Strömbegränsare | Teknologi & påverkan på nätstabilitet

1 Introduktion till tekniken för strömavbrottgränslare (FCL)

Traditionella passiva metoder för strömavbrottgränsning, som användning av transformatorer med hög impedans, fasta reaktorer eller split-bussbar-operation, har inbyggda nackdelar, inklusive störning av nätstrukturen, ökad systemimpedans under normal drift och minskad systemsäkerhet och stabilitet. Dessa metoder blir alltmer olämpliga för dagens komplexa och storskaliga elkraftnät.

I kontrast visar aktiva strömavbrottgränsningstekniker, representerade av Fault Current Limiters (FCL), låg impedans under normal drift i nätet. Vid ett fel övergår FCL snabbt till en hög-impedanstillstånd, vilket effektivt begränsar felfströmmen till ett lägre nivå, vilket möjliggör dynamisk kontroll av felfströmmar. FCL har utvecklats från den traditionella konceptet med seriereaktorbaserad strömgränsning genom att integrera avancerade tekniker som kraftelektronik, superledning och magnetvägkontroll.

Den grundläggande principen för en FCL kan förenklas till modellen som visas i figur 1: under normal drift är brytaren K stängd, och ingen strömgränsande impedans införs av FCL. Endast vid ett fel öppnas K snabbt, vilket infogar reaktorn för att begränsa felfströmmen.

De flesta FCL bygger på denna grundläggande modell eller dess utökade varianter. De huvudsakliga skillnaderna mellan olika FCL ligger i karaktären av den strömgränsande impedansen, implementeringen av brytaren K och de associerade kontrollstrategierna.

2 Implementeringsscheman för FCL och tillämpningsstatus

2.1 Superledande strömavbrottgränslare (SFCL)

SFCL kan delas in i kvävningstyp eller icke-kvävningstyp beroende på om de använder superledarens övergång från superledande till normalt tillstånd (S/N-overgång) för strömgränsning. Strukturellt delas de ytterligare in i resistiv, brotyp, magnetiskt sköldad, transformertyp eller mättad kärna. Kvävningstyp SFCL beror på S/N-overgången (utlöst när temperatur, magnetfält eller ström överskrider kritiska värden), där superledaren skiftar från nollmotstånd till högt motstånd, vilket begränsar felfströmmen.

Icke-kvävningstyp SFCL kombinerar superledande spolar med andra komponenter (t.ex. kraftelektronik eller magnetiska element) och kontrollerar driftlägen för att begränsa kortslutningsströmmar. Praktisk tillämpning av SFCL står inför gemensamma superledningsutmaningar som kostnad och kylningseffektivitet. Dessutom har kvävningstyp SFCL långa återställningstider, vilket potentiellt kan gå emot systemets återkoppling, medan förändringar i impedansen för icke-kvävningstyp SFCL kan påverka samordningen av reläskydd, vilket kräver omsättning.

2.2 Magnetiska elementströmavbrottgränslare

Dessa delas in i fluxavbrotts- och magnetisk mättnadsswitchtyper. I fluxavbrotts-typ är två virningar med motsatta polariteter virade på samma kärna. Under normala förhållanden avbalanseras lika och motsatta flöden, vilket resulterar i låg läckageimpedans.

Vid ett fel by-passas en virning, vilket bryter flödesbalansen och presenterar hög impedans. Typen magnetisk mättnadsswitch fungerar genom att biasa den strömavbrottgränsande virningen till mättnad (genom DC-bias, etc.) under normala förhållanden, vilket ger låg impedans. Vid ett fel drivs kärnan ur mättnad, vilket skapar hög impedans för strömavbrottgränsning. På grund av komplexa kontrollkrav ser magnetiska elementgränslare begränsad tillämpning.

2.3 PTC-resistorströmavbrottgränslare

Positiv temperaturkoefficient (PTC) resistorer är ickelinjära; de visar låg resistans och minimal uppvärmning under normala förhållanden. Vid kortslutning ökar deras temperatur snabbt, vilket höjer resistansen med 8–10 ordningar inom millisekunder. FCL baserade på PTC-resistorer har fått kommersiell användning i lågspänningsapplikationer.

Dock inkluderar nackdelarna: höga överspänningar genererade under induktiv strömavbrottgränsning (vilket kräver parallella överspänningsskydd); mekanisk belastning på grund av resistorernas utvidgning under drift; begränsade spänning/strömnivåer (hundratals volt, några ampere), vilket kräver serie-parallella anslutningar och begränsar högspänningstillämpningar; och långa återställningstider (flera minuter) med kort livslängd, vilket hindrar storskalig distribution.

2.4 Solid-state strömavbrottgränslare (SSCL)

SSCL är en ny typ av kortslutningsgränsare baserad på kraftelektronik, vanligtvis bestående av konventionella reaktorer, kraftelektroniska enheter och kontroller. De erbjuder olika topologier, snabb respons, hög driftuthållighet och enkel kontroll. Genom att styra tillståndet hos kraftelektroniska enheter ändras SSCL:s ekvivalenta impedans för att begränsa felfströmmen. Ansedd som en ny FACTS-enhet får SSCL allt mer uppmärksamhet. Dock måste kraftelektroniska enheter bära hela felfströmmen vid fel, vilket kräver hög prestanda och kapacitet. Samordning mellan flera SSCL eller med andra FACTS-styrsystem är fortfarande en viktig utmaning.

2.5 Ekonomiska strömavbrottgränslare

Dessa erbjuder mogn teknik, hög tillförlitlighet, låg kostnad och automatisk växling utan extern kontroll. De klassificeras huvudsakligen i ark-strömöverföring och serie-resonanstyper. Ark-strömöverföringstyp består av en vakuumswitch parallellt med en strömavbrottgränsande resistor. Under normal drift går belastningsströmmen genom switchen. Vid kortslutning öppnas switchen, vilket tvingar strömmen att överföras till resistorn för strömavbrottgränsning.

Problemen inkluderar: överföringsström påverkas av vakuumarkspänning och strömförvirring; överföringstid beror på switchhastighet; och svårigheter att överföra ström vid låga arkspänningar, vilket kräver hjälpmedel för att öka arkspänningen och tvinga ström-nollgenomgång. Serie-resonans FCL använder mättade reaktorer eller överspänningsskydd som switchar. Under normala förhållanden är kondensatorn och induktorn i serie resonans med låg impedans. Vid ett fel saturas reaktorn av hög ström eller aktiveras skyddet, vilket avstämnar resonansen och infogar reaktorn i linjen för strömavbrottgränsning. Elektromagnetiska repulsionsnabbswitchar kan också snabbt bypassa kondensatorn.

2.6 Nuvarande status för FCL-teknikens tillämpningar

För praktisk värde måste FCL inte bara snabbt infoga impedans vid fel, utan också ha automatisk återställning, flera påföljande operationer, låg harmonigenerering och acceptabla investerings- och driftskostnader. För närvarande begränsade av tekniska utmaningar och kostnadseffektivitet, trots olika experimentella prototyper som utvecklats världen över, är faktiska nätapplikationer sällsynta, mest begränsade till lågspänning, småkapacitetspilotprojekt.

Området startade tidigare utomlands, med framsteg i kommersialisering av solid-state och superledande FCL. 1993 installerades en 6,6 MW solid-state circuit breaker med antiparallella GTO:er på en 4,6 kV ledning vid Army Power Center i New Jersey, USA, med förmåga att klara fel inom 300 µs. 1995 kommissionerades en 13,8 kV/675 A solid-state FCL av EPRI och Westinghouse vid en PSE&G-understation. För superledande FCL utvecklades en hybrid AC/DC FCL av ACEC-Transport och GEC-Alsthom 1998, vilket nådde kommersialisering. 1999 installerades en 15 kV/1200 A SFCL utvecklad av General Atomics och andra vid en Southern California Edison (SCE) understation.

Inhemsk FCL-forskning startade senare men fortskred snabbt. 2007 genomgick Kinas 35 kV superledande mättad kärna FCL, utvecklad av Tianjin Electromechanical Holdings och Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd., grid-connected provdrift vid Puji Substation, Yunnan – då världens högsta spänning, högsta kapacitet superledande gränsare i provdrift. För serie-resonans FCL var Kinas första 500 kV-enhet, utvecklad av China Electric Power Research Institute, Zhongdian Puri och East China Grid, kommissionerad vid 500 kV Bingyao Station sent 2009, vilket reducerade kortslutningsströmmen till under 47 kA.

Globalt sett är FCL-applikationer fortfarande begränsade till enskilda projekt men får allt mer uppmärksamhet. Betydande potential finns kvar i forskning om ökning av kapacitet, spänningsuthållighet, materialförbättring, uppvärmning, kostnadskontroll och topologi-optimering.

3 Inverkan av FCL-integrering på elsystemets säkerhet och stabilitet

Snabb infogning av impedans av FCL vid fel, även om det effektivt begränsar ström, ändrar nätparametrar, vilket påverkar transients stabilitet, spänningsstabibilitet, inställningar för reläskydd och återkoppling. Dålig kontroll kan leda till negativa effekter. Samordnad kontroll och optimal konfiguration är avgörande för flera FCL för att uppnå optimal prestanda.

3.1 Inverkan på reläskydd och återkopplingsinställningar

För mättad kärna SFCL, betyder lång återställningstid att signifikant impedans fortfarande finns efter fel, vilket potentiellt kräver omställning av automatisk återkoppling och reläskydd. Litteraturen föreslår installation av kvävningstyp SFCL på generator- och huvudtransformatorgrenar; även om omställning av skydd behövs, kan den bestående höga impedansen under återställning fungera som bromsar, vilket gynnar transient stabilitet. Olika distansskyddsinställningsmetoder som tar hänsyn till SFCL har föreslagits. Solid-state FCL kan använda thyristortriggersignaler, bypassbrytarkontakter, FCL-switchpositioner och GAP-cirklar för att växla nollsekvensströmskyddsinriktning, vilket löser känslighetsproblem efter FCL-infogning.

3.2 Inverkan på transient effektpunktstabillitet

Även om FCL i allmänhet opererar med låg impedans under normal drift och hög impedans vid fel, leder deras specifika operation och struktur till varierande effekter på transient effektpunktstabillitet. Solid-state och superledande FCL, genom att infoga hög impedans vid fel, kan förbättra generatorernas elektromagnetiska effektoutmatning och förbättra transient stabilitet.

Resistiv FCL förbättrar stabiliteten mer än induktiv typ genom att ge dempande resistans som konsumerar mer generator-effekt. Emellertid kan felaktiga resistansvärden orsaka omvänd effektriktning till generatorn, vilket förvärrar effektkortage. Analys visar att för fel borta från generatorn blir induktiv SFCL mer gynnsam eftersom total överföringsreaktans minskar. Resistiv SFCL visar liknande egenskaper bortom ett tröskelvärde för resistans.

Påverkan beror på felets plats och typ; FCL påverkar effektpunktstabillitet endast när fel uppstår på deras installerade linjer. För asymmetriska fel vid linjebörjan gynnas stabiliteten av FCL-induktans, vilken ökar med induktansvärde. Vid linjeslut, om felet rättas snabbt, kan FCL-induktans hinder stabilitet, men den negativa påverkan minskar med högre induktans för fas-till-fas och tvåfas-till-jordfel. För enfas- eller fas-till-fasfel nära linjeslut, gör en liten förlängning av felettider liten FCL-induktans gynnsam, vilket drastiskt minskar svängningskurvans amplitud jämfört med snabb retting.

3.3 Inverkan på transient spänningsstabillitet

Kortslutningsfel orsakar spänningsfall, vilket påverkar utrustningens drift och orsakar ekonomiska förluster. PSCAD-baserad analys visar att större FCL-induktans förbättrar spänningsfallsuppdämpning inom vissa gränser. Den inbyggda förmågan hos FCL att förbättra felspänning varierar med nätstrukturen. På radieledningar kan FCL-reaktans >0,5 pu bibehålla spänningen över 0,8 pu vid fel. Lokal generering eller reaktiv stöd nära felbussen minskar beroendet av FCL.

3.4 Samordning med traditionella begränsningsåtgärder

Samordning av FCL med traditionella åtgärder (t.ex. reaktorer, transformatorer med hög impedans) är nyckeln till praktisk tillämpning. En automatisk optimeringsmetod som använder 0–1 variabler för åtgärdsdistribution och heltalsvariabler för kapacitet bildar ett blandat heltalsprogrammeringsproblem, lösbart med gren-och-gräns-metoder, för att guida samordnad konfiguration.

3.5 Optimering av konfiguration

Med flera FCL, att optimera plats, antal och parametrar för kostnadseffektiv prestanda är en forskningsfokus. För små nät räcker uppräkning eller metoder baserade på effektförändring/förlustgrad. För stora nät med flera noder som överskrider kortslutningsgränser, blir uppräkning beräkningsintensiv och otillräcklig för flermålproblem (impedans, antal, plats).

Viktad flermålsoptimering med genetiska eller partikelsvärm-algoritmer är vanlig, men resultatet beror starkt på viktväljning. Sensitivitetsbaserade metoder, som beräknar förändringar i kortslutningsström relativt till grenimpedans, undviker viktberoende och hjälper till att fastställa optimal FCL-placering, antal och impedans. Eftersom det primära målet är strömavbrottgränsning, kan optimeringen fokusera på begränsningsverkan, för att se till att valda FCL-platser påverkar alla noder med otillräcklig kortslutningsmarginal. Kostnad och driftsförluster är också kritiska faktorer i verklig optimering.

4 Utvecklings- och tillämpningstrender för FCL

4.1 FCL-teknikens forskningstrender

För att utnyttja fördelar och minska brister, dyker nya forskningsriktningar upp. Att kombinera superledande FCL med energilagring är en het fråga – absorbera energi vid fel och leverera den för att förbättra kvaliteten på energin under normal drift, vilket ger dubbla fördelar. Nyckeln ligger i design av energikonverteringssystem.

För att hantera höga kapacitetskrav, kostnader och harmoniska i solid-state gränslare, har förbättrade topologier som transformerkopplade trefasbrons SSCL med bypassinduktans föreslagits. Konventionella FCL saknar dynamisk justerbarhet och statisk kompensation.

En multifunktionell FCL med dynamisk seriekompensation har föreslagits: under normal drift används kondensatorbanksväxling för stegvisa linjekompensation; vid fel styr GTO:er eller IGCT:er begränsningsgraden via en serieinduktans, vilket möjliggör flerådig användning. Seriekompensation måste väljas noggrant för att undvika sub-synkrona svängningar.

4.2 FCL-tillämpningstrender

FCL begränsar inte bara kortslutningsströmmar, utan kan, under lämpliga förhållanden, förbättra effektpunkt- och spänningsstabillitet, vilket expanderar deras tillämpningsområde. Nya trender inkluderar förbättrad DC-mottagartransmissionskapacitet, minskat risk för kommutationsfel, förbättrad kvalitet på energin och stöd för storskalig integration av förnybara energikällor.

I flerterminaliga DC-system kan FCL begränsa ström utan att påverka normal drift. För DC-mottagar-nät, kan FCL installerade på felpropageringsvägar isolera regioner, blockera felpropagering, förkorta kommutationsfelets varaktighet, accelerera DC-effektrecovery, och mildra effektimbalans och effektoverföring från samtidiga fler-infeed DC-fel, vilket förbättrar den totala transient stabiliteten. För stora asynkrona motorer, kan integration av SFCL i statorscircuitet möjliggöra mjuk start och undertrycka felströmbidrag, vilket minskar spänningsfall och förbättrar transient spänningsstabillitet.

För storskalig vindintegrering, kan FCL vid vindparkans kopplingar förbättra felöverlevnadsförmågan och minska avkopplingsrisker. Resistiva FCL kräver mindre impedans än induktiva typer för stabilitet vid samma felets varaktighet, men induktiva typer ger bättre förbättring nära kritisk stabilitet.

När FCL-tekniken mognar, kommer dessa snabbt svarande, multifunktionella enheter – som begränsar fel, förbättrar stabilitet och isolerar fel – att hitta bredare tillämpningar.

5 Slutsats

FCL begränsar effektivt kortslutningsströmmar, men kan påverka effektpunkt- och spänningsstabillitet, reläskydd och återkopplingsinställningar. Optimerad konfiguration och samordnad kontroll av flera FCL eller med FACTS-enheter lovar betydande fördelar. Framtida FCL kommer att utöka sig bortom strömavbrottgränsning till förbättrad DC-transmission, minskade kommutationsfel, förbättrad kvalitet på energin och stöd för förnybar integrering.

Men tekniska och ekonomiska hinder försenar storskalig tillämpning av högspänning, högkapacitets FCL. Solid-state gränslare, begränsade av enhetskapacitet och spänningsklass, är för närvarande begränsade till distributionsnät. Framsteg i högeffektself-commutating-enheter kan övervinna dessa flaskhalsar och minska kostnader.

Superledande FCL erbjuder snabb respons och självdrift, men står inför höga kylkostnader, uppvärmningsutmaningar och långa kvävningsåterställningstider. Med tanke på näraframtidsmöjligheter och ekonomi, är ekonomiska FCL baserade på konventionell utrustning den föredragna lösningen. Solid-state gränslare, med lägre tekniska hinder och mognad, representerar den huvudsakliga framtida riktningen.