Stromflussbegrenzer | Installations- und Forschungsleitfaden

1 Standorte für die Installation von Kurzschlussstrombegrenzern (FCLs)

• An den Generatoranschlüssen：Die Installation eines FCL an diesem Standort reduziert das Niveau des Kurzschlussstroms im Netzwerk bei Störungen, verringert mechanische und thermische Belastungen am Generator und reduziert somit Verluste in Geräten und Ausrüstung.

• An den Verteilungsübereinspannungsstationen der Anlage：Das Niveau des Kurzschlussstroms an diesem Standort ist in der Regel sehr hoch. Die Installation eines FCL kann den Fehlerstrom erheblich unterdrücken.

• Über die gesamte Schienenschiene：Wenn eine steigende Lastbedarfsnachfrage größere Transformatoren erfordert, müssen bestehende Leistungsschalter und Trennschalter möglicherweise nicht ersetzt werden. Bei höheren Leistungsstufen können Hochleistungstransformatoren mit niedriger Impedanz verwendet werden, um die Spannungsregelung aufrechtzuerhalten, während sie gleichzeitig die Fehlerstrombelastung des Transformators begrenzen. Nach der Begrenzung des Fehlerstroms auf der Hochspannungsseite des Transformators verursacht ein Kurzschluss an einer Mittelspannungsschiene nur einen minimalen Spannungsabfall an der Hochspannungsschiene.

• An den Netzverbindungslinien：Die Installation von FCLs an Netzverbindungspunkten bietet erhebliche Vorteile in Bezug auf die Steuerung des Energiestroms, Spannungsstabilität, Versorgungssicherheit, Systemstabilität und Störungsminimierung.

• An den Schienenverbindungen：Nachdem separate Schienen mit einem FCL verbunden wurden, erhöht sich der Einfluss von Kurzschlussströmen nicht signifikant. Wenn an einer Schiene ein Fehler auftritt, hilft der Spannungsabfall über den SFCL, die Spannungsebenen an der defekten Schiene aufrechtzuerhalten, sodass diese weiterhin in Betrieb bleiben kann. Die Verbindung mehrerer Schienen ermöglicht parallelen Betrieb von Transformatoren, verringert die Systemimpedanz, verbessert die Spannungsregelungsfähigkeit und beseitigt die Notwendigkeit von Zapfenschalttransformatoren. Überschüssige Energie von einer Schiene kann die Lasten auf einer anderen versorgen, was die Nutzung der Nennleistung der Transformatoren verbessert.

• An den Standorten von Strombegrenzungsreaktoren：Unter normalen Bedingungen schaltet der FCL den Strombegrenzungsreaktor kurz, um unnötigen Spannungsabfall und Energieverluste zu vermeiden.

• An den Transformatoreinzügen：Die Installation eines FCL am Transformatoreinzug schützt nachgeschaltete Geräte und reduziert Einschaltströme bei Schaltvorgängen.

• An den Schienenzuleitungen：Falls kein FCL am Transformatoreinzug installiert wird, sollte er an der Schienenzuleitung installiert werden. Obwohl dies möglicherweise mehr FCL-Einheiten erfordert, reduziert es Verluste an der Schiene sowohl unter normalen als auch unter Störungsbedingungen.

• An den Anschlusspunkten lokaler Generatoren：FCLs sind sehr nützlich für die Verbindung zusätzlicher dezentraler Erzeugungsquellen (z.B. thermischer Kraftwerke, Windparks), da sie den Beitrag dieser Quellen zum Gesamtkurzschlussstrom reduzieren.

• Für das Schließen offener Schleifen：In Mittelspannungsnetzen werden Schleifen manchmal wegen hoher Kurzschlussströme offen gehalten. FCLs können verwendet werden, um diese Schleifen zu schließen, wodurch die Versorgungsreliabilität, die Spannungsausgleich und die Reduzierung von Netzzuständen verbessert werden.

2 Forschungsrichtungen für Kurzschlussstrombegrenzer

Derzeit sind FCL-Anwendungen auf einzelne Projekte beschränkt. Für eine großflächige Umsetzung sind folgende Forschungsbereiche dringend erforderlich:

• Untersuchen Sie die Rolle von FCLs bei der Verbesserung der Übertragungskapazität und ihren Einfluss auf die Netzstabilität; geben Sie grundlegende Parameter vor, die den Anforderungen an die Stabilität des Energiesystems entsprechen.

• Studieren Sie optimale Installationsstandorte und Kapazitätskonfigurationen für FCLs basierend auf typischen regionalen Netzstrukturen und bestimmen Sie Schlüsselparameter, die sowohl die Systemstabilität als auch die thermischen und mechanischen Belastbarkeiten der Geräte erfüllen.

• Forschen Sie zur Koordination und Kontrollstrategien zwischen mehreren FCLs oder zwischen FCLs und bestehenden FACTS-Geräten.

• Untersuchen Sie die Integration der FCL-Kontrolle in herkömmliche Systemkontrollen und Relais-Schutzsysteme.

• Studieren Sie Methoden, um die FCL-Kontrolle in bestehende Netzsteuer- und Kontrollsysteme zu integrieren.

• Analysieren Sie die gegenseitigen Auswirkungen zwischen FCLs und dem Energiesystem bei der Installation an verschiedenen Laststandorten und entwickeln Sie entsprechende Minderungsstrategien.

• Erforschen Sie die Rolle von FCLs in großen vernetzten Energiesystemen.

FCLs sind Hochspannungs-, Hochleistungsvorrichtungen, und ihre Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz sind wichtige Leistungsindikatoren. Die Verbesserung der Zuverlässigkeit erfordert nicht nur rationale Schaltkreisarchitekturen und reifere Kontrollstrategien, sondern auch Einfachheit in Design und Kontrolle. Das Optimieren des Systemdesigns, um Größe, Gewicht und Kosten zu reduzieren, bleibt ein zentrales Ziel in der FCL-Forschung. Darüber hinaus sind die Störfestigkeit und Betriebsstabilität des Kontrollsystems für eine zuverlässige Fehlerstrombegrenzung unerlässlich.

Ein weiteres Problem mit FCLs ist ihre eingeschränkte Funktion – sie bleiben während des normalen Betriebs inaktiv, was die Investitionskosten im Netz erhöht. In Verteilungsnetzen werden oft verschiedene Energiequalitätskompensationseinrichtungen (z.B. Dynamische Spannungsrestaurierer (DVR), Unified Power Quality Conditioners (UPQC), Fortgeschrittene statische Blindleistungsgeneratoren (ASVG), supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES)) installiert, um die Energiequalität zu verbessern. Wenn ein Gerät so konzipiert werden könnte, dass es mehrere Kompensationsfunktionen während des normalen Betriebs (Verbesserung der Energiequalität) bereitstellt und sofort eine hohe Impedanz während Systemfehlern präsentiert, um den Fehlerstrom zu begrenzen, würde es Multifunktionalität erreichen. Solch ein Gerät könnte auch verbesserte Strombegrenzungsprinzipien und -leistungen gegenüber bestehenden FCLs bieten.

3 Aktuelle Probleme mit Kurzschlussstrombegrenzern

Als neuartiges Schutzelement erhalten FCLs zunehmend Aufmerksamkeit, und ihre zukünftige Anwendung in Energiesystemen erscheint vielversprechend. Allerdings stellt die Analyse ihrer potenziellen Auswirkungen und Effekte eine unumgängliche Herausforderung dar. Hauptprobleme der Gegenwart umfassen:

• Das dynamische Verhalten von FCLs während Fehlertransienten, einschließlich Auswirkungen auf die Synchronismusstabilität und die Laststabilität.

• Fehlersteuerstrategien von FCLs und deren Abstimmung mit Relaisschutzsystemen.

• Entwurf von ultraschnellen Fehlererkennungssystemen und -steuerungen für FCLs.

• Auswirkungen von FCLs auf die Energiequalität, insbesondere bezüglich der Harmonischen Erzeugung.

• Optimale integrierte Platzierung von FCLs in Energiesystemen.

• Auswirkungen von FCLs auf den Betriebsstatus bestehender Geräte und Komponenten im Netz.

• Wirtschaftliche Bewertung von FCL-Anwendungen in Energiesystemen. Die Bewältigung dieser Probleme wird die Entwicklung und den Einsatz von FCL-Technologien erheblich fördern.

Spezifische Probleme für supraleitende Kurzschlussstrombegrenzer (SFCLs):

• Stabilität von supraleitenden Magneten.

• Wiederherstellungszeit von Supraleitern nach einem Fehler.

• Wärmeableitung von Supraleitern nach der Strombegrenzung.