پژوهشی در مورد محدودکننده‌های جریان خطا: توسعه و جنبه‌های فنی

چکیده: این مقاله مروری بر فن‌آوری‌های محدود کننده جریان خطا (‏FCLs)‏ در سیستم‌های قدرت دارد. اول، FCLها به چهار گروه طبقه‌بندی شده‌اند: FCLهای ابررسانایی (‏SFCLs)‏، FCLهای حالت جامد (‏SSFCLs)‏، FCLهای هیبرید (‏HFCLs)‏، و فن‌آوری‌های دیگر. سپس برای هر گروه، تاریخچه بررسی شده و ویژگی‌های فنی هر خوشه مشخص می‌شود. همچنین، موانع توسعه فنی FCLها شرح داده می‌شوند. براساس این ویژگی‌ها و مشخصات، FCLها مقایسه شده‌اند. در نهایت، روند آینده FCLها براساس تحلیل مقالات، بررسی شده در پایگاه‌های داده IEEE و SCOPUS، و تحلیل اختراع‌های ثبت‌شده در دفتر ثبت اختراع ایالات‌متحده، دفتر ثبت اختراع اروپا، و در نظر گرفتن اختراع‌های در صف‌ ثبت مورد بحث قرار می‌گیرد. کشورهای پیشرو، دانشگاه‌ها و محققان در این زمینه نیز متمایز هستند. ​

مقدمه

سیستم‌های قدرت باید انرژی الکتریکی قابل اعتمادی را برای انواع مختلف بارها فراهم کنند. به عنوان یک سیستم پیچیده، سیستم‌های قدرت طولانی‌مدت تعداد زیادی از اجزای مختلف با ویژگی‌های گوناگون را تشکیل می‌دهند. ادغام منابع تجدید پذیر با رفتار متناوب، مانند توربین بادی و سیستم‌های فتوولتائیک (‏PV)‏، در سیستم‌های قدرت معمولی، پیچیدگی‌های بیشتری به سیستم‌های قدرت افزوده‌است‏. با در نظر گرفتن عوامل دیگر به عنوان مثال، اثرات زیست‌محیطی مانند شرایط آب و هوایی و غیره، این سیستم پیچیده همیشه در معرض خطاهای مختلف قرار می‌گیرد. خطاهای اتصال کوتاه (‏SC) ‏متداول‌ترین خطاهای رخ داده در سیستم‌های قدرت هستند. SC یک مسیر با امپدانس پایین ناشی از اتصال دو گره با پتانسیل‌های مختلف در یک مدار الکتریکی است. در طول یک خطای SC، جریان خطا ممکن است به بیش از ۱۰ برابر جریان اسمی برسد که منجر به گرمای بیش از حد در تجهیزات سیستم قدرت مانند ژنراتورها، ترانسفورماتورها، رساناها و غیره می‌شود. ​

به طور کلی، اثرات منفی خطای SC بر سیستم‌های قدرت عبارتند از: ۱ - قطع برق، ۲ - نوسانات مکانیکی میرا شده روی ژنراتورها و شفت موتورها، ۳ - اینرسی چرخشی منفی و استرس بر روی سیم‌پیچ‌های میرایی ماشین‌های سنکرون، ۴ - افزایش توان راکتیو مورد نیاز توسط امپدانس القایی خطوط انتقال و امپدانس نشت ترانسفورماتورهای قدرت، ۵ - افت ولتاژ در باس‌های دارای بار حساس به ولتاژ، ۶- کاهش گشتاور در موتورهای القایی؛ این امر همچنین باعث افزایش توان راکتیو مورد نیاز می‌شود. ۷- تنش حرارتی بر روی تجهیزات، ۸- افزایش ولتاژ و کمبود ولتاژ در خطوط بدون خطا، ۹- تداخل الکترومغناطیسی، ۱۰- افزایش انرژی عرضه نشده و زیان‌های اقتصادی، ۱۱ - خوردگی در ناحیه اتصال و ۱۲ - کاهش شاخص‌های قابلیت اطمینان سیستم قدرت و کیفیت توان. ​

ظرفیت مدار کوتاه (‏SCC) ‏به عنوان حداکثر جریان جاری در نقطه خطا تعریف می‌شود. معمولا تجهیزات نصب‌شده در یک سیستم قدرت دارای محدودیت‌های جریان خطای قابل‌تحمل خاص (‏TFCLs)‏ هستند. اگر TFCL برای یک المان کم‌تر از SCC سیستم باشد، آنگاه المان در معرض آسیب قرار می‌گیرد. بنابراین، برای جلوگیری از خرابی و بدکاری، یک ظرفیت اضافی در درجه‌بندی تجهیزات باید در نظر گرفته شود که به طور چشمگیری هزینه‌ها را افزایش می‌دهد. از سوی دیگر، سهم برخی تجهیزات در طول خطای SC، جریان خطا را افزایش می‌دهد. ​

معمولا جریان خطا از طریق: ۱- ژنراتور سنکرون نصب‌شده در باس‌های مجاور، ۲- موتورهای القایی بزرگ، و ۳- واحدهای تولید پراکنده (‏DGها) تغذیه می‌شود. ژنراتورهای سنکرون تاثیر عمده‌ای در افزایش شدت جریان خطا در شرایط پایدار دارند. با این حال، موتورهای القایی بزرگ تاثیر عمده‌ای بر افزایش مولفه‌های گذرای جریان خطا دارند. سهم DG ها در جریان خطا با توجه به نوع DG متفاوت است. برای مثال، اگر یک خطای SC در ترمینال‌های خروجی DG های مبتنی بر معکوس کننده رخ دهد، مانند PVها، حداکثر جریان خطا حدود ۱.۲ برابر جریان اسمی است در حالی که این جریان خطا ممکن است به ۶ برابر جریان مجاز برای توربین‌های بادی مبتنی بر ژنراتور القایی تغذیه دوگانه (‏DFIG) برسد‏. ​

این متن ترجمه‌ای نیمه‌خودکار (همراه با پس‌ویرایش محدود انسانی) از چکیده و بخشی از مقدمه مقاله A survey on fault current limiters: Development and technical aspects چاپ‌شده در ۱۱۸ امین شماره مجله International Journal of Electrical Power & Energy Systems است.
برای مطالعه کامل این مقاله به همراه ترجمه‌ به این لینک مراجعه فرمایید.​