بررسی最新 لیمیتورهای جریان کوتاه فوق هدایت‌گر برای بهبود کیفیت توان الکتریکی

چکیده

این مقاله با معرفی ایده و اصل عملکرد لیمیتورهای جریان کوتاه فوق هدایت‌گر (SFCL) آغاز می‌شود و سپس به توصیف پروتوتایپ‌ها و پروژه‌های علمی منتخب از جمله پروژه‌های کره‌ای و روسی می‌پردازد. این پروژه‌ها نمایانگر پیشرفت‌های قابل توجه در تکنولوژی‌های اخیر و نوارهای ۲G HTS هستند که در ساخت این لیمیتورها به کار رفته‌اند. در ادامه، ساخت لیمیتورهای جریان کوتاه فوق هدایت‌گر انتخابی، همچون SFCL 500V / 50A کره‌ای و لیمیتور جریان فوق هدایت‌گر روسی ۲۲۰kV / 50kA بررسی می‌شود. همچنین، توضیحات مفصلی درباره لیمیتور جریان R-SFCL 10kV / ۱.8kA و اطلاعاتی درباره یک SFCL با درایو الکتریکی نیز ارائه خواهد شد.

مقدمه

لیمیتورهای جریان خطا فوق هدایت‌گر (SFCL) با محدود کردن جریان هجومی و مؤلفه دورانی جریان خطا، نقش بسیار مهمی در سیستم‌های برق ایفا می‌کنند. این ویژگی به این معناست که نه تنها اثرات حرارتی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد، بلکه آثار دینامیک جریان خطا بر روی دستگاه‌های شبکه نیز به حداقل می‌رسد. استفاده از این لیمیتورها به ما این امکان را می‌دهد که جریان‌های خطا، که ممکن است ۱۰ تا ۲۰ برابر جریان‌های نامی باشد، به مقادیر کم‌تر از ۳ تا ۶ برابر جریان نامی محدود کنیم.

اثرهای دینامیکی ناشی از جریان‌های خطا و نیروهای مکانیکی مرتبط با آن در زمانی که جریان خطا به اوج خود می‌رسد، به بالاترین حد خود می‌رسد. این زمان معمولاً حدود ۰.۰۰۵ ثانیه پس از وقوع خطا و با فرکانس ۵۰ هرتز به وقوع می‌پیوندد. چنانچه مدار خطا قطع شود یا ما به سرعت امپدانس آن را افزایش دهیم، در نتیجه نیروهای دینامیکی به حداکثر خود نخواهند رسید و این امر می‌تواند به محافظت از سیستم و دستگاه‌های انرژی در برابر تنش‌های بیش از حد و آسیب‌های احتمالی منجر شود.

شکل ۱. مفهوم عملکرد یک لیمیتور جریان فوق هدایت‌گر

در شرایط عادی عملکرد سیستم قدرت، یک لیمیتور جریان خطا فوق هدایت‌گر که به‌واسطه یک عنصر غیرخطی کار می‌کند، نباید موجب تلفات یا اگر هم تولید کند، این تلفات باید حداقل باشد. به‌علاوه، مقدار امپدانس باید در نزدیکی صفر نوسان کند. این نوع SFCL می‌تواند مدار محافظت شده را از اثرات حرارتی و دینامیک جریان اضطراری نجات دهد و در زمان‌هایی که ایمنی جریان از مقدار مجاز فراتر می‌رود، امپدانس بالایی وارد کند. زمان عملکرد SFCL تقریباً آنی است و دامنه جریان اضطراری به حداکثر خطرناک اول نمی‌رسد. پس از وقوع جریان اضطراری، لیمیتور به سرعت به حالت عادی خود بازگشته و با امپدانس ناچیزی خود را نشان می‌دهد.

لیمیتور جریان فوق هدایت‌گر کره‌ای SI-SFCL 500V/50A

در کره جنوبی، پروژه تحقیقاتی و آزمایشی درباره لیمیتورهای جریان فوق هدایت‌گر توسط شرکت برق کره در حال اجرا است. لیمیتور جریان خطا فوق هدایت‌گر با هسته آهن اشباع شده (SI-SFCL) ظرفیت قابل توجهی برای کاهش جریان خطا و بار روی کلیدهای مدار در شبکه‌های DC دارد.

هدف اصلی این پروژه ایجاد یک لیمیتور است که بتواند به محدودیت ۷۰ درصدی در زمینه جریان خطا دست یابد.

شکل ۲. ساختار SI-SFCL

ساختار SI-SFCL از سه بخش اصلی تشکیل شده است: یک هسته آهن مغناطیسی، یک کویل اولیه مسی (CPC)، و یک کویل ثانویه فوق هدایت‌گر (SSC). برای تأیید خواص آن، آزمایش‌های شبیه‌سازی با استفاده از مدل سه‌بعدی و روش المان محدود انجام شده است. بر اساس نتایج این شبیه‌سازی‌ها، طراحی SI-SFCL در مقیاس آزمایشگاهی گسترش یافته است که به منظور کار در سیستم تأمین انرژی DC با ولتاژ ۵۰۰ ولت و جریان ۵۰ آمپر مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این آزمایش تحقیقاتی، ویژگی‌های عملکرد هر ورودی و نیز ویژگی‌های محدودیت جریان خطا توسط SI-SFCL مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. ساختار SI-SFCL در شکل ۲ نشان داده شده است. این لیمیتور شامل دو کویل و یک هسته مغناطیسی است. کویل ثانویه CPC از مس ساخته شده و به سیستم تأمین انرژی DC متصل است، در حالی که کویل اولیه SSC از مواد فوق هدایت‌کننده تشکیل شده و به یک منبع ولتاژ DC متصل است.

کویل‌های CPC و SSC میدان‌های مغناطیسی را در جهت‌های مخالف تولید می‌کنند. مشخصات فنی لیمیتور در جدول ۱ ارائه شده است.

جدول ۱. مشخصات SI-SFCL در مقیاس آزمایشگاهی

طراحی هسته لیمیتور

در فرآیند طراحی هسته لیمیتور، تلاش بر این بوده است که خسارات ناشی از جریان‌های گردابی و هیسترزیس در حین محدودسازی جریان خطا به حداقل برسد. این خسارات در هسته به افزایش برگشت‌پذیری مسیر مغناطیسی، کاهش میدان مغناطیسی و اتلاف انرژی منجر می‌گردد؛ که این عوامل در نهایت تأثیر لیمیتور را بر روی جریان‌های خطا کاهش می‌دهند. هسته از فولاد سیلیکونی لایه‌ای نازک با نفوذپذیری بالا ساخته شده که می‌تواند خسارات ناخواسته را کاهش دهد. مقاومت ویژه فولاد سیلیکونی بالاست و لایه‌های فولادی از یکدیگر با نوار کاپتون عایق‌بندی شده‌اند؛ که این امر موجب افزایش مقاومت کلی هسته آهنی و جلوگیری از ایجاد جریان گردابی می‌شود. برای ساخت هسته، از فولاد سیلیکونی 50PN470 استفاده شده است. ساختار SI-SFCL در شکل ۳ به تصویر کشیده شده است [۷], [۸].

لیمیتور جریان خطای فوق هدایت‌گر روسی ۲۲۰ kV/۵۰ kA

لیمیتور دیگر جریان خطای فوق هدایت‌گر، لیمیتور روسی 220kV/50kA است. شهر مسکو در روسیه با جمعیتی برابر با ۱۲.۶ میلیون نفر، از سال ۲۰۰۰ تا ۲۰۱۹ شاهد افزایش مصرف انرژی بیش از ۵۹% بوده است. تأمین نیروی برق مطمئن، به‌عنوان یک پیش‌نیاز اساسی برای توسعه این شهر شناخته می‌شود.

وضعیت مسکو خاص و منحصر به فرد است؛ زیرا به علاوه بر افزایش سریع مصرف برق، فاصله‌ای کوتاه بین تولیدکننده و مصرف‌کننده برق وجود دارد، به‌طوری که بسیاری از نیروگاه‌ها در خود این شهر واقع شده‌اند. شرکت انرژی مسکو، یک لیمیتور جریان خطای فوق هدایت‌گر مقاومتی در ایستگاه برق خود (در کلاس ۲۲۰ کیلو ولت با ظرفیت محدودسازی جریان خطا ۵۰ کیلو آمپر) نصب نموده است تا اثربخشی SFCL را تأیید کند.

جزئیات فنی لیمیتور 220kV/50kA

لیمیتور فوق هدایت‌گر جریان خطا به‌صورت سری با خط کابل 220kV به طول ۱۲ کیلومتر نصب شده است که بخش‌های غربی و جنوب غربی شبکه شهری را به هم متصل می‌کند و در ایستگاه‌های سوئیچ‌گیر گاز عایق شده با ظرفیت سوئیچ ۵۰ kA در Mnevniki و ۶۳ kA در Ochakovo به پایان می‌رسد [۹].

تحقیقات و مراحل توسعه

تحقیقات در پروژه لیمیتور جریان فوق هدایت‌گر از سال ۲۰۱۵ آغاز شد و در سه مرحله اصلی صورت گرفت: مرحله مهندسی در سال ۲۰۱۶ به پایان رسید، مرحله تأمین بین سال‌های ۲۰۱۶ تا ۲۰۱۸ پایان یافت و مرحله ساخت در سال‌های ۲۰۱۸ و ۲۰۱۹ انجام شد (شکل ۴). اولین راه‌اندازی و آزمایش‌های تجربی نیز در اواخر سال ۲۰۱۹ صورت گرفت [۹].

لیمیتور جریان خطای فوق هدایت‌گر به صورت سه دستگاه تک فاز خارجی با مخزن (که به آن‌ها «فازها» می‌گوییم) و یک سیستم خنک‌کننده تشکیل شده است. این فازها در یک ساختمان مستقل با ابعاد 7x14x10m3 قرار دارند. مجموع مساحت اشغالی توسط سه فاز لیمیتور تقریباً معادل مساحت اشغال شده توسط سه لامپ هوا می‌باشد (شکل 4ب).

اطلاعات فنی اصلی لیمیتور در جدول ۲ ارائه گردیده است [۹], [۱۰].

هر یک از فاز‌های لیمیتور SFCL شامل یک کریواستات، بارهای با ولتاژ بالا و یک مجموعه ابررسانا هستند (شکل ۵). مجموعه ابررسانا حاوی ماژول‌های محدود کننده جریان است که به درپوش‌ها با ولتاژ بالا (حلقه‌های کرونا) متصل می‌باشند.

عملکرد و سیستم خنک‌کننده

حلقه‌های کرونا در توزیع یکنواخت میدان الکتریکی درون دستگاه مؤثرند و نوار ابررسانا از نسل دوم با دمای بالا به عنوان یک مقاومت سوئیچینگ عمل می‌کند [۹].

کریواستات‌های SFCL به شکل دیواره‌های دوگانه با عایق وکیوم طراحی شده‌اند. دیواره‌های آن‌ها از فولاد ضد زنگ ساخته شده تا فشار داخلی را تحمل کنند. هر کریواستات به منظور نشتی با هلیوم تحت آزمون تا فشار ۱۵ بار قرار گرفته است. ویژگی خاص این کریواستات‌ها داشتن دو درب بازشونده از هر دو طرف است که امکان نگهداری، اتصال و جدا کردن مجموعه‌های ابررسانا از سوکت‌ها و سایر فعالیت‌های فنی را تسهیل می‌کند. قطر سوراخ‌ها به ۰.۵ متر محدود شده تا دسترسی به داخل کریواستات با سطح معقولی از دشواری مهندسی امکان‌پذیر شود. هر فاز از SFCL به سیستم خنک‌کننده مخصوص خود مجهز است. نمودار سیستم خنک‌کننده لیمیتور در شکل ۶ نشان داده شده است [۹]. این سیستم خنک‌کننده شامل یک سازنده فشار، یک اتاقک کریو بریتون Turbo-Brayton NeoKelvin (با ظرفیت خنک‌کنندگی 2kW در 70K، تولید شده توسط Taiyo Nippon Sanso)، یک پمپ گردش (Cryozone) و یک لوله (Nexans) برای حمل نیتروژن مایع می‌باشد. افزونگی با دور زدن فازهای جداگانه تضمین می‌شود؛ به گونه‌ای که حتی اگر یک سیستم از کار بیفتد، SFCL همچنان به‌صورت کامل عملیاتی باقی خواهد ماند.

لیمیتور جریان خطای فوق هدایت‌گر R-SFCL ۱۰ kV/۱.۸ kA

پروژه یک لیمیتور جریان خطای فوق هدایت‌گر مقاومتی ۱۰ kV/۱.۸ kA در کارلسباد، آلمان توسعه یافته است و بر اساس پروژه‌های [۱۱], [۱۲] شکل‌ گرفته است. آزمایش‌های شبیه‌سازی برای عملکرد R-SFCL بر اساس شبکه ولتاژ متوسط آلمان انجام شده است (شکل ۷) [۱۳].

در طراحی لیمیتور جریان خطای فوق هدایت‌گر R-SFCL ۱۰ kV/۱.۸ kA، الگوی سیم‌پیچ YBCO بر اساس طرح ENSYSTROB به کار رفته است [۱۱], [۱۲]. این لیمیتور شامل ۲۵ سیم‌پیچ است که به‌صورت سری به هم متصل شده‌اند. هر سیم‌پیچ تشکیل شده از نوارهای ابررسانا YBCO (Super Power SF12100) و یک مقاومت شنت فولاد ضد زنگ است که به‌صورت موازی در کنار هم قرار گرفته‌اند. سیم‌پیچ ابررسانا از شش نوار تشکیل شده که به‌طور ناهمخوان آرایش یابی شده‌اند. با این طراحی، جریان بحرانی IC لیمیتور R-SFCL به ۱.۸ kA می‌رسد (Ic برای هر نوار تقریباً ۳۰۰ A است).

سیم‌پیچ SC لیمیتور در نیتروژن مایع و در دمای ۷۷ K خنک می‌شود. پارامترهای اصلی R-SFCL که تحت آزمایش‌های شبیه‌سازی قرار گرفته‌اند، در جدول ۴ ارائه شده است [۱۳].

لیمیتور فوق هدایت‌گر برای هواپیماهای برقی

یکی از نوآوری‌های جالب در طراحی هواپیماهای برقی، بهره‌گیری از لیمیتورهای جریان خطای فوق هدایت‌گر (SFCL) است [۱۴]. این سیستم دارای سه واحد اصلی شامل سیستم پیشرانه الکتریکی هواپیما (EPAS)، باس اصلی DC و دیگر گیرنده‌ها می‌باشد. سیستم الکتریکی در این زمینه شامل توربین‌ها، ژنراتورهای HTS، کابل‌های HTS و یک لیمیتور جریان خطای فوق هدایت‌گر است [۱۴], [۱۵].

لیمیتورهای SFCL به همراه مدار شکن، از قدرت سیستم در برابر جریان‌های خطای احتمالی محافظت کرده و استاندارد بالایی از ایمنی را در هواپیماهای برقی فراهم می‌آورند [۱۴], [۱۶].

تا کنون، تمام طراحی‌های سیم‌پیچی بی‌فیلار تحت تأثیر طراحی BCP بوده‌اند؛ جایی که سیم‌پیچی‌های داخلی و خارجی به صورت موازی متصل گردیده‌اند. این طراحی منجر به تلفات جریان بالا و بار حرارتی بیشتری برای سیستم خنک‌کاری کریوژنیک می‌شود. به منظور کاهش تلفات و بهبود توانایی محدود کردن جریان‌های خطا، پیشنهاد شده است که از یک سیم‌پیچی بی‌فیلار مارپیچی استفاده شود. در این نوع طراحی، سیم‌پیچی‌های داخلی و خارجی به صورت سری متصل می‌شوند تا جریان‌های یکسانی را هدایت کنند، که در نتیجه اختلاف ولتاژ بین دورها در نزدیکی ترمینال‌ها کاهش می‌یابد و توزیع برابر جریان در سیم‌پیچی‌ها نیز تضمین می‌شود [۱۷].

خلاصه

پیشرفت‌ها در این حوزه نسبت به سال‌های گذشته به وضوح در حال افزایش و بسیار امیدوارکننده است. در حال حاضر، تحقیقات و کار بر روی لیمیتورها در بسیاری از مؤسسات و مراکز تحقیقاتی ادامه دارد. به دلیل ویژگی‌های فنی و ساختار ساده، توجه پژوهشگران به سمت توسعه لیمیتورهای جریان خطای فوق هدایت‌گر از نوع مقاومتی معطوف شده است. لیمیتورهای مقاومتی SFCL نه تنها جمع و جور و سبک هستند، بلکه از قابلیت اطمینان بالایی نیز برخوردارند و به همین دلیل در هواپیماهای الکتریکی به کار گرفته می‌شوند [۱], [۱۶]. این لیمیتورها به گونه‌ای طراحی می‌شوند که با استفاده از ساختارهای بی‌فیلار، حداقل القا و یا ساختارهای غیر القایی را فراهم کنند. این ویژگی برای سیستم‌های قدرت بسیار مفید است، چرا که از بروز تنظیم ولتاژ ضعیف و کیفیت پایین برق جلوگیری می‌کند.

منابع

1. Kozieł J., Analiza wpływu impedancji uzwojenia wtórnego na parametry nadprzewodnikowych ograniczników prądu typu transformatorowego, Przegląd Elektrotechniczny, 2016, vol.92, no. 12, p.77-80, DOI: 10.15199/48.2016.12.20.
2. Kozieł J., The influence of magnetic coupling factor k on value of impedance limiting fault current, Przegląd Elektrotechniczny, 2009, vol.85, no 5, p.200-203.
3. Komarzyniec G. et al, Analysis of the current distribution in layers of a second generation superconducting tapes, Przegląd Elektrotechniczny, 2019, vol.95, no.1, p.65-68. DOI: 10.15199/48.2019.01.17.
4. Kozak J, et al, Experimental Results of a 15 kV, 140A Superconducting Fault Current Limiter, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol: 27, Issue: 4, 2017, Article Number: 5600504, DOI: 10.1109/TASC.2017.2651120.
5. Gnat D., Aktualny stan badań nadprzewodnikowych ograniczników prądu zwarcia, Praca magisterska, Politechnika Lubelska, 2021.
6. Janowski J. et al. Superconducting Winding for Inductive Type SFCL Made of HTS Tape With Increased Resistivity, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Volume: 19, Issue: 3, 2009, Page(s): 1884 – 1887, DOI: 10.1109/TASC.2009.2018068.
7. Dao V.Q., et al, Design and Performance Analysis of a Saturated Iron-Core Superconducting Fault Current Limiter for DC Power Systems, Energies, 2020, 13, 6090; DOI:10.3390/en13226090.
8. Dao V.Q.; et al, Experimental Study on the Current Limiting Characteristics of a Saturated Iron-Core Superconducting Fault Current Limiter in DC Power Systems”, IEEE Transactions on Applied Supercond., vol. 31, No. 5, AUGUST 2021.
9. Moyzykh M. et al, First Russian 220 kV superconducting fault current limiter (SFCL) for application in city grid, SuperOx, Nauchny t. 20, no.2, 117246, Moskwa, 2021.
10. Moyzykh M. et al, Superconducting Fault Current Limiter for Moscow 220 kV City Grid, EUCAS, 2017.
11. Elschner S. et al, ENSYSTROB—Resistive fault current limiter based on coated conductors for medium voltage application, IEEE Trans. Appl. Supercond., t. 21, no. 3, p. 1209–1212, 2011.
12. Elschner S. et al, ENSYSTROB—Design, manufacturing and test of a 3-phase resistive fault current limiter based on coated conductors for medium voltage application, Phys. C Supercond., t. 1, p. 1–7, 2012.
13. de Sousa W.T.B., et al, Deployment of a Resistive Superconducting Fault Current Limiter for Improvement of Voltage Quality and Transient Recovery Voltage, IEEE Trans. Appl. Supercond., t. 31, no. 1,2021.
14. Song W., et al, A Novel Helical Superconducting Fault Current Limiter for Electric Propulsion Aircraft , IEEE Trans. Transport. Electrify., t. 7, no. 1, 2021.
15. Alafnan H., et al, Analysing faults and SFCL response in electric aircraft, Proc. 14th Eur. Conf. Appl. Supercond. (EUCAS), p.1–11, 2020.
16. Morandi A., State of the art of superconducting fault current limiters and their application to the electric power system, Phys. C, Supercond., t. 484, p. 242–247, 2013.
17. W. Song et al, Experimental and numerical transport AC losses in a four-strand Roebel cable bifilar stack, Supercond. Sci. Technol., t. 31, no. 11, 2018.
18. Komarzyniec G. et al, The calculation of the inrush current peak value of superconducting transformers, 2015 Selected Problems of Electrical Engineering and Electronics, WZEE 201527 January 2016 Article number 7394042Selected Problems of Electrical Engineering and Electronics, WZEE 2015, Kielce, 17 September 2015 – 19 September 2015.
19. Michałowska J. et al, Monitoring of the Specific Absorption Rate in Terms of Electromagnetic Hazards, Journal of Ecological Engineering, vol. 21, issue. 1, 2020 , https://doi.org/10.12911/22998993/112878.

منابع

[۲۰] Michałowska J. و همکاران، نظارت بر ریسک مؤلفه برقی تحمیل‌شده به خلبان در حین عملیات هواپیماهای سبک در میدان الکترومغناطیسی با فرکانس بالا، Sensors، جلد ۱۰، شماره ۲۴، ۲۰۱۹، DOI: ۱۰.۳۳۹۰/s19245537.

[۲۱] Michałowska J. و همکاران، پیش‌بینی پارامترهای میدان مغناطیسی ابزارهای ماشین CNC، Przegląd Elektrotechniczny، ۲۰۱۹، جلد ۹۵، شماره ۱، صفحات ۱۳۴-۱۳۶، doi:۱۰.۱۵۱۹۹/۴۸.۲۰۱۹.۰۱.۳۴.

نویسندگان

دکتری مهندس جوآنا کوزیل، گروه مهندسی برق و الکتروتکنولوژی، دانشکده مهندسی برق و علوم کامپیوتر، نادبیستریکا ۳۸A، ۲۰-۶۱۸ لوبین، ایمیل: j.koziel@pollub.pl

مهندس دامیان گنات، گروه مهندسی برق و الکتروتکنولوژی، دانشکده مهندسی برق و علوم کامپیوتر، نادبیستریکا ۳۸A، ۲۰-۶۱۸ لوبین، ایمیل: damian.gnat@pollub.edu.pl

دکتری habilitation مهندس میخال ماژکا، استاد LUT، گروه مهندسی برق و الکتروتکنولوژی، دانشکده مهندسی برق و علوم کامپیوتر، نادبیستریکا ۳۸A، ۲۰-۶۱۸ لوبین، ایمیل: m.majka@pollub.pl

مهندس یربول ترگینبکف، دانشگاه دولتی تراز م. خ. دولاتی، قزاقستان، ایمیل: bosik90@mail.ru

منبع و شناسه انتشار

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY، ISSN ۰۰۳۳-۲۰۹۷، سال ۹۸، شماره ۲/۲۰۲۲. doi:۱۰.۱۵۱۹۹/۴۸.۲۰۲۲.۰۲.۳۶

منتشر شده توسط PQBlog

مهندس برق

مشاهده پست‌های بیشتر

پرسش‌های متداول

لیمیتورهای جریان خطا چیستند؟

لیمیتورهای جریان خطا دستگاه‌هایی هستند که برای محدود کردن جریان‌های شدید و ناخواسته در سیستم‌های قدرت استفاده می‌شوند.

چیستی کارکرد لیمیتورهای جریان فوق هدایت‌گر چیست؟

لیمیتورهای جریان فوق هدایت‌گر با استفاده از ویژگی‌های مواد فوق هدایت‌کننده، جریان‌های خطای بیش از حد را محدود کرده و از آسیب به تجهیزات برق جلوگیری می‌کنند.

چگونه کیفیت توان الکتریکی بهبود می‌یابد؟

کیفیت توان الکتریکی با استفاده از فناوری‌های نوین مانند لیمیتورهای جریان فوق هدایت‌گر و فیلترهای هارمونیک ارتقا می‌یابد.

منبع: powerquality.blog