Strømstykkegrænser | Teknologi & effekt på netstabilitet

1 Introduktion til teknologi for strømrestriktorer (FCL)

Traditionelle passive metoder til begrænsning af fejlstrøm – som brug af højimpedans-transformatorer, faste reaktorer eller split-busbar drift – har inbyggede ulemper, herunder forstyrrelse af netstrukturen, øget stabil systemimpedans og reduceret system sikkerhed og stabilitet. Disse metoder bliver stadig mere upassende for dagens komplekse og store elektriske net.

I modsætning hereto viser aktive metoder til begrænsning af fejlstrøm, repræsenteret af Fault Current Limiters (FCLs), lav impedans under normal drift. Når en fejl opstår, skifter FCL hurtigt til en høj-impedans-tilstand, hvilket effektivt begrænser fejlstrømmen til et lavere niveau, og dermed gør det muligt at styre fejlstrøm dynamisk. FCLs er udviklet fra den traditionelle koncept om serie-reaktorbaseret strømbegrænsning ved at integrere avancerede teknologier som kraftelektronik, superledningsevne og magnetcirkelkontrol.

Det fundamentale princip for en FCL kan forenkles til modellen vist i figur 1: under normal drift er kontakten K lukket, og ingen strømbegrænsende impedans indføres af FCL. Kun når en fejl opstår, åbnes K hurtigt, og reaktoren indsættes for at begrænse fejlstrømmen.

De fleste FCL'er er baseret på dette grundlæggende model eller dets udvidede varianter. De primære forskelle mellem de forskellige FCL'er ligger i naturen af den strømbegrænsende impedans, implementeringen af kontakt K og de associerede kontrolstrategier.

2 Implementeringsskemaer for FCL og anvendelsesstatus

2.1 Superledende strømbegrænsere (SFCLs)

SFCL'er kan inddeles i quench-type eller ikke-quench-type, afhængigt af, om de benytter overgangen fra superledende til normal tilstand (S/N-overgang) for strømbegrænsning. Strukturelt inddeles de yderligere i resistive, brotype, magnetisk skjulte, transformator-type eller mættet-kernetype. Quench-type SFCL'er relaterer sig til S/N-overgang (udløst, når temperatur, magnetfelt eller strøm overstiger kritiske værdier), hvor superlederen skifter fra nul resistans til høj resistans, hvilket begrænser fejlstrømmen.

Ikke-quench-type SFCL'er kombinerer superledende spoler med andre komponenter (f.eks. kraftelektronik eller magnetiske elementer) og styrer driftstilstande for at begrænse kortslutningsstrøm. Praktisk anvendelse af SFCL'er møder almindelige superledende udfordringer som omkostninger og køleffektivitet. Desuden har quench-type SFCL'er lange genvindingsperioder, potentielt i konflikt med systemgenstart, mens ændringer i impedans for ikke-quench-type SFCL'er kan påvirke koordinering af relæbeskyttelse, der kræver genjustering.

2.2 Magnetiske elementstrømbegrænsere

Disse er indelt i flux-aflysning og magnetisk mætningskontaktype. I flux-aflysningstype er to vindinger med modsat polaritet opvundet på samme kerne. Under normale betingelser annullerer lige og modsatte fluks hinanden, hvilket resulterer i lav leckage-impedans.

Ved en fejl bypasses en vindning, hvilket forstyrrer fluksbalancen og præsenterer høj impedans. Magnetisk mætningskontaktypen fungerer ved at bias strømbegrænsningsvindingen ind i mætning (via DC-bias osv.) under normale betingelser, hvilket giver lav impedans. Ved en fejl driver fejlstrømmen kernen ud af mætning, skaber høj impedans for strømbegrænsning. På grund af komplekse kontrolkrav ser magnetiske elementbegrænsere begrænset anvendelse.

2.3 PTC-resistorstrømbegrænsere

Positive Temperatur Koefficient (PTC) resistorer er ikke-lineære; de viser lav resistans og minimal opvarmning under normale betingelser. Ved en kortslutning stiger deres temperatur hurtigt, hvilket øger resistansen med 8-10 ordener af størrelse inden for millisekunder. FCL'er baseret på PTC-resistorer har fundet kommerciel anvendelse i lavspændingsapplikationer.

Dog inkluderer ulemper: høje overspændinger genereret under induktiv strømbegrænsning (kræver parallel overspændingsbeskyttelse); mekanisk stress på grund af resistorudvidelse under drift; begrænsede spændings-/strømforhold (hundrede volts, få ampere), der kræver serie-parallelt forbindelse og begrænser høvspændingsbrug; og lange genvindingsperioder (adskillige minutter) med kort levetid, der hindrer stor skala anvendelse.

2.4 Fast-state strømbegrænsere (SSCLs)

SSCL'er er en ny type kortslutningsbegrænser baseret på kraftelektronik, typisk bestående af konventionelle reaktorer, kraftelektroniske enheder og kontroller. De tilbyder forskellige topologier, hurtig respons, høj driftsudholdenhed og simpel kontrol. Ved at kontrollere tilstanden for kraftelektroniske enheder ændres den ekvivalente impedans for SSCL for at begrænse fejlstrøm. Betragtet som en ny FACTS-enhed, får SSCL'er stigende opmærksomhed. Dog skal kraftelektroniske enheder bære hele fejlstrømmen under fejl, hvilket kræver høj enhedsyde og kapacitet. Koordinering mellem flere SSCL'er eller med andre FACTS-kontrolsystemer er fortsat en kritisk udfordring.

2.5 Økonomiske strømbegrænsere

Disse tilbyder moden teknologi, høj pålidelighed, lav kostpris og automatisk skifte uden ekstern kontrol. De inddeles hovedsagelig i buge-strømsoverførsel og serie-resonanstyper. Buge-strømsoverførselstypen består af en vakuumkontakt parallelt med en strømbegrænsende resistor. Under normal drift går belastningsstrømmen igennem kontakten. Ved en kortslutning åbnes kontakten, tvinger strømmen til at overføre til resistoren for strømbegrænsning.

Problemer inkluderer: overførselstrøm påvirket af vakuum buge-spænding og strømlednings-induktans; overførselstid afhængig af kontakthastighed; og vanskelighed i strømoverførsel ved lave buge-spændinger, der kræver hjælpemidler for at øge buge-spændingen og tvinge strøm zero-crossing. Serie-resonant FCL'er bruger mættede reaktorer eller overvoltage beskyttere som kontakter. Under normale betingelser er kondensatoren og induktoren i serie-resonans med lav impedans. Ved en fejl satureres reaktoren eller aktiveres beskytteren, detuner resonansen og indsætter reaktoren i linjen for strømbegrænsning. Elektromagnetiske repulsionshurtige kontakter kan også hurtigt bypass kondensatoren.

2.6 Nuværende status for FCL-engineeringanvendelser

For praktisk værdi må FCL'er ikke kun hurtigt indsætte impedans under fejl, men også have automatisk nulstilling, flere consecutive operationer, lav harmonigenerering og acceptable investerings- og driftsomkostninger. I øjeblikket begrænset af tekniske udfordringer og kostnadseffektivitet, trods forskellige eksperimentelle prototyper udviklet verden over, er de faktiske netanvendelser sjældne, mest begrænset til lavspændings, små kapacitets pilotprojekter.

Omfanget begyndte tidligere udland, med bemærkelsesværdige fremskridt i solid-state og superledende FCL-commercialisering. I 1993 blev en 6,6 MW solid-state breaker ved hjælp af anti-paralle GTO'er installeret på en 4,6 kV feeder på Army Power Center i New Jersey, USA, i stand til at rydde fejl inden for 300 μs. I 1995 blev en 13,8 kV/675 A solid-state FCL af EPRI og Westinghouse kommissioneret på en PSE&G substation. For superledende FCL'er blev en hybrid AC/DC FCL udviklet af ACEC-Transport og GEC-Alsthom i 1998, der nåede commercialisering. I 1999 blev en 15 kV/1200 A SFCL udviklet fælles af General Atomics og andre installeret på en Southern California Edison (SCE) substation.

Domestic FCL-forskning begyndte senere, men fremkom hurtigt. I 2007 gik Kinas 35 kV superledende mættet-kernetype FCL, udviklet af Tianjin Electromechanical Holdings og Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd., i net forbundet prøve drift på Puji Substation, Yunnan – da verdens højeste spænding, højeste kapacitet superledende begrænser i prøve drift. For serie-resonant FCL'er blev Kinas første 500 kV enhed, udviklet fælles af China Electric Power Research Institute, Zhongdian Puri, og East China Grid, kommissioneret på 500 kV Bingyao Station i slutningen af 2009, der reducerer kortslutningsstrømmen til under 47 kA.

Globalt er FCL-anvendelser stadig begrænset til individuelle projekter, men får stigende opmærksomhed. Der er betydeligt potentiale i forskning på øget kapacitet, spændingsudholdenhed, materialeforbedringer, varmeafgivelse, kostnadskontrol og topologioptimering.

3 Indvirkning af FCL-integration på el-net sikkerhed og stabilitet

Den hurtige impedansindsættelse af FCL'er under fejl, selvom effektivt begrænsende strøm, ændrer netparametre, påvirker midlertidig stabilitet, spændingsstabilitet, relæbeskyttelsesindstillinger og genstart. Dårlig kontrol kan føre til negative virkninger. Koordineret kontrol og optimal konfiguration er afgørende for flere FCL'er for at opnå optimale resultater.

3.1 Indvirkning på relæbeskyttelse og genstart indstillinger

For mættet-kernetype SFCL'er betyder lang genvindingsperiode, at betydelig impedans fortsætter efter fejl, potentielt kræver genjustering af automatiske genstart og relæbeskyttelse. Litteraturen foreslår installation af quench-type SFCL'er på generator- og hovedtransformatorgrenene; selvom genjustering af beskyttelse er nødvendig, kan den vedvarende høje impedans under genvinding fungere som en bremsning resistor, der gavnlig for midlertidig stabilitet. Forskellige distansebeskyttelsesindstillingsmetoder, der tager højde for SFCL'er, er blevet foreslået. Solid-state FCL'er kan bruge thyristor trigger signaler, bypass bryderkontakter, FCL kontaktpositioner og GAP kredsløb for at skifte nul-sekvens strøm beskyttelsesindstillinger, adresserer sensitivitetsproblemer efter FCL indsættelse.

3.2 Indvirkning på midlertidig effekt-vinkel stabilitet

Selvom FCL'er generelt opererer med lav impedans normalt og høj impedans under fejl, fører deres specifikke drift og struktur til variabel indvirkning på midlertidig effekt-vinkel stabilitet. Solid-state og superledende FCL'er, ved at indsætte høj impedans under fejl, kan forbedre generator elektromagnetisk effekt output og forbedre midlertidig stabilitet.

Resistiv-type FCL'er forbedrer stabilitet mere end induktive typer ved at give dampningsresistans, der forbruger mere generator effekt. Imidlertid kan uregelmæssige resistansværdier forårsage revers effekt flow til generator, forværre effektunderskud. Analyse viser, at for fejl væk fra generator, bliver induktive SFCL'er mere gavnlige, da total overførselsreaktans formindskes. Resistive SFCL'er viser også lignende egenskaber over en tærskel resistans.

Indvirkningen afhænger af fejlplacering og -type; FCL'er påvirker effekt-vinkel stabilitet kun, når fejl opstår på deres installerede linjer. For asymmetriske fejl ved linjestart, gavnlig FCL induktans for stabilitet, stiger med induktansværdi. Ved linje ende, hvis fejl raskt ryddes, kan FCL induktans forhindre stabilitet, men den negative indvirkning formindskes med højere induktans for fase til fase og to fase til jord fejl. For enkelt fase eller fase til fase fejl nær linje ende, let forlængelse af fejlrydningstid gør lille FCL induktans gavnlig, signifikant reducerer svæng kurve amplitude sammenlignet med hurtig rydning.

3.3 Indvirkning på midlertidig spændingsstabilitet

Kortslutningsfejl forårsager spændingsdypp, påvirker udstyr drift og forårsager økonomiske tab. PSCAD-baseret analyse viser, at større FCL induktans forbedrer spændingsdypp suppresjon inden for en vis grænse. Den inbyggede evne hos FCL'er til at forbedre fejlspænding varierer med netstruktur. På radielle feeders, FCL reaktans >0.5 pu kan opretholde spænding over 0.8 pu under fejl. Lokal generering eller reaktiv støtte nær fejl bus reducerer afhængighed af FCL'er.

3.4 Koordinering med traditionelle begrænsende foranstaltninger

Koordinering af FCL'er med traditionelle foranstaltninger (f.eks. reaktorer, højimpedans-transformatorer) er nøgle til praktisk anvendelse. En automatisk optimeringsmetode, der bruger 0–1 variable for foranstaltning deployment og heltalsvariable for kapacitet, danner et blandet heltalsprogrammeringsproblem, løseligt ved branch-and-bound metoder, for at guide koordineret konfiguration.

3.5 Optimering af konfiguration

Med flere FCL'er, optimering af placering, antal og parametre for kostnadseffektiv ydeevne er et forsknings-hotspot. For små net, enumeration eller metoder baseret på effektændring/tabsrate er tilstrækkelige. For store net med flere knudepunkter, der overskrider kortslutningsgrænser, bliver enumeration beregningsintensiv og utilstrækkelig for multi-mål problemer (impedans, antal, placering).

Vægtet multi-mål optimering ved hjælp af genetiske eller partikelsvarm algoritmer er almindelig, men resultater afhænger tungt af vægtvalg. Sensitivitetsbaserede metoder, der beregner kortslutningsstrømændringer i forhold til gren impedance, undgår vægtafhængighed og hjælper med at bestemme optimal FCL placering, antal og impedans. Da det primære mål er strømbegrænsning, kan optimering fokusere på begrænsningseffektivitet, sikrer valgte FCL placeringer påvirker alle knudepunkter med utilstrækkelig kortslutningsmargin. Omkostninger og driftstab er også afgørende faktorer i reel optimering.

4 Udviklings- og anvendelsestrender for FCL'er

4.1 FCL-teknologi forskningstrender

For at udnytte fordele og mildne svagheder, nye forskningsretninger opstår. Sammenkobling af superledende FCL'er med energilagring er et hot emne – absorberer energi under fejl og leverer den for at forbedre strømkvalitet under normal drift, opnår dobbelt fordel. Nøglen ligger i design af power conditioning system.

For at imødekomme høje kapacitetsbehov, omkostninger og harmonier i solid-state begrænsere, er forbedrede topologier som transformer-koblet tre-fase bro SSCL'er med bypass induktorer foreslået. Konventionelle FCL'er mangler dynamisk justerbarhed og stabil kompensation.

En multifunktionel FCL med dynamisk serie-kompensation er foreslået: normal drift bruger kondensatorbank switching for trinvis linje kompensation; under fejl, styres begrænsningsgraden via en serie induktor af GTO'er eller IGCT'er, muliggør flerbrug. Serie-kompensation skal vælges forsigtigt for at undgå under-synkron oscillationer.

4.2 FCL anvendelsestrender

FCL'er begrænser ikke kun kortslutningsstrøm, men under passende betingelser kan de forbedre effekt-vinkel og spændingsstabilitet, udvider deres anvendelsesområde. Opstående trender inkluderer forbedring af DC modtagelsesendens transmissionskapacitet, reduktion af kommutteringsfejlrisiko, forbedring af strømkvalitet og støtte til stor skala vedvarende integration.

I multi-terminal DC-systemer kan FCL'er begrænse strøm uden at påvirke normal drift. For DC modtagelsesendens net, FCL'er installeret på fejlpropagationsveje kan isolere regioner, blokere fejlpropagation, forkorte kommutteringsfejlvarighed, accelerere DC effekt recovery, og mildne effektubalance og effektflow transfer fra samtidige multi-infeed DC-fejl, forbedrer overordnet midlertidig stabilitet. For store asynkronmotorer, integration af SFCL'er i stator circuit muliggør blød start og dæmper fejlstrøm bidrag, reducerer spændingsdypp og forbedrer midlertidig spændingsstabilitet.

For stor skala vindintegration, FCL'er ved vindpark forbindelsespunkter kan forbedre fejlride-through kapacitet og reducere afkoblingsrisici. Resistive FCL'er kræver mindre impedans end induktive typer for stabilitet under samme fejlvarighed, men induktive typer tilbyder bedre forbedring nær kritisk stabilitet.

Som FCL-teknologi modnes, vil disse hurtigt svarsende, multifunktionelle enheder – begrænser fejl, forbedrer stabilitet og isolerer fejl – finde bredere anvendelse.

5 Konklusion

FCL'er begrænser effektivt kortslutningsstrøm, men kan påvirke effekt-vinkel/spændingsstabilitet, relæbeskyttelse og genstart indstillinger. Optimeret konfiguration og koordineret kontrol af flere FCL'er eller med FACTS-enheder lover betydelige fordele. Fremtidige FCL'er vil udvide sig ud over strømbegrænsning til forbedring af DC-transmission, reduktion af kommutteringsfejl, forbedring af strømkvalitet og støtte til vedvarende integration.

Imidlertid forsinkes stor skala anvendelse af højspændings, højkapacitets FCL'er af tekniske og økonomiske barrierer. Solid-state begrænsere, begrænset af enhedskapacitet og spændingsklassificering, er i øjeblikket begrænset til distributionsnet. Fremskridt i højeffekt selvkommutterende enheder kan overkomme disse flaskenhalse og reducere omkostninger.

Superledende FCL'er tilbyder hurtigt svar og selvtriggering, men står over for høje køleomkostninger, varmeafgiftsudfordringer og lange quench genvindingsperioder. Med hensyn til kortfristede gennemførlighed og økonomi, er økonomiske FCL'er baseret på konventionelle udstyr foretrukket løsning. Solid-state begrænsere, med lavere tekniske barrierer og modenhed, repræsenterer hovedstrømmen fremtidig retning.