מגביל זרם קצר לרשתות חשמל

מגביל זרם קצר לרשתות חשמל

רקע:

כאשר מתרחש קצר במקטע רשת מסויים, זרם החשמל זורם באופן בלתי מבוקר אל נקודת הקצר. זרם קצר זה עלול להיות גבוה עשרות מונים מהזרם הנקב ברשת ולגרום לנזקים חמורים להתקני הרשת. הנזק נגרם כתוצאה מחימום חזק בנקודת הקצר עקב היות האנרגיה בנקודה זו פרופורציונית לריבוע עצמת הזרם. בנוסף, כוחות מכניים בחוטים נושאי זרם פרפורציונאליים אף הם לעצמת הזרם בריבוע ולפיכך כוחות אלו מתעצמים בעת קצר ומובילים פעמים רבות לקריעה ואף לפיצוץ של התקנים ברשת החשמל.

פיצוץ שנאי בעקבות זרם קצר

 

העליה המתמדת בצריכה ובכושר ייצור החשמל גוררת בעקבותיה עליה בזרמי הקצר ברשתות החשמל. המגמה העולמית להוספת מקורות אנרגיה מתחדשים (שמש, רוח, מים...) תורמת אף היא להגדלת זרמי הקצר ברשת החשמל. בנוסף, אחת ממטרות "רשתות החשמל החכמות" הנמצאת בפיתוח עולמי מואץ היא חיבור רשתות חשמל במקביל כך שניתן יהיה לשנע אנרגיה מרשת לרשת וממקום למקום כדי לאזן בין צרכים מקומיים ורגעיים ברשתות שונות. חיבור מקבילי בין סגמנטים של רשת גורר עימו העלאה משמעותית ביותר של זרם הקצר והופכת את זרם הקצר לבעיה המעכבת ואף מונעת חיבור שכזה.

האמצעים הנוכחיים לטיפול בזרמי קצר כוללים מפסקים מיוחדים המסוגלים לנתק זרמים של עשרות קילו-אמפרים. כמו-כן ציוד רשת כמו שנאים נבנה מראש עם עכבה (אימפדנס) גבוהה כדי להגביל את הזרם בעת קצר. במקומות מסויימים מכניסים גם משרנים (ריאקטורים) המהווים עכבה נוספת ברשת.

הפתרונות הקיימים מציגים מספר בעיות:

• במקומות רבים ברשת זרם הקצר הצפוי עולה על יכולת הניתוק של המפסקים. במצב זה יש להחליף את כל המפסקים בסגמנט הרשת המדובר, פעולת תשתית יקרה ביותר
• האימפדנס הגבוה הנוסף בשנאים ובריאקטורים עולה בהספק ריאקטיבי ובנפילת מתח על פני ההתקנים הללו
• האימפדנס הריאקטיבי פוגע באמינות וביעילות הרשת
• במצב הנוכחי הכרחי לפצל את הרשת למקטעים, בניגוד גמור לחזון "הרשת החכמה" עליו עובדים בכל העולם
•  

טכנולוגיה חדשה - פתרון מוליך-על

 

הגילוי של מוליכי-על בטמפרטורות גבוהות של חנקן נוזלי פתח את האפשרות להשתמש בהם לצרכי הגבלת זרם קצר. מאמצי הפיתוח של התקני הגבלת זרם קצר המבוססים על מליכי-על מתמקדים משני ערוצים עיקריים:

מגביל זרם קצר התנגדותי:  הפתרון הטבעי ביותר הוא להוסיף מוליך-על בטור עם הרשת באופן בו מוליך העל מתוכנן להוליך את הזרם הנקוב ברשת ללא התנגדות או עם התנגדות זניחה (ראה ציור סכמטי משמאל מתוך אתר accessscience.com). בעת אירוע קצר, הזרם דרך המוליך-על עובר את הזרם הקריטי, מוליכות העל נשברת והאלמנט הופך להיות התנגדותי ובולם את עליית זרם הקצר.

פרוייקטים רבים בעולם עסקו ועוסקים עדיין בפיתוח מגביל הזרם ההתנגדותי והתאמתו לרשתות חשמל. היום, לאחר כמעט כשני עשורים של פיתוח והשקעה של עשרות מליוני דולרים, ברור כי ברשתות חלוקה במתח והספק גבוה יסבול מגביל זרם הקצר ההתנגדותי מבעיות של הספק קירור ואבדני אנרגיה, ממעבר דינמי בין המצב מוליך העל למצב הנורמלי הגורם לזמני תגובה והתאוששות גדולים יחסית, מהצורך לפתח אלמנטים מוליכי-על מיוחדים לצורך זה, מהצורך להגן על מוליך העל מפני התחממות יתר בעת קצר ומבעיות אפשריות של "הזדקנות" מוליך-העל לאחר מספר מעברים בין המצבים.

 

מגביל זרם קצר השראותי: כאן העיקרון מתבסס על מעבר ממצב של השראות התקן נמוכה בעת פעולת רשת נורמלית להשראות גבוהה בעת קצר. הרעיון המסורתי השתמש בליבה מגנטית העטופה במוליך-על מקורר. מעל מוליך העל נמצא סליל המחבר בטור לרשת (ראה ציור סכמטי משמאל מתוך אתר accessscience.com). בעת פעולת רשת נורמלית, מוליך העל ממסך את הליבה המגנטית והסליל המחובר לרשת מציג אימפדנס נמוך. ברגע שהזרם בסליל הרשת עולה, גם הזרם במוליך העל עולה עד לזרם הקריטי ואז נשברת מוליכות העל, הליבה כבר אינה ממוסכת והאימפדנס של הסליל עולה ומגביל את זרם הקצר. מכיוון שגם בתצורה הזאת עובר מוליך העל בין המצבים נורמלי - מוליך-על, מגביל זרם הקצר ההשראותי סובל מאותם החסרונות של מקבילו ההתנגדותי.

 

הטכנולוגיה של בר-אילן

 

המעבדה למוליכות-על בבר-אילן בחרה לפתח טכנולוגיית מגביל קצר שהיא בבסיסה השראותית אך יחד עם זאת שונה באופן בסיסי. בבסיס הטכנולוגיה רעיון שהוצע ע"י קבוצת מחקר באנגליה בשנות השמונים ובה נעשה שימוש בליבה מגנטית סגורה אשר בצד אחד שלה סליל מוליך-על הנושא זרם ישר DC ומכניס את הליבה לרוויה ובצידה השני סליל המחבר בטור לרשת. כאשר הזרם בסליל זה נמוך, הליבה ברוויה בגלל הסליל מוליך העל והאימפדנס שלו נמוך. בעת קצר, הזרם בסליל הרשת עולה ובחצי מחזור של זרם החילופין מבטל את שטף ה-DC, מוציא את הליבה מרוויה ומתקבל סליל רשת בעל אימפדנס גבוה המגביל את זרם הקצר.

הרעיון המקורי למגביל זרם קצר עם ליבה מגנטית ברוויה

 

רעיון זה, אף שהתכנותו הוכחה לפני כמה עשורים, סבל משתי מגבלות עיקריות:

1. הגבלת הזרם מתרחשת בחצי מחזור בלבד. כדי להגביל את הקצר בכל מחזור הזרם יש להכפיל את הליבה והסלילים. כתוצאה מכך מתקבל התקן גדול, כבד, יקר ובלתי כלכלי בעליל
2. בעת קצר, כאשר הליבה יוצאת מרוויה, מתקבל צימוד מגנטי בין סליל הרשת לסליל DC וכל המתח הגבוה נופל על האחרון. במקרה הטוב הסליל ומקור הכח יכולים להינזק ובמקרה הגרוע פעלת ההגבלה נפגעת בגלל שבאופן מעשי המערכת מתנהגת כשנאי מקוצר.

פריצת הדרך

בסדרה של רעיונות ופטנטים, הצליחה קבוצת המחקר במעבדה לפרוץ דרך בטכנלוגיה זו וליצור תצורה מגנטית המאפשרת לבטל כמעט לגמרי את הצימוד המגנטי בעת קצר ולהגביל את הזרם תוך שימוש בליבה מגנטית יחידה ועם סלילי רשת ומליך-על יחידים. הרעיון פורץ הדרך יוצר סופר-פוזיציה של מעגל מגנטי סגור DC ומעגל מגנטי פתוח AC באותה הליבה ובעזרת תצורה אורתוגונלית בין הסלילים מבטלת את הצימוד בינהם.

בשלב ראשון של המחקר נבנה אב-טיפוס חד-פאזי בשיתוף עם ריקור. אב הטיפוס נבדק בהצלחה במעבדות חברת החשמל והראה הגבלת זרם של בערך פי 2, כמתוכנן.

מגביל זרם קצר מוליך-על חד-פאזי. פיתוח של בר-אילן וריקור

בדיקת הגבלת זרם קצר במעבדות חברת החשמל לישראל

 

היתרונות העיקריים אותם מציג מגביל זרם הקצר בטכנולוגיה של בר-אילן וריקור הם:

• אין שימוש במעבר הפאזה מוליך-על למוליך נורמלי לצורך הגבלת הזרם. מוליך העל משמש אך ורק כדי לחסוך אנרגיה בסליל DC.
• פעולת הגבלת הזרם היא אוטומטית, פסיבית ומיידית. תגובת הליבה המגנטית לשינויי מגנוט מהירה בסדרי גודל מתדירות הרשת.
• ההתאוששות בחלוף הקצר היא מיידית ומגביל הזרם מוכן מייד לארוע קצר נוסף.
• מימוש מגביל הזרם הוא באמצעות טכנלוגיה הדומה לטכנלוגיית שנאים. זוהי טכנולוגיה יציבה ונפוצה ביותר הנמצאת בשימוש בכל רחבי העולם בהיקפים אדירים מעל 100 שנים.
• אין צימוד מגנטי AC-DC משמעותי בעת קצר.
• ההתקן קטן פי כמה מכל ההתקנים המתחרים.
• בגלל מימדיו הקטנים, לפחות במתחים של עד 33kV, האורך המגנטי של המגביל קטן דיו כדי לאפשר שימוש בסליל DC עשוי נחושת במקום במוליך-על. הדבר מאפשר התגברות על חסם כניסה לחברות חשמל בעולם המגלות התנגדות לטכנלוגיה קריאוגנית בתחנות משנה.

פריצת דרך נוספת

 

ההנחה המקובלת היתה שלא ניתן ליצור מגביל זרם תלת-פאזי המסוגל לטפל בקצר תלת-פאזי סימטרי בעזרת שימוש בליבה יחידה. הסיבה לכך היא שכאשר שלושה סלילי פאזות חולקים ליבה משותפת, הרי שכאשר גודל הזרמים בהם שווים, הסכום הווקטורי של השדה המגנטי שהם מייצרים מתאפס, בגלל הזווית בת 120 מעלות בין הפאזות. מסיבה זאת, כמעט שלא נעשה מאמץ בעולם ליצור מגביל זרם תלת-פאזי עם ליבה יחידה.

המעבדה למגנטיות ומוליכות-על בבר-אילן פרצה גם כאן דרך כשהציעה רעיון למימוש מגביל זרם תלת-פאזי. בבסיס הרעיון עומד תכנון עם שלושה סלילי פאזות החולקים ליבה אחת, אלא שבאופן מובנה קיימת אסימטריה בין הסלילים. אסימטריה זו מושגת בעזרת מיקום שונה של הסלילים על פני הליבה