• Product
  • Suppliers
  • Manufacturers
  • Solutions
  • Free tools
  • Knowledges
  • Experts
  • Communities
Search


Pembatas Arus Kortikal | Impak Teknologi & Stabiliti Grid

Echo
Echo
Medan: Analisis Penjana
China

1 Pengenalan Teknologi Pembatas Arus Kortikal (FCL)

Kaedah pembatasan arus kortikal pasif tradisional—seperti penggunaan transformator impedans tinggi, reaktor tetap, atau operasi busbar terpisah—mengalami kelemahan bawaan, termasuk gangguan struktur grid, peningkatan impedans sistem keadaan stabil, dan penurunan keselamatan dan kestabilan sistem. Pendekatan-pendekatan ini semakin tidak sesuai untuk grid tenaga yang kompleks dan berskala besar hari ini.

Sebaliknya, teknologi pembatasan arus kortikal aktif, yang diwakili oleh Fault Current Limiters (FCLs), menunjukkan impedans rendah semasa operasi grid normal. Apabila terjadi kerosakan, FCL dengan cepat beralih ke keadaan impedans tinggi, secara efektif membatasi arus korsleting ke tahap yang lebih rendah, sehingga memungkinkan kawalan dinamik arus korsleting. FCL telah berkembang dari konsep tradisional pembatasan arus siri reaktor dengan mengintegrasikan teknologi canggih seperti elektronik daya, superkonduktivitas, dan kawalan litar magnet.

Prinsip asas FCL dapat disederhanakan menjadi model yang ditunjukkan dalam Gambar 1: semasa operasi sistem normal, saklar K tertutup, dan tidak ada impedans pembatas arus yang diperkenalkan oleh FCL. Hanya ketika terjadi kerosakan, K akan membuka dengan cepat, memasukkan reaktor untuk membatasi arus korsleting.

Kebanyakan FCL berdasarkan pada model asas ini atau variasi yang diperluas. Perbezaan utama antara pelbagai FCL terletak pada sifat impedans pembatas arus, pelaksanaan saklar K, dan strategi kawalan yang terkait.

2 Skema Pelaksanaan FCL dan Status Aplikasi

2.1 Superconducting Fault Current Limiters (SFCLs)

SFCLs boleh diklasifikasikan sebagai jenis quench atau non-quench berdasarkan apakah mereka menggunakan transisi superkonduktor dari keadaan superkonduksi ke keadaan normal (S/N transition) untuk pembatasan arus. Secara struktur, mereka dibagi lagi menjadi tipe resistif, jambatan, perisai magnet, tipe transformator, atau tipe inti jenuh. SFCLs jenis quench bergantung pada transisi S/N (dipicu apabila suhu, medan magnet, atau arus melebihi nilai kritis), di mana superkonduktor berubah dari hambatan nol ke hambatan tinggi, dengan demikian membatasi arus korsleting.

SFCLs jenis non-quench menggabungkan gulungan superkonduktor dengan komponen lain (misalnya, elektronik daya atau elemen magnetik) dan mengontrol modus operasional untuk membatasi arus pendek. Aplikasi praktis SFCLs menghadapi tantangan superkonduksi umum seperti biaya dan efisiensi pendinginan. Selain itu, SFCLs jenis quench memiliki waktu pemulihan yang lama, potensial bertentangan dengan penutupan sistem, sementara perubahan impedans SFCLs jenis non-quench mungkin mempengaruhi koordinasi perlindungan relai, memerlukan pengaturan ulang.

2.2 Pembatas Arus Elemen Magnetik

Ini dibagi menjadi tipe pembatalan fluks dan saklar jenuh magnet. Dalam tipe pembatalan fluks, dua gulungan dengan polaritas berlawanan dipasangkan pada inti yang sama. Dalam keadaan normal, fluks yang sama dan berlawanan saling membatalkan, menghasilkan impedans kebocoran rendah.

Selama korsleting, satu gulungan dilewati, mengganggu keseimbangan fluks dan menampilkan impedans tinggi. Tipe saklar jenuh magnet bekerja dengan membias gulungan pembatas arus ke keadaan jenuh (melalui bias DC, dll.) dalam keadaan normal, menghasilkan impedans rendah. Selama korsleting, arus korsleting mendorong inti keluar dari keadaan jenuh, menciptakan impedans tinggi untuk pembatasan arus. Karena persyaratan kontrol yang rumit, pembatas arus elemen magnetik memiliki aplikasi yang terbatas.

2.3 Pembatas Arus Resistor PTC

Resistor Koefisien Temperatur Positif (PTC) bersifat non-linear; mereka menunjukkan hambatan rendah dan pemanasan minimal dalam keadaan normal. Selama pendek sementara, suhu mereka meningkat dengan cepat, meningkatkan hambatan sebesar 8-10 orde magnitudo dalam milidetik. FCL berbasis resistor PTC telah digunakan secara komersial dalam aplikasi tegangan rendah.

Namun, kekurangan termasuk: tegangan overtinggi yang tinggi selama pembatasan arus induktif (memerlukan perlindungan overvoltage paralel); tekanan mekanis akibat ekspansi resistor selama operasi; batasan rating tegangan/arus (ratusan volt, beberapa ampere), memerlukan koneksi seri-paralel dan membatasi penggunaan tegangan tinggi; dan waktu pemulihan yang panjang (beberapa menit) dengan umur layanan yang singkat, menghambat implementasi skala besar.

2.4 Pembatas Arus Semi-Konduktor (SSCLs)

SSCLs adalah jenis pembatas arus pendek baru berbasis elektronik daya, biasanya terdiri dari reaktor konvensional, perangkat elektronik daya, dan pengontrol. Mereka menawarkan topologi beragam, respons cepat, ketahanan operasional tinggi, dan kontrol sederhana. Dengan mengontrol keadaan perangkat elektronik daya, impedans setara SSCL diubah untuk membatasi arus korsleting. Dianggap sebagai perangkat FACTS baru, SSCL mendapat perhatian yang semakin meningkat. Namun, selama korsleting, perangkat elektronik daya harus membawa arus korsleting penuh, memerlukan kinerja dan kapasitas perangkat yang tinggi. Koordinasi antara beberapa SSCL atau dengan sistem kendali FACTS lainnya tetap menjadi tantangan kritis.

2.5 Pembatas Arus Ekonomis

Ini menawarkan teknologi yang matang, keandalan tinggi, biaya rendah, dan peralihan otomatis tanpa kendali eksternal. Mereka terutama diklasifikasikan menjadi tipe transfer arus busur dan tipe resonan seri. Tipe transfer arus busur terdiri dari saklar vakum paralel dengan resistor pembatas arus. Dalam operasi normal, arus beban mengalir melalui saklar. Pada saat pendek sementara, saklar terbuka, memaksa arus untuk berpindah ke resistor untuk pembatasan arus.

Masalah termasuk: arus transfer dipengaruhi oleh tegangan busur vakum dan induktansi parasit; waktu transfer bergantung pada kecepatan saklar; dan kesulitan dalam transfer arus pada tegangan busur rendah, memerlukan perangkat bantu untuk meningkatkan tegangan busur dan memaksa titik nol arus. FCL resonan seri menggunakan reaktor jenuh atau penahan lonjakan sebagai saklar. Dalam keadaan normal, kapasitor dan induktor berada dalam resonansi seri dengan impedans rendah. Selama korsleting, arus tinggi menjenuhkan reaktor atau mengaktifkan penahan lonjakan, mengacaukan resonansi dan memasukkan reaktor ke dalam garis untuk pembatasan arus. Saklar cepat repulsi elektromagnetik juga dapat melewati kapasitor dengan cepat.

2.6 Status Saat Ini Aplikasi FCL Teknikal

Untuk nilai praktis, FCLs tidak hanya harus memasukkan impedans dengan cepat selama korsleting, tetapi juga harus memiliki reset otomatis, operasi berurutan berulang, pembuatan harmonisa rendah, dan biaya investasi dan operasional yang dapat diterima. Saat ini, terbatas oleh tantangan teknis dan efisiensi biaya, meskipun berbagai prototipe eksperimental telah dikembangkan di seluruh dunia, aplikasi grid sebenarnya masih jarang, sebagian besar terbatas pada proyek pilot tegangan rendah, kapasitas kecil.

Bidang ini dimulai lebih awal di luar negeri, dengan kemajuan signifikan dalam komersialisasi FCL semi-konduktor dan superkonduksi. Pada tahun 1993, pemutus semi-konduktor 6,6 MW menggunakan GTO anti-paralel dipasang pada feeder 4,6 kV di Army Power Center, New Jersey, AS, mampu membersihkan korsleting dalam 300 µs. Pada tahun 1995, FCL semi-konduktor 13,8 kV/675 A oleh EPRI dan Westinghouse diluncurkan di substation PSE&G. Untuk FCL superkonduksi, FCL AC/DC hibrida dikembangkan oleh ACEC-Transport dan GEC-Alsthom pada tahun 1998, mencapai komersialisasi. Pada tahun 1999, SFCL 15 kV/1200 A yang dikembangkan bersama oleh General Atomics dan lain-lain ditempatkan di substation Southern California Edison (SCE).

Penelitian FCL domestik dimulai lebih lambat tetapi berkembang pesat. Pada tahun 2007, FCL superkonduksi inti jenuh 35 kV China, dikembangkan oleh Tianjin Electromechanical Holdings dan Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd., menjalani uji coba grid-terhubung di Substation Puji, Yunnan—saat itu menjadi pembatas superkonduksi tertinggi tegangan dan kapasitas tertinggi di dunia dalam uji coba. Untuk FCL resonan seri, perangkat 500 kV pertama China, dikembangkan bersama oleh China Electric Power Research Institute, Zhongdian Puri, dan East China Grid, diluncurkan di Stasiun 500 kV Bingyao pada akhir 2009, mengurangi arus korsleting di bawah 47 kA.

Secara global, aplikasi FCL masih terbatas pada proyek individual tetapi mendapat perhatian yang semakin meningkat. Potensi signifikan tetap ada dalam penelitian untuk meningkatkan kapasitas, ketahanan tegangan, perbaikan material, disipasi panas, kontrol biaya, dan optimisasi topologi.

3 Dampak Integrasi FCL terhadap Keamanan dan Kestabilan Sistem Tenaga

Pemasukan impedans FCL yang cepat selama korsleting, meskipun efektif membatasi arus, mengubah parameter jaringan, mempengaruhi stabilitas transien, stabilitas tegangan, pengaturan perlindungan relai, dan penutupan. Kontrol yang buruk dapat menyebabkan dampak negatif. Kontrol koordinasi dan konfigurasi optimal penting untuk beberapa FCL untuk mencapai kinerja optimal.

3.1 Dampak terhadap Pengaturan Perlindungan Relai dan Penutupan

Untuk SFCL inti jenuh, waktu pemulihan yang lama berarti impedans signifikan tetap ada setelah korsleting, potensial memerlukan pengaturan ulang penutupan otomatis dan perlindungan relai. Literatur menyarankan memasang SFCL jenis quench pada cabang generator dan transformator utama; meskipun pengaturan ulang perlindungan diperlukan, impedans tinggi yang persisten selama pemulihan dapat berfungsi sebagai resistor rem, menguntungkan stabilitas transien. Berbagai metode pengaturan perlindungan jarak yang mempertimbangkan SFCL telah diusulkan. FCL semi-konduktor dapat menggunakan sinyal trigger thyristor, kontak pemutus bypass, posisi saklar FCL, dan sirkuit GAP untuk mengganti pengaturan perlindungan arus nol-sekuens, mengatasi masalah sensitivitas setelah pemasangan FCL.

3.2 Dampak terhadap Stabilitas Sudut Daya Transien

Meskipun FCL pada umumnya beroperasi dengan impedans rendah secara normal dan impedans tinggi selama korsleting, operasi dan struktur spesifik mereka menyebabkan dampak yang bervariasi terhadap stabilitas sudut daya transien. FCL semi-konduktor dan superkonduksi, dengan memasukkan impedans tinggi selama korsleting, dapat meningkatkan output daya elektromagnetik generator dan meningkatkan stabilitas transien.

FCL tipe resistif meningkatkan stabilitas lebih dari tipe induktif dengan menyediakan hambatan redaman yang mengonsumsi lebih banyak daya generator. Namun, nilai hambatan yang tidak tepat dapat menyebabkan aliran daya balik ke generator, memperburuk defisit daya. Analisis menunjukkan bahwa untuk korsleting jauh dari generator, SFCL induktif menjadi lebih bermanfaat seiring dengan penurunan reaktans transfer total. SFCL resistif juga menunjukkan karakteristik serupa di atas ambang hambatan tertentu.

Dampaknya tergantung pada lokasi dan jenis korsleting; FCL mempengaruhi stabilitas sudut daya hanya ketika korsleting terjadi pada jalur yang dipasang. Untuk korsleting asimetris di awal jalur, induktansi FCL menguntungkan stabilitas, meningkat seiring dengan nilai induktansi. Di ujung jalur, jika korsleting diselesaikan dengan cepat, induktansi FCL mungkin menghalangi stabilitas, tetapi dampak negatifnya berkurang dengan induktansi yang lebih tinggi untuk korsleting fase-ke-fase dan dua-fase-ke-tanah. Untuk korsleting fase tunggal atau fase-ke-fase dekat ujung jalur, sedikit memperpanjang waktu penyelesaian korsleting membuat induktansi FCL kecil menguntungkan, secara signifikan mengurangi amplitudo kurva ayunan dibandingkan dengan penyelesaian cepat.

3.3 Dampak terhadap Stabilitas Tegangan Transien

Korsleting pendek menyebabkan penurunan tegangan, mempengaruhi operasi peralatan dan menyebabkan kerugian ekonomi. Analisis berbasis PSCAD menunjukkan bahwa induktansi FCL yang lebih besar meningkatkan penekanan penurunan tegangan dalam batas tertentu. Kemampuan inheren FCL untuk meningkatkan tegangan korsleting bervariasi dengan struktur jaringan. Pada feeder radial, reaktans FCL >0,5 pu dapat menjaga tegangan di atas 0,8 pu selama korsleting. Pembangkitan lokal atau dukungan reaktif dekat bus korsleting mengurangi ketergantungan pada FCL.

3.4 Koordinasi dengan Ukuran Pembatasan Tradisional

Mengkoordinasikan FCL dengan ukuran tradisional (misalnya, reaktor, transformator impedans tinggi) adalah kunci untuk aplikasi praktis. Metode optimisasi otomatis menggunakan variabel 0-1 untuk penempatan ukuran dan variabel integer untuk kapasitas membentuk masalah pemrograman integer campuran, dapat diselesaikan dengan metode branch-and-bound, untuk membimbing konfigurasi yang terkoordinasi.

3.5 Optimalisasi Konfigurasi

Dengan beberapa FCL, optimalisasi lokasi, jumlah, dan parameter untuk kinerja yang hemat biaya adalah fokus penelitian yang hangat. Untuk grid kecil, enumerasi atau metode berdasarkan tingkat perubahan/kerugian daya cukup. Untuk grid besar dengan node yang melebihi batas korsleting, enumerasi menjadi komputasi intensif dan tidak memadai untuk masalah multi-objektif (impedans, jumlah, lokasi).

Optimisasi multi-objektif berbobot menggunakan algoritma genetik atau swarm partikel umum, tetapi hasilnya sangat bergantung pada pemilihan bobot. Metode berbasis sensitivitas, menghitung perubahan arus korsleting relatif terhadap impedans cabang, menghindari ketergantungan bobot dan membantu menentukan penempatan FCL optimal, jumlah, dan impedans. Karena tujuan utama adalah pembatasan arus, optimisasi dapat fokus pada efektivitas pembatasan, memastikan lokasi FCL yang dipilih mempengaruhi semua node dengan margin korsleting yang tidak mencukupi. Biaya dan kerugian operasional juga merupakan faktor kritis dalam optimisasi nyata.

4 Tren Pengembangan dan Aplikasi FCL

4.1 Tren Penelitian Teknologi FCL

Untuk memanfaatkan kelebihan dan mengurangi kekurangan, arah penelitian baru muncul. Menggabungkan FCL superkonduksi dengan penyimpanan energi adalah topik yang hangat—menyerap energi selama korsleting dan mensuplai energi untuk meningkatkan kualitas daya selama operasi normal, mencapai manfaat ganda. Kunci terletak pada desain sistem kondisi daya.

Untuk mengatasi permintaan kapasitas tinggi, biaya, dan harmonisa dalam pembatas semi-konduktor, topologi yang ditingkatkan seperti SSCL jembatan tiga fase yang dikopel transformator dengan induktor bypass telah diusulkan. FCL konvensional kekurangan penyesuaian dinamis dan kompensasi keadaan stabil.

FCL multifungsi dengan kompensasi seri dinamis telah diusulkan: operasi normal menggunakan peralihan bank kapasitor untuk kompensasi bertahap garis; selama korsleting, GTOs atau IGCTs mengontrol derajat pembatasan melalui induktor seri, memungkinkan penggunaan multipurpose. Kompensasi seri harus dipilih dengan hati-hati untuk menghindari osilasi sub-sinkronus.

4.2 Tren Aplikasi FCL

FCLs tidak hanya membatasi arus korsleting, tetapi juga, dalam kondisi yang sesuai, dapat meningkatkan stabilitas sudut daya dan tegangan, memperluas ruang lingkup aplikasinya. Tren yang muncul termasuk meningkatkan kapasitas transmisi penerimaan DC, mengurangi risiko kegagalan komutasi, meningkatkan kualitas daya, dan mendukung integrasi energi terbarukan berskala besar.

Dalam sistem DC multipoint, FCLs dapat membatasi arus tanpa mempengaruhi operasi normal. Untuk grid penerimaan DC, FCLs yang dipasang pada jalur propagasi korsleting dapat mengisolasi wilayah, menghentikan propagasi korsleting, mempersingkat durasi kegagalan komutasi, mempercepat pemulihan daya DC, dan mengurangi ketidakseimbangan daya dan transfer aliran daya dari kegagalan DC multipoint simultan, meningkatkan stabilitas transien secara keseluruhan. Untuk motor asinkron besar, integrasi SFCL dalam rangkaian stator memungkinkan starting lembut dan menekan kontribusi arus korsleting, mengurangi penurunan tegangan dan meningkatkan stabilitas tegangan transien.

Untuk integrasi angin berskala besar, FCLs di titik koneksi taman angin dapat meningkatkan kemampuan ride-through korsleting dan mengurangi risiko putus. FCL resistif memerlukan impedans yang lebih rendah daripada tipe induktif untuk stabilitas dengan durasi korsleting yang sama, tetapi tipe induktif memberikan peningkatan yang lebih baik dekat stabilitas kritis.

Seiring teknologi FCL matang, perangkat respons cepat dan multifungsi ini—membatasi korsleting, meningkatkan stabilitas, dan mengisolasi korsleting—akan menemukan aplikasi yang lebih luas.

5 Kesimpulan

FCLs efektif membatasi arus korsleting tetapi mungkin mempengaruhi stabilitas sudut daya/tegangan, pengaturan perlindungan relai, dan penutupan. Konfigurasi yang dioptimalkan dan kendali koordinasi beberapa FCL atau dengan perangkat FACTS menjanjikan manfaat signifikan. FCL masa depan akan melampaui pembatasan arus untuk meningkatkan transmisi DC, mengurangi kegagalan komutasi, meningkatkan kualitas daya, dan mendukung integrasi energi terbarukan.

Namun, hambatan teknis dan ekonomi menghambat aplikasi skala besar FCL tegangan tinggi, kapasitas tinggi. Pembatas semi-konduktor, terbatas oleh kapasitas perangkat dan rating tegangan, saat ini dibatasi pada jaringan distribusi. Kemajuan dalam perangkat self-commutating daya tinggi dapat mengatasi hambatan ini dan mengurangi biaya.

FCL superkonduksi menawarkan respons cepat dan self-triggering tetapi menghadapi biaya pendinginan tinggi, tantangan disipasi panas, dan waktu pemulihan quench yang panjang. Mengingat kelayakan dan ekonomi jangka pendek, FCL ekonomis berbasis peralatan konvensional adalah solusi yang disukai. Pembatas semi-konduktor, dengan hambatan teknis yang lebih rendah dan kedewasaan, mewakili arah utama masa depan.

Berikan Tip dan Galakkan Penulis
Disarankan
Pengubah Tegangan 3D Wound-Core: Masa Depan Pengedaran Kuasa
Pengubah Tegangan 3D Wound-Core: Masa Depan Pengedaran Kuasa
Kebutuhan Teknikal dan Trend Pembangunan untuk Penjana Pembahagi Kehilangan rendah, terutamanya kehilangan tanpa beban yang rendah; menekankan prestasi simpan tenaga. Hingar rendah, terutamanya semasa operasi tanpa beban, untuk memenuhi standard perlindungan alam sekitar. Reka bentuk sepenuhnya tertutup untuk mencegah minyak penjana daripada menghubungi udara luar, membolehkan operasi tanpa pemeliharaan. Peranti pelindung terintegrasi di dalam tangki, mencapai miniaturisasi; mengurangkan saiz pe
Echo
10/20/2025
Kurangkan Masa Henti dengan Pemutus Litar MV Digital
Kurangkan Masa Henti dengan Pemutus Litar MV Digital
Kurangkan Masa Henti dengan Peralatan Beralih Tegangan Menengah dan Pemutus Litar yang Dijital"Masa henti" — ia adalah perkataan yang tiada pengurus kilang ingin dengar, terutamanya apabila ia tidak dijangka. Kini, berkat pemutus litar (MV) beralih tegangan menengah generasi seterusnya dan peralatan beralih, anda boleh menggunakan penyelesaian digital untuk memaksimumkan masa operasi dan kebolehpercayaan sistem.Peralatan beralih MV dan pemutus litar moden dilengkapi dengan sensor digital tertana
Echo
10/18/2025
Satu Artikel untuk Memahami Tahap Pemisahan Kontak pada Peralatan Pemutus Litar Vakum
Satu Artikel untuk Memahami Tahap Pemisahan Kontak pada Peralatan Pemutus Litar Vakum
Tahap Pemisahan Kontak Peralatan Pemutus Litar Vakum: Penyalaan Busur, Penghentian Busur, dan OskilasiTahap 1: Pembukaan Awal (Fasa Penyalaan Busur, 0–3 mm)Teori moden mengesahkan bahawa fasa pemisahan kontak awal (0–3 mm) adalah kritikal terhadap prestasi penghentian peralatan pemutus litar vakum. Pada permulaan pemisahan kontak, arus busur sentiasa berpindah dari mod tertekan ke mod tersebar—semakin cepat peralihan ini, semakin baik prestasi penghentian.Tiga langkah boleh mempercepatkan perali
Echo
10/16/2025
Kelebihan & Aplikasi Pemutus Litar vakum Rendah Voltan
Kelebihan & Aplikasi Pemutus Litar vakum Rendah Voltan
Pembekal Litar Vakum Rendah Voltan: Kelebihan, Aplikasi, dan Cabaran TeknikalOleh kerana penarafan voltan yang lebih rendah, pembekal litar vakum rendah voltan mempunyai jurang kontak yang lebih kecil berbanding jenis voltan sederhana. Dalam jurang-jurang kecil ini, teknologi medan magnet melintang (TMF) adalah lebih unggul daripada medan magnet aksial (AMF) untuk menghentikan arus pendek yang tinggi. Semasa menghentikan arus besar, lengkung vakum cenderung berkumpul menjadi mod lengkung terbata
Echo
10/16/2025
Hantar pertanyaan
Muat Turun
Dapatkan Aplikasi Perusahaan IEE-Business
Guna aplikasi IEE-Business untuk mencari peralatan mendapatkan penyelesaian berhubungan dengan pakar dan menyertai kolaborasi industri bila-bila masa di mana-mana sepenuhnya menyokong pembangunan projek kuasa dan perniagaan anda