Giới hạn dòng ngắn mạch | Ảnh hưởng của Công nghệ & Độ ổn định Mạng điện

1 Giới thiệu về Công nghệ Giới hạn Dòng Điện Sự Cố (FCL)

Các phương pháp giới hạn dòng điện sự cố thụ động truyền thống - như sử dụng biến áp có độ kháng cao, cuộn cảm cố định hoặc hoạt động bằng thanh bus tách biệt - đều có nhược điểm cố hữu, bao gồm việc làm gián đoạn cấu trúc lưới điện, tăng độ kháng hệ thống ở trạng thái ổn định và giảm an ninh và ổn định của hệ thống. Những cách tiếp cận này đang trở nên ngày càng không phù hợp với các lưới điện phức tạp và quy mô lớn hiện nay.

Ngược lại, công nghệ giới hạn dòng điện sự cố chủ động, đại diện bởi Giới hạn Dòng Điện Sự Cố (FCL), thể hiện độ kháng thấp trong quá trình vận hành bình thường của lưới điện. Khi xảy ra sự cố, FCL nhanh chóng chuyển sang trạng thái độ kháng cao, hiệu quả hạn chế dòng điện sự cố xuống mức thấp hơn, do đó cho phép kiểm soát động dòng điện sự cố. FCL đã phát triển từ khái niệm truyền thống về giới hạn dòng điện dựa trên cuộn cảm nối tiếp bằng cách tích hợp các công nghệ tiên tiến như điện tử công suất, siêu dẫn và điều khiển mạch từ.

Nguyên lý cơ bản của FCL có thể được đơn giản hóa thành mô hình được hiển thị trong Hình 1: trong quá trình vận hành bình thường của hệ thống, công tắc K đóng, và FCL không giới thiệu bất kỳ độ kháng giới hạn dòng điện nào. Chỉ khi xảy ra sự cố, K sẽ mở nhanh chóng, đưa cuộn cảm vào để giới hạn dòng điện sự cố.

Hầu hết các FCL đều dựa trên mô hình cơ bản này hoặc các biến thể mở rộng của nó. Các khác biệt chính giữa các FCL nằm ở bản chất của độ kháng giới hạn dòng điện, cách thực hiện công tắc K và các chiến lược điều khiển liên quan.

2 Các Phương Án Thực Hiện FCL và Tình Trạng Áp Dụng

2.1 Giới hạn Dòng Điện Sự Cố Siêu Dẫn (SFCLs)

SFCLs có thể được phân loại là loại quench hoặc không quench dựa trên việc chúng có sử dụng sự chuyển đổi từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái thông thường (S/N) để giới hạn dòng điện hay không. Về cấu trúc, chúng được phân loại thêm thành các loại kháng, cầu, che chắn từ, biến áp, hoặc lõi bão hòa. SFCLs loại quench dựa trên sự chuyển đổi S/N (được kích hoạt khi nhiệt độ, trường từ hoặc dòng điện vượt quá các giá trị tới hạn), nơi mà vật liệu siêu dẫn chuyển từ độ kháng bằng không sang độ kháng cao, do đó giới hạn dòng điện sự cố.

SFCLs loại không quench kết hợp cuộn dây siêu dẫn với các thành phần khác (ví dụ: điện tử công suất hoặc yếu tố từ tính) và điều khiển các chế độ hoạt động để giới hạn dòng điện ngắn mạch. Việc áp dụng thực tế của SFCLs phải đối mặt với các thách thức chung về siêu dẫn như chi phí và hiệu quả làm mát. Ngoài ra, thời gian phục hồi dài của SFCLs loại quench có thể xung đột với việc đóng lại hệ thống, trong khi sự thay đổi độ kháng của SFCLs loại không quench có thể ảnh hưởng đến sự phối hợp bảo vệ rơle, đòi hỏi phải thiết lập lại.

2.2 Giới hạn Dòng Điện Sự Cố Bằng Yếu Tố Từ

Những loại này được chia thành loại hủy bỏ luồng từ và loại công tắc bão hòa từ. Trong loại hủy bỏ luồng từ, hai cuộn dây có cực tính ngược nhau được quấn trên cùng một lõi. Trong điều kiện bình thường, các luồng từ bằng nhau và ngược chiều hủy bỏ nhau, tạo ra độ kháng rò rỉ thấp.

Trong trường hợp xảy ra sự cố, một cuộn dây bị bypass, làm mất cân bằng luồng từ và tạo ra độ kháng cao. Loại công tắc bão hòa từ hoạt động bằng cách tạo bão hòa cho cuộn dây giới hạn dòng điện (qua sự lệch DC, v.v.) trong điều kiện bình thường, tạo ra độ kháng thấp. Trong trường hợp xảy ra sự cố, dòng điện sự cố đẩy lõi ra khỏi trạng thái bão hòa, tạo ra độ kháng cao để giới hạn dòng điện. Do yêu cầu điều khiển phức tạp, giới hạn dòng điện bằng yếu tố từ có ứng dụng hạn chế.

2.3 Giới hạn Dòng Điện Sự Cố Bằng Điện Trở PTC

Điện trở Hệ Số Nhiệt Dương (PTC) có tính phi tuyến; chúng có độ kháng thấp và ít sinh nhiệt trong điều kiện bình thường. Trong trường hợp xảy ra ngắn mạch, nhiệt độ của chúng tăng nhanh, nâng cao độ kháng lên 8-10 bậc trong vài mili giây. FCLs dựa trên điện trở PTC đã được sử dụng thương mại trong các ứng dụng điện áp thấp.

Tuy nhiên, nhược điểm bao gồm: điện áp quá cao được tạo ra trong quá trình giới hạn dòng điện cảm (yêu cầu bảo vệ điện áp quá cao song song); ứng suất cơ học do sự phình ra của điện trở trong quá trình hoạt động; giới hạn điện áp/dòng điện (hàng trăm volt, vài ampe), đòi hỏi kết nối song song và hạn chế việc sử dụng ở điện áp cao; và thời gian phục hồi lâu (vài phút) với tuổi thọ ngắn, cản trở việc triển khai quy mô lớn.

2.4 Giới hạn Dòng Điện Sự Cố Bằng Rắn (SSCLs)

SSCLs là loại giới hạn dòng điện ngắn mạch mới dựa trên điện tử công suất, thường bao gồm các cuộn cảm truyền thống, thiết bị điện tử công suất và bộ điều khiển. Chúng cung cấp nhiều cấu hình, phản ứng nhanh, độ bền hoạt động cao và điều khiển đơn giản. Bằng cách điều khiển trạng thái của thiết bị điện tử công suất, độ kháng tương đương của SSCL được thay đổi để giới hạn dòng điện sự cố. Được coi là thiết bị FACTS mới, SSCLs đang nhận được sự chú ý ngày càng tăng. Tuy nhiên, trong trường hợp xảy ra sự cố, thiết bị điện tử công suất phải chịu toàn bộ dòng điện sự cố, đòi hỏi hiệu suất và năng lực cao của thiết bị. Sự phối hợp giữa nhiều SSCLs hoặc với các hệ thống điều khiển FACTS khác vẫn là thách thức quan trọng.

2.5 Giới hạn Dòng Điện Sự Cố Kinh Tế

Những loại này cung cấp công nghệ chín muỗm, độ tin cậy cao, chi phí thấp và chuyển mạch tự động mà không cần điều khiển từ bên ngoài. Chúng chủ yếu được phân loại thành các loại chuyển dòng điện hồ quang và cộng hưởng nối tiếp. Loại chuyển dòng điện hồ quang bao gồm một công tắc chân không song song với điện trở giới hạn dòng điện. Trong điều kiện bình thường, dòng điện tải đi qua công tắc. Khi xảy ra ngắn mạch, công tắc mở, buộc dòng điện chuyển sang điện trở để giới hạn dòng điện.

Các vấn đề bao gồm: dòng điện chuyển bị ảnh hưởng bởi điện áp hồ quang chân không và độ kháng phụ; thời gian chuyển phụ thuộc vào tốc độ công tắc; và khó khăn trong việc chuyển dòng điện ở điện áp hồ quang thấp, đòi hỏi các thiết bị phụ trợ để tăng điện áp hồ quang và ép dòng điện qua không. FCLs cộng hưởng nối tiếp sử dụng cuộn cảm bão hòa hoặc arrester làm công tắc. Trong điều kiện bình thường, tụ điện và cuộn cảm ở trạng thái cộng hưởng với độ kháng thấp. Trong trường hợp xảy ra sự cố, dòng điện cao bão hòa cuộn cảm hoặc kích hoạt arrester, làm mất đi sự cộng hưởng và đưa cuộn cảm vào đường dây để giới hạn dòng điện. Các công tắc nhanh dựa trên斥力不足，我需要继续翻译，请提供完整的内容。