محدودکننده جریان خطا مبتنی بر هماهنگ سری با استفاده از قطعات معمولی: یک راه‌حل اقتصادی و قابل اعتماد برای جریان کوتاهمدار
- مقدمه: زمینه پژوهش و اهداف اصلی
- شدت مشکل جریان کوتاه‌مداری
با گسترش مداوم مقیاس شبکه برق و رشد مداوم ظرفیت آن، سطح جریان کوتاه‌مداری سیستم به طور قابل توجهی افزایش یافته است و به حد تحمل دستگاه‌های موجود نزدیک شده یا حتی آن را تجاوز کرده است.
• پشتیبانی داده: نظارت نشان می‌دهد که جریان کوتاه‌مداری پیش‌بینی‌شده در برخی از زیرстанسیون‌های ۵۰۰kV، ۲۲۰kV و حتی ۱۰kV داخلی بیش از ۱۰۰ kA است؛ بزرگترین مولفه دوره‌ای جریان کوتاه‌مداری در منابع برق اصلی به ۳۰۰ kA می‌رسد.
• خطرات جدی: جریان‌های کوتاه‌مداری بسیار بالا باعث عدم وجود مدل‌های مناسب قطع‌کننده‌های فشار بالا، خرابی تجهیزات برق به دلیل تجاوز از حدود حرارتی و نیروی الکترومغناطیسی، و همچنین موجب مشکلات ایمنی مانند تداخل الکترومغناطیسی در سیستم‌های ارتباطی، افزایش پتانسیل زمین و ولتاژ گام می‌شود. این موضوع به عنوان یک عامل فنی کلیدی محدودکننده توسعه ایمن و اقتصادی شبکه برق درآمده است. - محدودیت‌های فناوری‌های FCL موجود
فناوری‌های محدودکننده جریان خطای (FCL) معمولی امروزی دارای معایب ذاتی هستند که کاربرد در مقیاس بزرگ را دشوار می‌کنند:
• FCL فوق‌رسانا: وابسته به مواد فوق‌رسانا است، یک فناوری که هنوز به‌پایان رسیده نیست، قابلیت اطمینان کم، هزینه عملیاتی و نگهداری بالا و اقتصادی نامطلوب دارد که از کاربرد مهندسی آن در مدت کوتاه تا متوسط جلوگیری می‌کند.
• FCL الکترونیک قدرت: محدود به تحمل ولتاژ و ظرفیت حمل جریان دستگاه‌های نیمه‌رسانا، با چالش‌های کنترل تقسیم ولتاژ و جریان در سری/موازی، ساختار سیستم پیچیده (نیاز به مولفه‌های محدودکننده جریان اضافی و مدارهای محافظ سریع) و هزینه بالا مواجه است. - هدف اصلی این پژوهش
برای حل مشکلات ذکر شده، این مطالعه قصد دارد راه‌حلی مبتنی بر محدودکننده جریان خطای سری‌رنگی بر اساس مولفه‌های الکتریکی معمولی را پیشنهاد کند که غیرفوق‌رسانا و غیرالکترونیک قدرت است. به طور خاص، دو توپولوژی مورد مطالعه قرار می‌گیرند: - محدودکننده جریان خطای سری‌رنگی مبتنی بر رآکتور اشباع‌پذیر
- محدودکننده جریان خطای سری‌رنگی مبتنی بر سیستم محافظ ZnO
این پژوهش از شبیه‌سازی برنامه ترانزیانت‌های الکترومغناطیسی (EMTP) برای تحلیل عمیق ویژگی‌های محدودکننده جریان ترانزیانتی آنها، مقایسه و در نهایت تأیید مزایای قابل توجه آنها در امکان‌سنجی فنی، اقتصادی و قابلیت اطمینان عملیاتی استفاده خواهد کرد.
II. محدودکننده جریان خطای سری‌رنگی مبتنی بر رآکتور اشباع‌پذیر
- توپولوژی مدار و اصول کار
• ساختار توپولوژی: هسته شامل رآکتور اشباع‌پذیر LB، خازن C و رآکتور سری L است. LB با C موازی شده و این ترکیب سپس به صورت سری با L به سیستم متصل می‌شود.
• اصول کار:
o عملکرد معمول: جریان خطی کوچک است. LB در منطقه غیراشباع کار می‌کند (اندوسانس معادل LB1 بسیار بزرگ است). ترکیب موازی آن با C رفتار القایی دارد. با رآکتور سری L، شرایط رزونانس سری در فرکانس تغذیه (ωL - 1/ωC ≈ 0) را برآورده می‌کنند. دستگاه امپدانس بسیار کمی ارائه می‌دهد که منجر به کمترین تلفات سیستم می‌شود.
o وضعیت خطا: افزایش سریع جریان کوتاه‌مداری LB را به سرعت اشباع می‌کند (اندوسانس معادل آن به LB2 کاهش می‌یابد). شاخه موازی آن خازن C را به طور موثر کوتاه می‌کند، بنابراین شرایط رزونانس را می‌شکند. در این مرحله، رآکتور سری L و رآکتور اشباع‌شده LB2 به سیستم اضافه می‌شوند و جریان کوتاه‌مداری را به طور موثر محدود می‌کنند.
o پاکسازی خطا: پس از پاکسازی خطا، جریان کاهش می‌یابد. LB به طور خودکار از وضعیت اشباع خارج می‌شود، خازن دوباره به کار می‌آید و مدار به وضعیت رزونانس بازمی‌گردد، بدون نیاز به منبع تغذیه خارجی.
• اصول انتخاب پارامترها:
o ω²LB1C >> 1 (ضمنی که شاخه موازی در عملکرد معمول رفتار القایی داشته باشد)
o ωL - 1/ωC ≈ 0 (رضایت شرایط رزونانس در عملکرد معمول)
o ω²LB2C << 1 (ضمنی که شاخه موازی در وضعیت خطا رفتار خازنی داشته باشد و خازن را به طور موثر کوتاه کند) - تحلیل شبیه‌سازی ویژگی‌های محدودکننده جریان (EMTP)
شبیه‌سازی تحت شرایط خطا یک‌فاز به زمین در سیستم ۲۲۰kV (پیک جریان کوتاه‌مداری پیش‌بینی‌شده: ۱۱۰kA) انجام شد. نتایج کلیدی به شرح زیر است:
|
عامل مؤثر |
نتیجه اصلی |
داده‌های شبیه‌سازی نمونه (مثال) |
|
۱. اندوسانس غیراشباع LB1 |
افزایش LB1 به طور قابل توجهی ولتاژ خازن را کاهش می‌دهد اما تأثیر کمی بر جریان کوتاه‌مداری دارد؛ اثر اشباع می‌شود. |
LB1=1317mH: ولتاژ خازن ۲۷۰kV؛ LB1=1321mH: ولتاژ خازن ۱۵۷kV (کاهش ۴۲٪) |
|
۲. اندوسانس اشباع‌شده LB2 |
بازه بهینه‌ای وجود دارد (۱-۷mH). خیلی کوچک محدودکننده ضعیف است؛ خیلی بزرگ باعث ولتاژ خیلی بالای خازن می‌شود. |
LB2=7mH (C=507μF, L=20mH): جریان کوتاه‌مداری ۲۵kA، ولتاژ خازن ۱۵۷kV |
|
۳. هماهنگی پارامتر C/L |
ترکیب بهینه‌ای وجود دارد که به طور همکاری جریان کوتاه‌مداری و ولتاژ خازن را کنترل می‌کند. |
ترکیب بهینه (C=406μF, L=25mH): جریان کوتاه‌مداری ۲۲kA، ولتاژ خازن ۱۴۲kV |
|
۴. زاویه شروع کوتاه‌مداری |
ویژگی‌های ترانزیانتی به طور قابل توجهی توسط زاویه فازی تأثیر می‌پذیرد؛ بدترین ولتاژ خیلی بالا در ۰°/۱۸۰° است؛ طراحی باید بدترین حالت را در نظر بگیرد. |
زاویه ۰°: جریان کوتاه‌مداری ۱۸kA، ولتاژ خازن ۲۰۱kV؛ زاویه ۹۰°: جریان کوتاه‌مداری ۲۲kA، ولتاژ خازن ۱۴۲kV |
III. محدودکننده جریان خطای سری‌رنگی مبتنی بر سیستم محافظ ZnO
- توپولوژی مدار و اصول کار
• ساختار توپولوژی: رآکتور اشباع‌پذیر LB با سیستم محافظ ZnO جایگزین می‌شود. ساختار باقی‌مانده (C موازی + L سری) ثابت می‌ماند.
• اصول کار: اصول کار مشابه نوع رآکتور اشباع‌پذیر است. در عملکرد معمول، ZnO مقاومت بالایی دارد و مدار رزونانس می‌کند. در وضعیت خطا، افزایش ولتاژ خازن باعث رسانایی ZnO (مقاومت کم) می‌شود، خازن را به طور موثر کوتاه می‌کند و شرایط رزونانس را می‌شکند. رآکتور سری L جریان را محدود می‌کند. سیستم به طور خودکار پس از پاکسازی خطا بازگردانی می‌شود. کل فرآیند از ویژگی‌های ولتاژ-جریان غیرخطی ZnO برای کلیدزنی خودکار استفاده می‌کند. - تحلیل شبیه‌سازی ویژگی‌های محدودکننده جریان
شبیه‌سازی تحت شرایط سیستم مشابه نتایج کلیدی زیر را ارائه داد:
|
عامل مؤثر |
نتیجه اصلی |
داده‌های شبیه‌سازی نمونه (مثال) |
|
۱. ولتاژ باقی‌مانده محافظ و هماهنگی C/L |
محدود کردن ولتاژ خازن راحت است، اما افزایش L برای تعقیب جریان کوتاه‌مداری پایین‌تر باعث ولتاژ خیلی بالای رآکتور سری می‌شود. |
C=254μF, L=40mH: جریان کوتاه‌مداری ۲۰kA، ولتاژ رآکتور ۲۴۶kV؛ C=507μF, L=20mH: جریان کوتاه‌مداری ۳۵kA، ولتاژ رآکتور ۱۷۳kV |
|
۲. زاویه شروع کوتاه‌مداری |
ویژگی‌های ترانزیانتی به زاویه فازی خطا حساس نیستند، فقط اندازه جریان را تأثیر می‌دهند؛ بیشترین جریان در ۹۰° است. |
زاویه ۹۰° (C=507μF, L=20mH): جریان کوتاه‌مداری ۳۵kA؛ زاویه ۰°: جریان کوتاه‌مداری ۲۸kA |
IV. مقایسه جامع دو طرح FCL
|
بعد مقایسه |
FCL مبتنی بر رآکتور اشباع‌پذیر |
FCL مبتنی بر سیستم محافظ ZnO |
|
مزیت اصلی |
اثر محدودکننده جریان فوق‌العاده؛ تعادل خوب بین جریان کوتاه‌مداری و ولتاژ مولفه‌ها از طریق بهینه‌سازی پارامترها قابل دستیابی است. |
محدود کردن ولتاژ خازن آسان است؛ ویژگی‌های ترانزیانتی از زاویه فازی خطا مستقل است؛ طراحی ساده‌تر است. |
|
محدودیت اصلی |
نیاز به بهینه‌سازی دقیق خصوصیات هیسترزیس هسته و پارامترهای C/L؛ کنترل ولتاژ خازن دشوار است؛ به طور قابل توجهی از زاویه فازی خطا تأثیر می‌پذیرد. |
مشکل ولتاژ خیلی بالای رآکتور سری در تعقیب جریان کوتاه‌مداری پایین؛ نیاز به کنترل دقیق مقدار L. |
|
نیاز پارامترهای کلیدی |
اندوسانس معادل اشباع‌شده بهینه LB2 ≈ ۱/۳ از واکنش خازنی. |
مقدار اندوسانس رآکتور سری نباید خیلی بزرگ باشد. |
|
ترجیح سناریو کاربردی |
مناسب برای سطوح ولتاژ متوسط-پایین (مثلاً ۱۱۰kV) در شبکه‌های فشار بالا، جایی که عملکرد محدودکننده جریان بالا مورد نیاز است. |
مناسب برای سناریوهایی که حساس به ولتاژ خازن هستند و نیاز متوسط به محدود کردن جریان کوتاه‌مداری دارند. |
|
ویژگی‌های مشترک |
۱. ساختار ساده: تنها شامل مولفه‌های الکتریکی معمولی، بدون کنترل پیچیده؛ |
V. نتیجه‌گیری
این مطالعه دو راه‌حل نوآورانه محدودکننده جریان خطای سری‌رنگی مبتنی بر مولفه‌های معمولی را پیشنهاد می‌کند که موفق به رفع موانع فنی و اقتصادی FCLهای فوق‌رسانا و الکترونیک قدرت سنتی شده‌اند.
- FCL مبتنی بر رآکتور اشباع‌پذیر: از طریق بهینه‌سازی دقیق خصوصیات حلقه هیسترزیس هسته، تنظیم مقدار اندوسانس اشباع‌شده (LB2) به حدود ۱/۳ واکنش خازنی و تضمین هماهنگی خوب با پارامترهای خازن و رآکتور سری، می‌توان به طور موثر ولتاژ خازن را محدود کرد و عملکرد محدودکننده جریان ترانزیانتی عالی را به دست آورد. این روش به خصوص برای شبکه‌های ولتاژ متوسط-پایین مانند ۱۱۰kV مناسب است.
- FCL مبتنی بر سیستم محافظ ZnO: با استفاده از ویژگی‌های غیرخطی ZnO می‌توان به راحتی ولتاژ خازن را محدود کرد و عملکرد آن از زاویه فازی خطا مستقل است. با این حال، باید توجه داشت که مقادیر L بیش از حد می‌تواند باعث ولتاژ خیلی بالای رآکتور سری شود. این روش برای موقعیت‌هایی که نیاز بالایی به ایمنی خازن و نیاز متوسط به محدود کردن جریان کوتاه‌مداری دارند مناسب‌تر است.
