Stroombeperkers | Tegnologie & Impak op Netstabiliteit

1 Inleiding tot Foutstroombeperkertechnologie (FCL)

Tradisionele passiewe foutstroombeperkingmetodes – soos die gebruik van hoëimpedansietransformateurs, vaste reaktors, of gesplitste busbalkoperasie – het inherente nadele, insluitend verstoring van netstruktuur, toename in stasionêre sisteemimpedansie, en verminderde sisteemveiligheid en stabiliteit. Hierdie benaderings word steeds minder geskik vir vandag se komplekse en grootskale kragnette.

Inteendeel, aktiewe foutstroombeperkingstegnologieë, verteenwoordig deur Foutstroombeperkers (FCLs), wys lae impedansie tydens normale netbedryf. Wanneer 'n fout voorkom, skuif die FCL vinnig oor na 'n hoë-impedansietoestand, wat die foutstroom effektief beperk tot 'n laer vlak, en dit maak dinamiese beheer van foutstrome moontlik. FCLs het geëvolueer vanaf die tradisionele konsep van reeksreaktorgebaseerde stroombeperking deur geavanceerde tegnologieë te integreer, soos krag-elektronika, supergeleidbaarheid, en magneetkringbeheer.

Die fundamentele beginsel van 'n FCL kan vereenvoudig word tot die model in Figuur 1: tydens normale sisteembedryf is skakelaar K toe, en die FCL voer geen stroombeperkende impedansie in nie. Slegs wanneer 'n fout voorkom, oop K vinnig, en voer die reaktor in om die foutstroom te beperk.

Die meeste FCLs is gebaseer op hierdie fundamentele model of sy uitgebreide variante. Die hoofverskille tussen verskillende FCLs lê in die aard van die stroombeperkende impedansie, die implementering van skakelaar K, en die geassosieerde beheerstrategieë.

2 FCL Implementeringsplannings en Toepassingsstatus

2.1 Supergeleidende Foutstroombeperkers (SFCLs)

SFCLs kan ingedeel word as quench-tipe of nie-quench-tipe, afhangende van of hulle die oorgang van die supergeleider van supergeleidend na normaaltoestand (S/N-oorgang) gebruik vir stroombeperking. Struktureel word hulle verder ingedeel as weerstandtipe, brugtipe, magneties beskermde, transformertipe, of verzadigde kern tipes. Quench-tipe SFCLs berus op die S/N-oorgang (getrig wanneer temperatuur, magneetveld, of stroom die kritieke waardes oorskry), waar die supergeleider skuif van nulweerstand na hoë weerstand, en dus die foutstroom beperk.

Nie-quench-tipe SFCLs kombinereer supergeleidende spoels met ander komponente (bv. krag-elektronika of magneetkomponente) en beheer bedryfsmodusse om kortsluitstrome te beperk. Praktiese toepassing van SFCLs ervaar algemene supergeleidende uitdagings soos koste en koelingsdoeltreffendheid. Daarbenewens het quench-tipe SFCLs lang hersteltye, wat potensieel in konflik kan wees met sisteemheropening, terwyl die impedansieveranderinge van nie-quench-tipe SFCLs die koordeinstelling van relaibebeskywing kan beïnvloed, en herstelling vereis.

2.2 Magnetiese Element Stroombeperkers

Hierdie is verdeel in flux-annulerings- en magneetverzadiging-skakelaartipes. By die flux-annulerings-tipe word twee windinge met teenoorgestelde polariteit op dieselfde kern gewond. Onder normale toestande annuleer gelyke en teenoorgestelde fluxe mekaar, wat lei tot lae lekage-impedansie.

Tydens 'n fout word een winding omgeskakel, wat die flux-balans verstoor en 'n hoë impedansie aanbied. Die magneetverzadiging-skakelaartipe werk deur die stroombeperkende winding in verzadiging te belast (via DC-bias, ens.) onder normale toestande, wat 'n lae impedansie gee. Tydens 'n fout dryf die foutstroom die kern uit verzadiging, wat 'n hoë impedansie skep vir stroombeperking. As gevolg van komplekse beheervereistes, sien magnetiese element beperkers beperkte toepassing.

2.3 PTC Weerstand Stroombeperkers

Positiewe Temperatuurkoëffisiënt (PTC) weerstande is nielineêr; hulle wys lae weerstand en min verhitting onder normale toestande. Tijdens 'n kortsluiting styg hul temperatuur vinnig, wat die weerstand met 8–10 ordes van grootte binne millisekondes verhoog. FCLs gebaseer op PTC-weerstande het kommersiële toepassing in laevoltagetoepassings gevind.

Egter, nadelen sluit in: hoë overvoltages wat gegenereer word tydens indiktiewe stroombeperking (wat parallelle overvoltagebeskerming vereis); meganiese spanning as gevolg van weerstanduitbreiding tydens bedryf; beperkte spannings/stroomratings (honderde volts, 'n paar amperes), wat reeks-paralelle verbindinge nodig maak en hoë-voltagetoepassings beperk; en lank hersteltye (veral minute) met kort diensleeftyd, wat grootskale inrigting belemmer.

2.4 Vaste-Staat Stroombeperkers (SSCLs)

SSCLs is 'n nuut tipe kortsluitingbeperker gebaseer op krag-elektronika, tipies bestaande uit konvensionele reaktors, krag-elektroniekkomponente, en bestuurders. Hulle bied verskeie topologieë, vinnige respons, hoë operasionele uithouendheid, en eenvoudige beheer. Deur die toestand van krag-elektroniekkomponente te beheer, word die ekwivalente impedansie van die SSCL verander om foutstroom te beperk. As 'n nuwe FACTS-toestel beskou, ondervind SSCLs toenemende aandag. Egter, tydens foute moet die krag-elektroniekkomponente die volledige foutstroom dra, wat hoë komponentprestasie en -kapasiteit vereis. Koördinasie tussen verskeie SSCLs of met ander FACTS-beheersisteme bly 'n kritiese uitdaging.

2.5 Ekonomiese Stroombeperkers

Hierdie bied volwasse tegnologie, hoë betroubaarheid, lae koste, en outomatiese skakeling sonder buite-inligting. Hulle word hoofsaaklik ingedeel in boogstroomoorgang- en reeksresonantietipes. Die boogstroomoorgang-tipe bestaan uit 'n vakuumskakelaar parallel met 'n stroombeperkende weerstand. Onder normale bedryf vloei die laststroom deur die skakelaar. By 'n kortsluiting oop die skakelaar, dwing die stroom om oor te skakel na die weerstand vir stroombeperking.

Probleme sluit in: oorgangstroom wat beïnvloed word deur vakuumboogspanning en verdwaalde induktansie; oorgangstyding wat afhang van skakelaarspoed; en moeilikheid om stroom oor te skakel by lae boogspanning, wat hulpbronne vereis om boogspanning te verhoog en stroom nuldoorsnyding te dwing. Reeksresonantie FCLs gebruik verzadigde reaktors of stormspoelers as skakelaars. Onder normale toestande is die kondensator en inductor in reeksresonansie met lae impedansie. Tydens 'n fout satureer die reaktor of aktiveer die stormspoeler, ontstem die resonansie en voer die reaktor in die lyn in vir stroombeperking. Elektromagnetiese repulsie vinnige skakelaars kan ook vinnig die kondensator omgaan.

2.6 Huidige Status van FCL Ingenieursaplikasies

Vir praktiese waarde moet FCLs nie net vinnig impedansie tydens foute invoer nie, maar ook kenmerk met outomatiese herstel, meerdere opeenvolgende operasies, lae harmoniese generering, en aanvaarbare investerings- en bedryfkoste. Tans, beperk deur tegniese uitdagings en koste-doeltreffendheid, ondanks verskeie eksperimentele prototipes wat wêreldwyd ontwikkel is, bly werklike nettoepassings skaars, meestal beperk tot laevoltag, klein-kapasiteit pilotprojekte.

Die veld het vroër buite land begin, met noemenswaardige vooruitgang in vaste-staat en supergeleidende FCL-komersialisering. In 1993 is 'n 6.6 MW vaste-staat skakelaar gebruik makend van anti-paralele GTOs op 'n 4.6 kV voeder by die Army Power Center in New Jersey, USA, geïnstalleer, in staat om foute binne 300 μs te klare. In 1995 is 'n 13.8 kV/675 A vaste-staat FCL deur EPRI en Westinghouse by 'n PSE&G-onderstasjon gekommisieer. Vir supergeleidende FCLs, is 'n hibried AC/DC FCL in 1998 deur ACEC-Transport en GEC-Alsthom ontwikkel, en kommersieel gelaunch. In 1999 is 'n 15 kV/1200 A SFCL saam ontwikkel deur General Atomics en ander by 'n Southern California Edison (SCE) onderstasjon geïnstalleer.

Inheemse FCL-navorsing het later begin, maar vinnig vordering gemaak. In 2007 het China se 35 kV supergeleidende verzadigde kern FCL, ontwikkel deur Tianjin Electromechanical Holdings en Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd., 'n proefbedryf by Puji Onderstasjon, Yunnan, ondergaan – destyds die hoogste-spanning, hoogste-kapasiteit supergeleidende beperker in proefbedryf. Vir reeksresonantie FCLs, het China se eerste 500 kV toestel, saam ontwikkel deur China Electric Power Research Institute, Zhongdian Puri, en East China Grid, by die 500 kV Bingyao Onderstasjon laat in 2009 gekommisieer, wat die kortsluitstroom tot onder 47 kA verlaag het.

Wêreldwyd bly FCL-toepassings beperk tot individuele projekte, maar kry toenemende aandag. Beduidende potensiaal bly in navorsing oor kapasiteitstoename, spanningsverdraagsaamheid, materiaalverbeterings, hitte-afvoer, kostebeheer, en topologie-optimalisering.

3 Impak van FCL-integrasie op Kragstelsel Veiligheid en Stabiliteit

Die vinnige impedansie-invoer van FCLs tydens foute, alhoewel dit effektief stroom beperk, verander netwerkparameters, wat transiënte stabiliteit, spanningsstabiliteit, relaibebeskermingsinstellings, en heropening beïnvloed. Swak beheer kan negatiewe impak hê. Geïntegreerde beheer en optimale konfigurasie is noodsaaklik vir meerdere FCLs om optimale prestasie te bereik.

3.1 Impak op Relaibebeskerming en Heropening Instellings

Vir verzadigde kern SFCLs, beteken die lank hersteltye dat beduidende impedansie na die fout voortduur, wat moontlik herstelling van outomatiese heropening en relaibebeskerming vereis. Literatuur stel voor om quench-tipe SFCLs op generator- en hooftransformer takke te installeer; alhoewel herstelling van beskerming nodig is, kan die duurnde hoë impedansie tydens herstel as 'n remweerstand funksioneer, wat transiënte stabiliteit baat. Verskeie distansiebeskermingsinstellingsmetodes wat rekening hou met SFCLs is voorgestel. Vaste-staat FCLs kan tirostelleur seignale, omgaanbrekerkontakte, FCL-skakelaarposisies, en GAP-sirkels gebruik om nulreeksstroombeskermingsinstellings te switsover, wat sensitiwiteitprobleme na FCL-invoer aanspreek.

3.2 Impak op Transiënte Kraghoek Stabiliteit

Alhoewel FCLs in die algemeen met lae impedansie normaal bedryf en met hoë impedansie tydens foute, lei hul spesifieke operasie en struktuur tot verskillende impak op transiënte kraghoek stabiliteit. Vaste-staat en supergeleidende FCLs, deur hoë impedansie tydens foute in te voer, kan die elektromagnetiese kraguitset van die generator verhoog en transiënte stabiliteit verbeter.

Weerstandtipe FCLs verbeter stabiliteit meer as induktieve tipes deur dempingweerstand te verskaf wat meer generator krag verbruik. Echter, ongepaste weerstandswaardes kan omgekeerde kragvloei na die generator veroorsaak, wat kragtekort verser. Analise wys dat vir foute weg van die generator, induktiewe SFCLs meer voordelig word as die totale oordraagreactansie verminder. Weerstandtipe SFCLs wys soortgelyke eienskappe oor 'n bepaalde weerstanddrempel.

Die impak hang af van foutplek en -tipe; FCLs beïnvloed kraghoek stabiliteit slegs wanneer foute op hul geïnstalleerde lyne voorkom. Vir asymmetriese foute by die lynbegin, baat FCL-induktansie stabiliteit, wat met induktansiewaarde verhoog. By die lyneinde, as die fout vinnig geklaar word, kan FCL-induktansie stabiliteit belemmer, maar die negatiewe impak verminder met hoër induktansie vir fase-tot-fase en twee-fase-tot-grond foute. Vir enkele fase of fase-tot-fase foute naby die lyneinde, kan 'n ligte verlenging van foutklaringtyd klein FCL-induktansie voordelig maak, wat die swingkurweamplitude betekenisvol verlaag in vergelyking met vinnige klaring.

3.3 Impak op Transiënte Spanningsstabiliteit

Kortsluitfoute veroorsaak spanningsdips, wat toestelbedryf beïnvloed en ekonomiese verliese veroorsaak. PSCAD-gebaseerde analise wys dat groter FCL-induktansie spanningsdippen binne 'n sekere reeks verbeter. Die inherent vermoë van FCLs om foutspanning te verbeter varieer met netwerkstruktuur. Op radiale voeders kan FCL-reactansie >0,5 pu spanning bo 0,8 pu tydens foute handhaaf. Lokale kragopwekking of reaktiewe ondersteuning naby die foutbus vermindert die afhanklikheid van FCLs.

3.4 Koördinasie met Tradisionele Beperkingsmaatreëls

Koördinasie van FCLs met tradisionele maatreëls (bv. reaktors, hoë-impedansietransformateurs) is kardinale vir praktiese toepassing. 'n Outomatiese optimaliseringsmetode wat 0–1 veranderlikes vir maatreëltoepassing en heelgetalveranderlikes vir kapasiteit gebruik, vorm 'n gemengde heelgetalprogrammeeringsprobleem, oplosbaar deur tak-en-begrens-metodes, om gekoördineerde konfigurasie te rig.

3.5 Optimalisering van Konfigurasie

Met meerdere FCLs, die optimalisering van plek, aantal, en parameters vir koste-effektiewe prestasie is 'n navorsingswarmtepunt. Vir klein nette, opsomming of metodes gebaseer op kragverandering/verlieskoers is genoeg. Vir groot nette met meerdere nodes wat kortsluitlimiete oorskry, word opsomming berekeningsbelastingryk en onvoldoende vir multi-doelwitprobleme (impedansie, aantal, plek).

Gewigde multi-doelwitoptimalisering gebruik makend van genetiese of swermalgoritmes is algemeen, maar resultate hang sterk af van gewigkeuse. Sensitiviteitsgebaseerde metodes, wat kortsluitstroomveranderinge relatief tot takimpedansie bereken, vermy gewigafhanklikheid en help om optimale FCL-plasing, aantal, en impedansie te bepaal. Aangesien die primêre doel stroombeperking is, kan optimalisering gefokus wees op beperkingsdoeltreffendheid, wat verseker dat gekose FCL-plekke alle nodes met onvoldoende kortsluitmargine beïnvloed. Koste en bedryfsverliese is ook kardinale faktore in werklike optimalisering.

4 Ontwikkeling en Toepassingstendense van FCLs

4.1 FCL Tegnologie Navorsingstendense

Om voordele te benut en swaktes te verminder, ontstaan nuwe navorsingsrigtings. Die kombinasie van supergeleidende FCLs met energieopberging is 'n warm onderwerp – energie-absorbering tydens foute en energieverskaffing tydens normale bedryf om kragkwaliteit te verbeter, wat dubbele voordele bied. Die sleutel lê in die ontwerp van kragvoorwaartssisteme.

Om hoë kapasiteitseise, koste, en harmoniese in vaste-staat beperkers te aanspreek, is verbeterde topologieë soos transformergekoppelde driefasebrug SSCLs met omgaaninduktors voorgestel. Konvensionele FCLs het geen dinamiese aanpasbaarheid en stasionêre kompensasie nie.

'n Multi-funksionele FCL met dinamiese reeks kompensasie is voorgestel: normale bedryf gebruik kondensatorbankskakeling vir stapsgewyse lynkompensasie; tydens foute kontroleer GTOs of IGCTs die beperkingsgraad via 'n reeksinduktor, wat multi-doelwit gebruik moontlik maak. Reekskompensasie moet sorgvuldig gekies word om sub-sinkroniese osillasies te vermy.

4.2 FCL Toepassingstendense

FCLs beperk nie net kortsluitstrome nie, maar kan, onder geskikte omstandighede, kraghoek- en spanningsstabiliteit verbeter, wat hul toepassingstrekking verbreed. Opkomende tendense sluit in die verbetering van DC-aanvaarkant oordraagkapasiteit, verminderde kommutasiefoutrisiko, verbeterde kragkwaliteit, en ondersteuning van grootskale hernubare integrasie.

In meerverbindingspunt DC-stelsels kan FCLs stroom beperk sonder die normale bedryf te beïnvloed. Vir DC-aanvaarkantnette kan FCLs op foutpropagasiepadinne geïnstalleer word om areas te isoleer, foutpropagasietaak te blokkeer, kommutasiefoutduur te verkort, DC-kragherstel te versnel, en kragonevenwigte en kragvloei-oordraag van gelyktydige meerverbindingspunt DC-foute te verminder, wat algehele transiënte stabiliteit verhoog. Vir groot asinkrone motore, kan die integrasie van SFCLs in die stator-sirkel sag startsake en foutstroombydrae onderdruk, wat spanningsdips verlaag en transiënte spanningsstabiliteit verbeter.

Vir grootskale windintegrasie kan FCLs by windplaas-aansluitings punte foutdoorstootvermoë verbeter en ontkoppelingrisiko verminder. Weerstandtipe FCLs vereis minder impedansie as induktiewe tipes vir stabiliteit onder dieselfde foutduur, maar induktiewe tipes bied beter verbetering naby kritieke stabiliteit.

As FCL-tegnologie volwaser word, sal hierdie vinnig reagerende, multi-funksionele toestelle – wat foute beperk, stabiliteit verhoog, en foute isoleer – breër toepassing vind.

5 Gevolgtrekking

FCLs beperk effektief kortsluitstrome, maar kan kraghoek/spanningsstabiliteit, relaibebeskerming, en heropening instellings beïnvloed. Geoptimeerde konfigurasie en gekoördineerde beheer van meerdere FCLs of met FACTS-toestelle beloof beduidende voordele. Toekomstige FCLs sal verder strek as stroombeperking om DC-oordraag, kommutasiefoute, kragkwaliteit, en hernubare integrasie te verbeter.

Egter, tegniese en ekonomiese hindernisse vertraag grootskale toepassing van hoëspanning, hoëkapasiteit FCLs. Vaste-staat beperkers, beperk deur toestelkapasiteit en spanningsratings, is tans beperk tot verspreidingsnette. Vooruitskyns in hoëkrag self-kommuterende toestelle kan hierdie bottelnekke oorkom en koste verlaag.

Supergeleidende FCLs bied vinnige respons en self-triggery, maar staan voor hoë koelingskoste, hitte-afvoeruitdagings, en lank quench-hersteltye. Met in ag geneem die korttermyn haalbaarheid en ekonomie, is ekonomiese FCLs gebaseer op konvensionele toerusting die voorkeurlike oplossing. Vaste-staat beperkers, met laer tegniese hindernisse en volwassenheid, verteenwoordig die hoofstream toekomstige rigting.