sistemski strujni prekidi pristaju ili čak prelaze granice prekidnog kapaciteta prekidača, što ozbiljno prijeti bezbednosti i stabilnosti operacija mreže za prenos električne energije. U međuvremenu, EHV (ekstremno visok napon) linije prenosa služe kao osnovni nosači regionalnih mreža za prenos električne energije. Preko 70% grešaka su jednofazni prekid kontakta sa zemljom, a oko 80% ovih grešaka su privremene (npr. udarci munje, leteći predmeti od vetra). Tehnologija automatskog ponovnog povezivanja jedne faze (SPAR) je ključna metoda za brzo isključivanje grešaka, obnavljanje snabdijevanja električnom energijom i osiguranje stabilnosti i pouzdanosti mreže.
Ograničivači strujnih prekida (FCL), posebno ekonomični ograničivači tipa metal-oksidskih absorbentnih aparata (MOA), su efikasne mere za smanjenje strujnih prekida i postepeno se primenjuju u EHV mrežama. Međutim, postojeće istraživanje uglavnom se fokusiralo na uticaj FCL-a na tranzientnu stabilnost sistema i relejnu zaštitu, zanemarujući njihove potencijalne negativne efekte na uspešnost SPAR-a. Ova propozicija ima za cilj da popuni ovaj istraživački prazninu temeljnim analizama interakcije između FCL-a i SPAR-a, te predloži skup strategija koordiniranog upravljanja koji su pogodni za mreže za prenos električne energije u jugoistočnoj Aziji. Ove strategije osiguravaju i efikasno ograničavanje struje i pouzdano snabdevanje električnom energijom.
1. Način rada ograničivača tipa metal-oksidskog absorbentnog aparat - FCL
Ovaj tip FCL-a se sastoji od sledećih komponenti, koje zajednički rade kako bi ostvarili ključnu funkciju "niska impedansa tokom normalne operacije i visoka impedansa tokom grešaka":
|
Komponenta |
Opis funkcije |
|
Reaktor Lf (Lf = Lc + L) |
Tokom normalne operacije rezonira u seriji sa kondenzatorom Cf, prikazujući nisku impedansu; tokom grešaka, ograničivač struje L se ubaci u sistem. |
|
Kondenzator Cf |
Učešće u rezonanci tokom normalne operacije; tokom grešaka, brzo se kroz MOA krati i izlazi iz rezonantnog kruga. |
|
Metal-oksidski absorbentni aparat (MOA) |
Aktivira se odmah nakon detektovanja greške strujnog prekida, vodeći do kratanja kondenzatora Cf. |
|
Obilazni prekidač K |
Brzo se zatvara nakon greške kako bi delio struju i zaštiti MOA od apsorbiranja prekomjerne energije. Vreme njegovog aktiviranja je kritično. |
|
Ograničivač struje Lc |
Glavno ograničava otpadnu struju kondenzatora Cf kroz inicijalni prozor. |
Radi takmičenja: Tokom normalne operacije sistema, Lf i Cf rezoniraju → impedansa FCL-a je gotovo nula → nema uticaja na strujni tok. Kada se desi greška strujnog prekida, MOA brzo reaguje tako što krati Cf → ograničivač struje L se ubaci u sistem kako bi supresirao strujni prekid → inicijalni prozor se ruši i šalje signal da se zatvori obilazni prekidač K → nakon što se K zatvori, deli struju kako bi zaštitio MOA.
2. Analiza problema: Negativni efekti FCL-a na sekundarnu luk struje i SPAR
Sekundarna luk struja je struja koja nastavlja da održava tačku greške nakon otvaranja prekidača grešne faze tokom operacije SPAR-a, održana elektromagnetskim i elektrostatskim spajanjem zdravih faza. Veliki i karakteristike ove struje direktno određuju da li se grešna luka može samostalno ugasi, što je ključno za uspešnost SPAR-a.
Simulaciona analiza (bazirana na EMTP, sa parametrima modela referentima na sistemu 500 kV u južnoj Kini) pokazuje da instalacija FCL-a može doveći do novih problema:
- Uticaj vremena aktiviranja obilaznog prekidača (K): Ako je obilazni prekidač K otvoren kada se prekidač tripne, sekundarna luk struja će sadržati komponentu velike amplitude (do 225 A), sporog opadanja i vrlo niske frekvencije (oko 3–3.25 Hz). Ova niska frekvencijska komponenta značajno smanjuje broj nultih preseka struje, čime se teško dostiže samogasioc luke i značajno smanjuje uspešnost SPAR-a.
- Utjecaj otpora luke (Rg): Kada je prelazni otpor u tački greške veliki (npr. 300 Ω), struja strujnog prekida je mala, što može sprečiti aktiviranje FCL-a na kraju linije (MOA ne dostiže radnu naponsku razinu). U ovom slučaju, Cf ostaje nekratan i formira niskofrekventni oscilatorski krug sa shunt reaktorom linije, generišući niskofrekventnu komponentu koja je štetna za gasenje luke.
3. Istraživanje mehanizma: Poreklo niskofrekventne komponente
Teorijska analiza koristeći ekvivalentne mreže impedansi i Laplaceove transformacije otkriva mehanizam iza niskofrekventne komponente:
Korijen problema je kondenzator Cf u FCL-u. Nakon tripanja prekidača i izolacije grešne faze, energija skladištena u Cf se ispušta kroz shunt reaktor i otpor luke u tački greške. Ovaj ispuštanje krug formira niskofrekventni oscilatorski krug, sa frekvencijom oscilacije (oko 3 Hz) glavno određenom od Cf i parametara shunt reaktora linije, veoma neovisno o lokaciji greške. Ova niskofrekventna oscilacija se eliminira samo kada obilazni prekidač K ostane zatvoren, potpuno krati Cf.
4. Ključno rešenje: Strategija koordinacije vremenskih intervala za FCL i SPAR
Da bi se osiguralo efikasno ograničavanje struje FCL-om bez uticaja na SPAR, ovaj predlog predlaže sledeću preciznu strategiju koordinacije vremenskih intervala, sa ukupnim trajanjem kontrolisanim unutar 0.66–0.73 sekundi:
|
Vremenski čvor |
Vremenski interval (s) |
Opis procesa |
|
t0 |
- |
Dogodi se jednofazni prekid kontakta sa zemljom u sistemu. |
|
t1 |
0.002 |
MOA dostiže radnu naponsku razinu, aktivira se da krati Cf, i ograničivač struje L se ubaci u sistem. |
|
t2 |
0.002 |
FCL nadzorna sistema aktivira prozor G i istovremeno šalje signal da se počne zatvaranje obilaznog prekidača K. |
|
t3 |
0.016 |
Relay zaštita linije radi, šalje signal za tripanje prekidača, koji takođe služi kao komanda za prisilno zatvaranje K. |
|
t4 |
≤0.024 |
Osigurati da je obilazni prekidač K potpuno zatvoren. To mora biti završeno pre nego što prekidač prekine struju. |
|
t5 |
0.016–0.036 |
Glavni kontakti prekidača linije na oba kraja se otvaraju, prekidajući strujni prekid. |
|
t6 |
0.02 |
Otvorični otpornici prekidača se odspajaju, potpuno izolirajući fazu greške od sistema; počinje gorevanje sekundarne luke. |
|
t7 |
0.20 |
Tokom gorevanja sekundarne luke, zadržite K zatvoren da biste eliminisali niskofrekventnu komponentu. Nakon samogasioca luke, pošaljite signal da se otvori K. |
|
t8 |
0.045 |
Obilazni prekidač K se otvara. |
|
t9 |
0.015 |
Vrijeme deionizacije putanje luke u tački greške, osiguravajući oporavak izolacije. |
|
t10 |
0.10 |
Zaprežna bobina prekidača se energizira, pripremajući se za ponovno povezivanje. |
|
t11 |
0.20–0.25 |
Prekidač se zatvara, s zaprežnim otpornicima uključenim kako bi se suzbile pretopne previsoke napone. |
|
t12 |
0.02 |
Glavni kontakti prekidača se zatvaraju, zaprežni otpornici izlaze, i linija uspešno obnavlja snabdevanje električnom energijom. |
Jezgra strategije: Koristi signal tripanja prekidača iz relay zaštite kao komandu za prisilno brzo zatvaranje obilaznog prekidača K i drži ga zatvorenim tokom cijelog perioda gorevanja sekundarne luke (oko 0.2 sekundi). To efikasno krati Cf, potpuno eliminirajući niskofrekventnu oscilatorsku komponentu u sekundarnoj luki struje i stvarajući povoljne uvjete za samogasioc luke.
5. Efikasnost i prednosti sheme
EMTP simulacije potvrđuju da ova strategija koordinacije vremenskih intervala postiže sljedeće:
- Eliminacija niskofrekventnog štete: Potpuno eliminira 3 Hz niskofrekventnu komponentu u sekundarnoj luki struje, izbegavajući njen negativni uticaj na gasenje luke.
- Optimizacija karakteristika gasenja luke: Smanjuje vrijeme gasenja sekundarne luke oko 4.5% i smanjuje struju na frekvenciji mreže za 10.5%, značajno poboljšavajući uspešnost SPAR-a.
- Kompatibilnost i pouzdanost: Strategija ne utiče na originalne karakteristike oporavka napona sistema i balansira sigurnost FCL-a (zaštitu MOA) sa potrebama za brzim oporavkom.
- Lako implementabilnost: Bazirana na postojećim signalima zaštite, strategija zahtijeva minimalne promjene u sekundarnim sistemima, je niskotrošna i pogodna za postojeće ili nove EHV projekte u zemljama jugoistočne Azije.
6. Zaključak i preporuke
Za EHV mreže za prenos električne energije u jugoistočnoj Aziji koje planiraju ili već imaju ograničivače tipa metal-oksidskog absorbentnog aparat - FCL, važno je da se posebno pažnja posveti potencijalnom problemu niskofrekventne oscilacije u sekundarnoj luki struje, što može smanjiti uspešnost SPAR-a i prijetiti pouzdanosti snabdevanja električnom energijom.
