Співробітниче рішення для обмежувача аварійного струму (FCL) та автоматичного повторного включення однофазного напруги (SPAR) у підвищеної напруги електромережах Південно-Східної Азії

1. Вступ: дослідницький контекст та значущість​
   З поширенням економіки в Південній Азії, масштаби електромереж продовжують зростати, а навантаження постійно збільшується. Це призводить до того, що системні короткозамкнення струми наближаються або навіть перевищують межі здатності вимикачів до переривання, серйозно загрожуючи безпеці та стабільності роботи електромереж. Водночас, високовольтні лінії передачі служать основою для регіональних енергетичних з'єднань. Більше 70% вад є однофазними заземленнями, і приблизно 80% з них є транзиторними (наприклад, удари блискавок, піднесення об'єктів вітром). Технологія автоматичного повторного увімкнення однофазової системи (SPAR) є ключовим методом для швидкого усунення вад, відновлення поставок електроенергії та забезпечення стабільності та надійності мережі.

Обмежувачі відхилення струму (FCL), особливо економічно ефективні металооксидні гасники (MOA)-типу FCL, є ефективними заходами для придушення короткозамкнення струму та поступово застосовуються в високовольтних мережах. Однак, існуючі дослідження в основному зосереджуються на впливі FCL на транзієнтну стабільність системи та реле-захист, ігноруючи потенційні небажані ефекти на успішність SPAR. Цей проект має на меті заповнити цю наукову прогалину, проводячи глибокий аналіз взаємодії між FCL та SPAR, та пропонуючи набір спільних стратегій контролю, придатних для електромереж Південної Азії. Ці стратегії забезпечують як ефективне обмеження струму, так і надійне постачання електроенергії.

​1. Принцип роботи металооксидного гасника-типу FCL​
Цей тип FCL головним чином складається з наступних компонентів, які працюють разом, щоб досягти основної функції "низька імпедансна опір під час нормальної роботи та висока імпедансна опір під час аварій":

Робочий процес: Під час нормальної роботи системи, Lf і Cf резонують → імпеданс FCL майже дорівнює нулю → немає впливу на потік енергії. Коли відбувається короткозамкнення, MOA швидко діє, щоб замкнути Cf → обмежувач струму L вводиться в систему, щоб придушити короткозамкнення струм → запусковий проміжок руйнується і відправляє сигнал для закриття обхідного перемикача K → після закриття K, він переадресує струм, щоб захистити MOA.

​2. Аналіз проблеми: небажані ефекти FCL на вторинний дуговий струм та SPAR​
Вторинний дуговий струм - це струм, який продовжує підтримувати точку вади після відкриття вимикача відповідної фази під час роботи SPAR, підтриманий електромагнітним та електростатичним зв'язком здорових фаз. Розмір та характеристики цього струму прямо визначають, чи може дуга самостійно затухнути, що є критичним для успішності SPAR.

Аналіз моделювання (на основі EMTP, з параметрами моделі, що відсилають до системи 500 кВ на півдні Китаю) показує, що встановлення FCL може внести нові проблеми:

• Вплив часу закриття обхідного перемикача (K): Якщо обхідний перемикач K відкритий під час відключення вимикача, вторинний дуговий струм буде містити компонент з великою амплітудою (до 225 А), повільним спадом та дуже низькою частотою (приблизно 3–3.25 Гц). Цей низькочастотний компонент значно зменшує кількість перетинів струму через нуль, роблячи самозатухання дуги важким та помітно знижуючи успішність SPAR.
• Вплив опору шляху дуги (Rg): Коли переходна опірна опір в точці вади велика (наприклад, 300 Ом), короткозамкнення струм невеликий, що може запобігти активуванню FCL на кінці лінії (MOA не досягає робочого напруги). У цьому випадку, Cf залишається незамкнутим та формує низькочастотний коливальний контур з паралельним реактором лінії, аналогічно генеруючи низькочастотний компонент, шкідливий для затухання дуги.

​3. Дослідження механізму: походження низькочастотного компонента​
Теоретичний аналіз за допомогою еквівалентних мереж імпедансів та перетворень Лапласа відкриває механізм низькочастотного компонента:
Основна причина - конденсатор Cf в FCL. Після відключення вимикача та ізоляції аварійної фази, енергія, збережена в Cf, розряджується через паралельний реактор та опір дуги в точці вади. Цей розрядний контур формує низькочастотний коливальний контур, з частотою коливання (приблизно 3 Гц), що в основному визначається Cf та параметрами паралльного реактора лінії, в основному незалежно від місця вади. Цей низькочастотний коливальний контур усувається лише тоді, коли обхідний перемикач K залишається закритим, повністю замикуючи Cf.

​4. Основне рішення: стратегія координації часу для FCL та SPAR​
Для забезпечення ефективного обмеження струму FCL без впливу на SPAR, цей проект пропонує наступну точну стратегію координації часу, з загальною тривалістю, контролованою в межах 0.66–0.73 секунди:

Ядро стратегії: Використовувати сигнал відключення вимикача від реле-захисту як команду для примусового закриття обхідного перемикача K швидко та утримувати його закритим протягом всього періоду горіння вторинної дуги (приблизно 0.2 секунди). Це ефективно замикатиме Cf, повністю усунувши низькочастотний коливальний компонент в вторинному дуговому струмі та створюючи благоприятні умови для самозатухання дуги.

​5. Ефективність та переваги схеми​
Симуляції EMTP підтверджують, що ця стратегія координації часу досягає наступного:

1. Усунення низькочастотних шкід: повністю усунуто 3 Гц низькочастотний компонент в вторинному дуговому струмі, уникнувши його небажаних ефектів на затухання дуги.
2. Оптимізація характеристик затухання дуги: зменшено час затухання вторинної дуги на приблизно 4.5% та знизили струм основної частоти на 10.5%, значно покращивши успішність SPAR.
3. Сумісність та надійність: стратегія не впливає на оригінальні характеристики відновлення напруги системи та збалансовує безпеку FCL (захист MOA) з потребами швидкого відновлення.
4. Простота реалізації: на основі існуючих сигналів захисту, стратегія вимагає мінімальних змін до вторинних систем, є низькою за вартістю та придатною для існуючих або нових високовольтних проектів в країнах Південної Азії.

​6. Висновки та рекомендації​
Для високовольтних електромереж Південної Азії, які плануються або вже оснащені металооксидними гасниками-типом FCL, важливо надзвичайно уважно ставитися до потенційної проблеми низькочастотних коливань в вторинному дуговому струмі, яка може знизити успішність SPAR та загрожувати надійності постачання електроенергії.