מגבלות זרם תקלה | השפעה טכנולוגית ויציבות רשת

1 מבוא לטכנולוגיית מגבל זרם תקלה (FCL)

שיטות מסורתיות של הגבלת זרם תקלה פסיביות – כגון שימוש בטרנספורטורים בעלי עמידות גבוהה, ריאקטורים קבועים או פעולה עם סיבוב חשמל מפוצל – סובלות מתכונות פנימיות לרבות הפרעה בהבנה של הרשת, עלייה בעמידה הסטטית של המערכת, וירידה בטיחות וביציבות של המערכת. השיטות הללו נעשות לא מתאימות יותר ויותר לרשתות חשמל מורכבות ומממד גדול של ימינו.

בהשוואה לכך, טכנולוגיות הגבלת זרם תקלה אקטיביות, המיוצגות על ידי מגבלי זרם תקלה (FCL), מציגות עמידות נמוכה במהלך פעולת הרשת הנורמלית. כאשר מתרחשת תקלה, ה-FCL עובר במהירות למצב של עמידה גבוהה, מה שמצמצם את זרם התקלה לרמה נמוכה יותר, ובכך מאפשר שליטה דינמית בזרמי התקלה. FCLs התפתחו מהרעיון המסורתי של הגבלת זרם באמצעות ריאקטורים סדרתיים על ידי אינטגרציה של טכנולוגיות מתקדמות כגון אלקטרוניקה כוח, מוליכות-על ושליטה במעגל מגנטי.

העקרון הבסיסי של FCL יכול להתמצת למודל המוצג בסרטן 1: במהלך פעולת מערכת נורמלית, המפסק K סגור, ולא מוכנס עמידת הגבלה על ידי ה-FCL. רק כאשר מתרחשת תקלה, K נפתח במהירות, ומוכנס הריאקטור כדי להגביל את זרם התקלה.

רוב ה-FCL מבוססים על מודל בסיסי זה או גרסאות מורחבות שלו. ההבדלים העיקריים בין מגבלי זרם תקלה שונים נמצאים בטבע העמידת הגבלה, בביצוע המפסק K ובאסטרטגיות השליטה הקשורות.

2 סכמות יישום של FCL וסטטוס יישום

2.1 מגבלי זרם תקלה מוליכים-על (SFCLs)

SFCLs יכולים להיות מסווגים כסוגים של "quench" או לא-"quench" בהתאם לשימוש שלהם במעבר של מוליך-על ממצב מוליכות-על למצב נורמלי (S/N) להגבלת זרם. מבנית, הם ממוינים לסוגים כמו: 저נגד, סוג גשר, מגנטית מגן, טיפוס טרנספורטור, או סוג ליבה 포וטה. מגבלי זרם תקלה מסוג "quench" נשענים על מעבר S/N (הופך כאשר הטמפרטורה, השדה המגנטי או הזרם עוברים מעל ערכים קריטיים), שבו המוליך-על עובר מאפס התנגדות לתנגדות גבוהה, ובכך מגביל זרם תקלה.

מגבלי זרם תקלה שאינם מסוג "quench" משלבים קוי מוליכים-על עם אלמנטים אחרים (לדוגמה, אלקטרוניקה כוח או אלמנטים מגנטיים) ושיטות שליטה כדי להגביל זרמים קצר-مدار. יישום מעשי של SFCLs מתמודד עם אתגרים משותפים של מוליכות-על כגון מחיר ויעילות קירור. בנוסף, מגבלי זרם תקלה מסוג "quench" סובלים מזמן החלמה ארוך, שיכול להתנגש עם המשך הפעולה של המערכת, בעוד מגבלי זרם תקלה שאינם מסוג "quench" יכולים לשנות את התנגדותם באופן שעשוי להשפיע על התיאום עם הגנות רלו, ודורשים 재설정.

2.2 מגבלי זרם תקלה מבוססי אלמנט מגנטי

הם מחולקים לסוגים של ביטול זרימה ומגנטיזציה מלאה. בסוג של ביטול זרימה, שתי סיבובים בעלי קוטביות הפוכה מתפתלים על אותו ליבה. בתנאי פעולה נורמליים, זרמי זרימה שווים ומוכנים אחד בשני, מה שמקטין את העמידה החשמלית השפופה.

בתקלה, אחד הסיבובים מועבר סביב, מה שמפר את 균יוון הזרימה ומגיש עמידה גבוהה. סוג המגנטיזציה המלאה פועל על ידי הטיה של הסיבוב הגבלת הזרם למגנטיזציה מלאה (דרך נטייה DC, וכו') בתנאי פעולה נורמליים, מה שנותן עמידה נמוכה. בתקלה, הזרם התקלי מוציא את הליבה מהמגנטיזציה המלאה, מה שמייצר עמידה גבוהה להגבלת הזרם. בשל דרישות שליטה מורכבות, מגבלי זרם תקלה מבוססי אלמנט מגנטי נמצאים בשימוש מוגבל.

2.3 מגבלי זרם תקלה מבוססי נגד PTC

נגדים עם מקדם טמפרטורה חיובי (PTC) הם לא ליניאריים; הם מציגים התנגדות נמוכה ואתחול מינימלי בתנאי פעולה נורמליים. בתקלה קצרה, הטמפרטורה שלהם עולה במהירות, והם מגבירים את ההתנגדות בכ-8-10 סדרי גודל תוך מילישניות. מגבלי זרם תקלה מבוססי נגד PTC נמצא בשימוש מסחרי באפליקציות נמוכות מתח.

עם זאת, недостатки включают: высокие перенапряжения, генерируемые при ограничении индуктивного тока (требуется параллельная защита от перенапряжений); механические напряжения из-за расширения резистора во время работы; ограниченные номинальные значения напряжения и тока (сотни вольт, несколько ампер), что требует последовательно-параллельных соединений и ограничивает использование в сетях высокого напряжения; длительное время восстановления (несколько минут) и короткий срок службы, что затрудняет широкое применение.

2.4 מגבלי זרם תקלה מבוססי מצב מוצק (SSCLs)

SSCLs הם סוג חדש של מגבלי קצר-مدار המבוססים על אלקטרוניקה כוח, בדרך כלל כולל ריאקטורים קונבנציונליים, מכשירי אלקטרוניקה כוח ורגוזים. הם מציעים טופולוגיות שונות, תגובה מהירה, יציבות פעולה גבוהה ושליטה פשוטה. על ידי שליטה במצב המכשירים האלקטרוניים, מזערית ההתנגדות השקילה של SSCL משתנה כדי להגביל זרם תקלה. כמכשיר FACTS חדש, SSCLs זוכים לבולטות הולכת וגוברת. עם זאת, במהלך תקלות, על מכשירי האלקטרוניקה הכוח לשאת את כל זרם התקלה, מה שדורש ביצועים גבוהים וקיבולת. התיאום בין מספר SSCLs או עם מערכות שליטהFACTS אחרות נשאר אתגר קריטי.

2.5 מגבלי זרם תקלה כלכליים

הם מציעים טכנולוגיה בשל, אמינות גבוהה, עלויות נמוכות, ומעבר אוטומטי ללא שליטה חיצונית. הם ממוינים בעיקר לסוגי העברה זרם-קשת וצימוד-סדרתי. סוג העברה זרם-קשת מורכב מתerruptor בריק במקביל עם נגד הגבלת זרם. במהלך פעולה נורמלית, זרם עומס זורם דרך התerruptor. בתקלה קצרה, התerruptor נפתח, ומחזיר את הזרם לנגד הגבלת זרם כדי להגביל את הזרם.

בעיות כוללות: זרם העברה המושפע ממתח הקשת החשמלית והשראות צדדיות; זמן העברה תלוי במהירות התerruptor; קושי בהעברת זרם במתחי קשת נמוכים, הדורשים מכשירים עזר להגביר מתח הקשת ולהכריח את הזרם לעבור אפס. מגבלי זרם תקלה בצימוד-סדרתי משתמשים בליבות 포וטות או מגיני גלים. בתנאי פעולה נורמליים, הקונדנסטור והריאקטור הם בצימוד-סדרתי עם עמידה נמוכה. במהלך תקלה, זרם גבוה פוסט את הליבה או מפעיל את המגן, מדכא את הצימוד-סדרתי ומוכנס הריאקטור לקו להגבלת הזרם. מפסקים מהירים המבוססים על דחייה אלקטרומגנטית יכולים גם לדלג במהירות את הקונדנסטור.

2.6 מצב הנדסי הנוכחי של יישומי FCL

לשם ערך מעשי, על FCL לא רק להכניס במהירות עמידה במהלך תקלות, אלא גם לתארך אוטומטי, פעולות רצופות מרובות, ייצור הרמוניות נמוך, ומחיר השקעה ופעילות מקובל. כיום, בשל אתגרים טכנולוגיים ויעילות עלויות, למרות פיתוח פרוטוטיפים ניסיוניים רבים ברחבי העולם, יישומים רשתיים фактически остаются редкими, в основном ограничиваясь пилотными проектами с низким напряжением и малой мощностью.

Область начала развиваться раньше за рубежом, с значительным прогрессом в коммерциализации твердотельных и сверхпроводящих FCL. В 1993 году на фидере 4,6 кВ Армейского энергетического центра в Нью-Джерси, США, был установлен 6,6 МВА твердотельный выключатель с противопараллельными GTO, способный устранять неисправности в течение 300 мкс. В 1995 году 13,8 кВ/675 А твердотельный FCL, разработанный EPRI и Westinghouse, был введен в эксплуатацию на подстанции PSE&G. Для сверхпроводящих FCL в 1998 году ACEC-Transport и GEC-Alsthom разработали гибридный AC/DC FCL, достигнув коммерциализации. В 1999 году 15 кВ/1200 А SFCL, разработанный совместно General Atomics и другими, был внедрен на подстанции Southern California Edison (SCE).

Исследования FCL в Китае начались позже, но быстро продвигались. В 2007 году 35 кВ сверхпроводящий FCL, разработанный Tianjin Electromechanical Holdings и Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd., прошел испытания в сети на подстанции Puji в Юньнане — тогда это был самый высоковольтный и мощный сверхпроводящий лимитатор, находящийся в испытательной эксплуатации. Для серийно-резонансных FCL первый в Китае 500 кВ устройство, разработанное совместно China Electric Power Research Institute, Zhongdian Puri и East China Grid, было введено в эксплуатацию на подстанции 500 кВ Bingyao в конце 2009 года, снижая короткозамкнутый ток до менее 47 кА.

По всему миру применение FCL по-прежнему ограничено отдельными проектами, но привлекает все больше внимания. Существует значительный потенциал для исследований в области увеличения мощности, выдерживания напряжения, улучшения материалов, теплоотвода, контроля затрат и оптимизации топологии.

3 Impact of FCL Integration on Power System Security and Stability

The rapid impedance insertion of FCLs during faults, while effectively limiting current, alters network parameters, affecting transient stability, voltage stability, relay protection settings, and reclosing. Poor control may lead to negative effects. Coordinated control and optimal configuration are essential for multiple FCLs to achieve optimal performance.

3.1 Impact on Relay Protection and Reclosing Settings

For saturated-core SFCLs, the long recovery time means significant impedance persists post-fault, potentially requiring re-setting of automatic reclosing and relay protection. Literature suggests installing quench-type SFCLs on generator and main transformer branches; although protection re-setting is needed, the persistent high impedance during recovery can act as a braking resistor, benefiting transient stability. Various distance protection setting methods accounting for SFCLs have been proposed. Solid-state FCLs can use thyristor trigger signals, bypass breaker contacts, FCL switch positions, and GAP circuits to switch zero-sequence current protection settings, addressing sensitivity issues after FCL insertion.

3.2 Impact on Transient Power-Angle Stability

While FCLs generally operate with low impedance normally and high impedance during faults, their specific operation and structure lead to varying impacts on transient power-angle stability. Solid-state and superconducting FCLs, by inserting high impedance during faults, can enhance generator electromagnetic power output and improve transient stability.

Resistive-type FCLs improve stability more than inductive types by providing damping resistance that consumes more generator power. However, improper resistance values may cause reverse power flow to the generator, worsening power deficits. Analysis shows that for faults away from the generator, inductive SFCLs become more beneficial as total transfer reactance decreases. Resistive SFCLs also show similar characteristics beyond a threshold resistance.

The impact depends on fault location and type; FCLs affect power-angle stability only when faults occur on their installed lines. For asymmetrical faults at the line start, FCL inductance benefits stability, increasing with inductance value. At the line end, if the fault is cleared quickly, FCL inductance may hinder stability, but the negative impact decreases with higher inductance for phase-to-phase and two-phase-to-ground faults. For single-phase or phase-to-phase faults near the line end, slightly extending fault clearing time makes small FCL inductance beneficial, significantly reducing swing curve amplitude compared to fast clearing.

3.3 Impact on Transient Voltage Stability

Short-circuit faults cause voltage dips, affecting equipment operation and causing economic losses. PSCAD-based analysis shows that larger FCL inductance improves voltage dip suppression within a certain range. The inherent ability of FCLs to improve fault voltage varies with network structure. On radial feeders, FCL reactance >0.5 pu can maintain voltage above 0.8 pu during faults. Local generation or reactive support near the fault bus reduces dependency on FCLs.

3.4 Coordination with Traditional Limiting Measures

Coordinating FCLs with traditional measures (e.g., reactors, high-impedance transformers) is key to practical application. An automatic optimization method using 0–1 variables for measure deployment and integer variables for capacity forms a mixed-integer programming problem, solvable by branch-and-bound methods, to guide coordinated configuration.

3.5 Optimization of Configuration

With multiple FCLs, optimizing location, number, and parameters for cost-effective performance is a research hotspot. For small grids, enumeration or methods based on power change/loss rate suffice. For large grids with multiple nodes exceeding short-circuit limits, enumeration becomes computationally intensive and inadequate for multi-objective problems (impedance, number, location).

Weighted multi-objective optimization using genetic or particle swarm algorithms is common, but results heavily depend on weight selection. Sensitivity-based methods, calculating short-circuit current changes relative to branch impedance, avoid weight dependence and help determine optimal FCL placement, number, and impedance. Since the primary goal is current limiting, optimization can focus on limiting effectiveness, ensuring selected FCL locations affect all nodes with insufficient short-circuit margin. Cost and operational losses are also critical factors in real-world optimization.

4 Development and Application Trends of FCLs

4.1 FCL Technology Research Trends

To leverage advantages and mitigate weaknesses, new research directions are emerging. Combining superconducting FCLs with energy storage is a hot topic—absorbing energy during faults and supplying it to improve power quality during normal operation, achieving dual benefits. The key lies in power conditioning system design.

To address high capacity demands, cost, and harmonics in solid-state limiters, improved topologies like transformer-coupled three-phase bridge SSCLs with bypass inductors have been proposed. Conventional FCLs lack dynamic adjustability and steady-state compensation.

A multi-functional FCL with dynamic series compensation has been proposed: normal operation uses capacitor bank switching for stepwise line compensation; during faults, GTOs or IGCTs control the limiting degree via a series inductor, enabling multi-purpose use. Series compensation must be chosen carefully to avoid sub-synchronous oscillations.

4.2 FCL Application Trends

FCLs not only limit short-circuit currents but, under suitable conditions, can enhance power-angle and voltage stability, expanding their application scope. Emerging trends include improving DC receiving-end transmission capacity, reducing commutation failure risk, enhancing power quality, and supporting large-scale renewable integration.

In multi-terminal DC systems, FCLs can limit current without affecting normal operation. For DC receiving-end grids, FCLs installed on fault propagation paths can isolate regions, block fault propagation, shorten commutation failure duration, accelerate DC power recovery, and mitigate power imbalances and power flow transfers from simultaneous multi-infeed DC failures, enhancing overall transient stability. For large asynchronous motors, integrating SFCLs in the stator circuit enables soft starting and suppresses fault current contribution, reducing voltage dips and improving transient voltage stability.

For large-scale wind integration, FCLs at wind farm connection points can improve fault ride-through capability and reduce disconnection risks. Resistive FCLs require less impedance than inductive types for stability under the same fault duration, but inductive types offer better improvement near critical stability.

As FCL technology matures, these fast-responding, multi-functional devices—limiting faults, enhancing stability, and isolating faults—will find broader applications.

5 Conclusion

FCLs effectively limit short-circuit currents but may impact power-angle/voltage stability, relay protection, and reclosing settings. Optimized configuration and coordinated control of multiple FCLs or with FACTS devices promise significant benefits. Future FCLs will extend beyond current limiting to enhancing DC transmission, reducing commutation failures, improving power quality, and supporting renewable integration.

However, technical and economic barriers delay large-scale application of high-voltage, high-capacity FCLs. Solid-state limiters, limited by device capacity and voltage ratings, are currently restricted to distribution networks. Advances in high-power self-commutating devices may overcome these bottlenecks and reduce costs.

Superconducting FCLs offer fast response and self-triggering but face high cooling costs, heat dissipation challenges, and long quench recovery times. Considering near-term feasibility and economics, economical FCLs based on conventional equipment are the preferred solution. Solid-state limiters, with lower technical barriers and maturity, represent the mainstream future direction.