Studie oor die Optimale Weerstandseleksie van Weerstand Supergeleidende Foutstroombeperkers vir Vlugtige Gelykspanningsowerdra Sisteme

1 Wêrestandige Supergeleidende Foutstroombeperker

1.1 Werking Prinsip

Gee die skaal van kragroosters voortdurend uitbrei, neem die kortsluitvermoë van inheemse kragstelsels vinnig toe, wat betekenisvolle uitdagings vir roosterbou en -bedryf stel. Om die probleem van oormatige kortsluitstrome te hanteer, ontvang supergeleidende foutstroombeperkers (SFCLs) op grond van supergeleiendheidprinsipes groeiende aandag. Afhangende van hul dempingseienskappe wanneer hulle oorgaan na die hoë-wêrestandtoestand, kan SFCLs in wêrestandige en indiktiewe tipes gedefinieer word.

Onder hierdie, het die wêrestandige supergeleidende foutstroombeperker 'n eenvoudige struktuur, kompakte grootte, en lig gewig, met 'n duidelike werking prinsip. Een dit in die hoë-wêrestandtoestand oorgaan, styg sy stroombeperkende impedansie skerp, wat sterke foutstroom beperkingsvermoë bied. Bovendien kan die toestelkapasiteit deur reeks- of parallelkonfigurasies van supergeleiende material buigsamer aangepas word. In onlangse jare het deurbraaks in kamertemperatuur-supergeleiende material verskyn, wat akademiese en industriële sirkels wyd beskou as die primêre rigting vir toekomstige ontwikkeling.

Kritieke stroom, kritieke magnetiese veld, en kritieke temperatuur is sleutelfisiese parameters om te bepaal of 'n supergeleiër in die supergeleiendetoestand is. Wanneer enige van hierdie parameters sy kritieke waarde oorskry, verander die supergeleiër van die supergeleiendetoestand na die gekwaste toestand. Die kwastingsproses bestaan uit twee stadiums: eerste, die fluxvloei-toestand, gevolg deur die normale wêrestandtoestand. Wanneer die stroomdigtheid deur die supergeleiër sy kritieke stroomdigtheid oorskry, gaan die supergeleiër oor in die fluxvloei-toestand.

Waar: E is die elektriese veldsterkte; EC is die kritieke elektriese veldsterkte; J is die stroomdigtheid; JCT is die kritieke stroomdigtheid; α is 'n konstante; Tt1 en Tt2 is die temperature van die supergeleiër by tyd t1 en t2, onderskeidelik; QRS is die hitte wat deur weerstand Rs van t1 tot t2 gegenereer word; QC is die hitte wat tussen die supergeleiër en sy omgewing gedurende die tydsinterval t1–t2 uitgewissel word; Cm is die spesifieke hittekapasiteit van die supergeleiër; JCT(77) is die kritieke stroomdigtheid by 77 K (77 K is die temperatuur van 'n vloeibare stikstofomgewing); TC is die kritieke temperatuur; T is die temperatuur van die supergeleiër.

Volgens Verg. (1), wanneer die stroomdigtheid J toeneem, styg die elektriese veldsterkte E van die supergeleiër vinnig, wat lei tot 'n toename in sy weerstand. Die toegenoomse weerstand verhoog die termiese effek, en soos in Verg. (2) getoon, styg die temperatuur van die supergeleiër ooreenkomstig.

Uit Verg. (3) word dit bekend dat die temperatuurstygging die kritieke stroomdigtheid verminder, wat die elektriese veldsterkte E verder verhoog, wat lei tot 'n kontinue toename in die weerstand van die supergeleiër. Terwyl die weerstand toeneem, word die hitte wat deur die supergeleiër gegenereer word geleidelik met die hitte wat aan die omgewing afgevoer word gebalanseer, en stabiliseer die temperatuur, wat uiteindelik tot 'n konstante-weerstand normale toestand lei.

1.2 Toepassing van R-SFCL in Vlugtige DC Stelsels

In vlugtige DC-oordragstelsels, het DC-stroom geen natuurlike nulpasse nie. Een 'n kortsluitfout voorkom, styg die foutstroom vinnig, wat 'n ernstige bedreiging vir elektriese toerusting in die stelsel stel. Om stelselbetroubaarheid te verseker, moet skakelaars vinnig die foutlyne isoleer. Tans het DC-skakelaars nog nie volledig praktiese toepassingsvereistes bevredig nie.

Wanneer 'n DC-kant fout voorkom, word AC-kant skakelaars tipies gestop, maar dit veroorsaak onvermydelik dat die omsetterstasie sluit, en krag-elektroniese toestelle kan tydens hierdie tydperk deur oorstroom beskadig word. DC-beskerming moet die hele beskermingvolgorde binne 'n paar milliseconde voltooi, terwyl die vinnigste werktyd van AC-skakelaars tipies 50 ms is, wat dit onvermoëlik maak om krag-elektroniese toestelle in die stelsel effektief te beskerm.

Tegnologie laat R-SFCLs toe om binne ongeveer 3 ms die normale wêrestandtoestand te bereik. Die wêrestandige supergeleidende foutstroombeperker oorgaan in die stroombeperkende toestand baie vinniger as relaibeskerming werk, en bereik die hoë-impedansietoestand voor foutklaring, wat effektief die kortsluitstroom verminder.

2 DC Foutkenmerke in Vlugtige DC Stelsels

Die posisie van die foutpunt beïnvloed slegs die stelselimpedans, nie die stroompad of die fundamentele kenmerke van die kortsluitfout nie. Vir modeleringgemak, word die fout by die middelpunt van die DC-lyn geplaas en as 'n metalliese kortsluit aangeneem. 'n Twee-eindige vlugtige DC-stelsimulasie-model en 'n R-SFCL-model word met PSCAD/EMTDC gebou, met 'n stelselgedradeerde spanning van ±110 kV en 'n gedradeerde krag van 75 MW. Die installasieposisie van die R-SFCL word in Fig. 1 getoon.

Wanneer 'n DC-kortsluitfout voorkom, word die IGBT deurgevoel en onmiddellik geblokkeer via sy blokkeerfunksie wanneer die foutstroom gesensor word. Echter, die diodes wat parallel met die IGBT en die oordragslyne verbonden is, vorm 'n onbeheerbare brugrektifier-sirkel, wat kommutasie selfs nadat die IGBT geblokkeer is, kan voortset. 'n DC-pool-na-pool kortsluit kan hoofsaaklik in drie stadiums verdeel word: Die eerste stadium vind onmiddellik na die fout plaas, waar die DC-kant kondensator vinnig ontlad en die DC-stroom in 'n paar milliseconde na sy piekwaarde styg.

In die tweede stadium, nadat die kondensatorspanning na nul daal, kan die stroom deur die diodes meer as tien keer hul gedradeerde stroom bereik, wat krag-elektroniese toestelle hoogst kwetsbaar maak vir beskadiging. In die derde stadium, wanneer die DC-kortsluitstroom onder die AC-roosterspanning daal, begin die AC-rooster kortsluitstroom in die DC-foutpunt invoer. 'n DC-grondfout het nie 'n tweede stadium nie; andersins is sy kenmerke soortgelyk aan dié van 'n pool-na-pool fout.

Tydens AC-stroom-invoer, is die foutstroom deur die diodes ongeveer tien keer hul gedradeerde stroom. Die stroompaaie vir hierdie twee tipes DC-kortsluitfoute in die vlugtige DC-stelsel word onderskeidelik in Fig. 2 en Fig. 3 getoon. Die installasie van 'n R-SFCL langs die foutstroompad kan die weerstand van die kortsluitsirkel vinnig verhoog, wat meer tyd vir foutklaring gee en die vereistes op die intrinsieke openertyd en onderbreekvermoë van DC-skakelaars verminder.

3 Simulasie Analise

Met die gebruik van die PSCAD/EMTDC simulasiesagteware, word die ontwikkelde R-SFCL-model in die opgestelde twee-eindige vlugtige DC-stelsimulasie-model met 'n kapasiteit van 75 MW geïntegreer vir verifikasie. Die stroombeperkende prestasie onder DC-pool-na-pool fout word in Fig. 4 getoon, en onder DC-lyn-na-grond fout in Fig. 5. Soos uit Fig. 4 en Fig. 5 duidelik is, verminder die piekfoutstroom soos die normale-toestand weerstand toeneem. Dit is duidelik dat die weerstand van die R-SFCL en die piekfoutstroom na installasie 'n sekere afname funksionele verhouding vertoon.

Om die toepassingsgebied te verbreed, is die oorspronklike model geleidelik opgeskaal gebaseer op drie stelselkapasiteite: 75 MW, 150 MW, en 300 MW. Onder toestande van DC-pool-na-pool kortsluit en DC-lyn-na-grond kortsluit, is die verhouding tussen die normale-toestand weerstandswaarde van die R-SFCL en die piekkortsluitstroom bestudeer deur die piekwaaardes van die kortsluitstrome te verkry. Die resultate word in Fig. 6 en Fig. 7 getoon.

Met die gebruik van die kurwe-pasfunksie in MATLAB, is die kurwes in Fig. 6 en Fig. 7 onderskeidelik gepas, wat funksionele uitdrukkings van die vorm f(x) = ae⁻ᵇˣ + c lewer, met spesifieke parameters in Tabel 1 gelys. Die afgeleide van die gepasde funksie is f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. Uit Tabel 1 kan dit waargeneem word dat vir dieselfde fouttipe, parameter b naby konstant bly, terwyl parameter a met stelselkapasiteit toeneem. Aangesien b relatief klein is, is die helling-uitdrukkings van die kurwes vir dieselfde fouttipe byna identies.Dus, R-SFCLs met dieselfde normale-toestand weerstand wys dieselfde veranderingstempo in piekfoutstroom oor verskillende stelselkapasiteite vir dieselfde fouttipe, wat konsekwente stroombeperkingsprestasie aandui.

Verder, as die normale-toestand weerstand van die R-SFCL lineêr toeneem, verminder sy stroombeperkende effek geleidelik. Gebaseer op die hellings van die kurwes in Fig. 6 en Fig. 7, is die optimale bereik van die R-SFCL se normale-toestand weerstand vir die maksimering van die verminderingstempo van die piekfoutstroom 0–10 Ω.

4 Gevolgtrekking

Die installasie van 'n R-SFCL op die DC-uitsetkant van 'n omsetterstasie in 'n vlugtige DC-oordragstelsel kan effektief DC-kortsluitfoutstrome verminder. As die weerstandswaarde van die R-SFCL lineêr toeneem, verminder sy stroombeperkende effek geleidelik. Met inagneming van die huidige navorsingsstatus, ingenieurskoste, en grondbehoeftes, word daar voorgestel dat die optimale normale-toestand weerstandbereik vir die R-SFCL 0–10 Ω wees.