Fejlstrømregulator og deres typer

Introduktion til Fejlstrøm begrænser

I de seneste tider, med den stigende efterspørgsel efter energi, har robust udvikling i strømforsyning og transmission opnået betydelig vigtighed og er blevet en grundlæggende nødvendighed. Dog udgør kortslutninger en af de mest vedvarende og udfordrende problemer i ethvert strømforsyningsystem, og deres indflydelse forstærkes, som skalaen af produktion øges. Problemerne forårsaget af kortslutnings- eller fejlstrømme er mangeartede:

• Termisk Belastning på Udstyr: Uudholdelige termiske belastninger påføres elektrisk udstyr, hvilket kan føre til for tidlig slitage, skade og endda komponenternes mislykkelse.

• Elektro-dynamisk Støj: En række elektro-dynamiske kræfter i kredsløbet forstyrrer instrumenternes normale funktion, hvilket påvirker deres præcision og pålidelighed.

• Teknologiske og Økonomiske Restriktioner: For at beskytte kredsløbet mod skader er mere effektive brydere nødvendige. Denne efterspørgsel præsenterer ikke kun teknologiske udfordringer, men pålægger også betydelige økonomiske begrænsninger.

• Sikkerhedsrisici: Sikkerhedsspørgsmål er blandt de mest presserende, da kortslutninger udgør en direkte trussel mod personales liv og integriteten af det elektriske infrastruktur.

• Spændingsovergangs Komplikationer: Kortslutninger forværrer problemet med spændingsovergange under skiftoperateringer, gør dem mere kritiske og vanskelige at håndtere.

Med hensyn til disse udfordringer, er udviklingen af mere avancerede og præcise systemer til at tackle kortslutninger blevet afgørende. Dette artikel vil undersøge flere tilgange, der er blevet foreslået og implementeret for at mindske effekten af fejlstrømme.

Tilgange

Følgende metoder er enten aktivt forsket på eller allerede i praktisk brug, afhængigt af deres specifikke egenskaber og anvendelser:

• Strømbegrænser (CLR): Bredt anerkendt for sin effektivitet i at begrænse fejlstrømme.

• Solid State Strømbegrænser: En fremkommande teknologi, der viser stor potentiel, men stadig er i de tidlige faser af forskning og udvikling.

• Superledende Strømbegrænsere: Disse enheder benytter de unikke egenskaber af superledere til at begrænse strømmen, og ligesom fasttilstands begrænsere, er de i de initiale faser af udvikling.

• Fusser: En traditionel, men pålidelig metode til at beskytte kredsløb ved at afbryde strømmen, når den overstiger en bestemt grænse.

• Busbar Opdeling i Understations: En praktisk tilgang, der hjælper med at reducere fejlstrømme ved at ændre den elektriske konfiguration af understationen.

• Implementering af Høj Impedans Transformer: Disse transformer kan bruges til at øge impedansen i kredsløbet, hvilket begrænser størrelsen af fejlstrømme.

• Brug af Atomreaktorer til Strømbegrænsning: Selvom dette er en unkonventionel tilgang, har forskning undersøgt potentialet af atomreaktorer til at bidrage til strømbegrænsningsmekanismer.

Blandt disse teknikker er brugen af fasttilstands- og superledende enheder stadig i udviklingsfasen. Når der implementeres et system til at adressere kortslutningsproblemer, skal to nøgleovervejelser tages i betragtning:

Strategier for Fejlstrøm Begrænsning i Understations og Distributionsnetværk

Placering og Antal af Begrænsende Reaktorer

To væsentlige spørgsmål i elektrisk ingeniørvidenskab vedrører den optimale placering af begrænsende reaktorer inden for understationer og distributionsnetværket, samt fastsættelsen af det ideelle antal af disse reaktorer, der er nødvendige for effektivt at administrere fejlstrømme. Disse beslutninger kræver en omfattende forståelse af elektriske systemers karakteristika, belastningskrav og potentielle fejlscenarier.

Strømbegrænsende Reaktor (CLR)

Den Strømbegrænsende Reaktor står ud som en af de mest kostnadseffektive og praktiske løsninger for fejlstrømme administration. Dens indflydelse på understationens pålidelighed er minimal, hvilket gør den til en gunstig mulighed for mange elektriske systemer. Imidlertid har den visse ulemper. Det fysiske hardware af CLR'er er typisk stort, optager betydelig plads inden for understationen. Desuden kan tilstedeværelsen af CLR'er føre til en forringelse af spændingsstabiliteten, hvilket skal overvåges og administreres nøje.

Fasttilstands Fejlstrøm Begrænser

Fasttilstands Fejlstrøm Begrænsere er i øjeblikket i forsknings- og udviklingsfasen. De byder på fordelene ved at være relativt lette at integrere i distributionsystemer. Dog fungerer deres høje omkostninger som en stor hindring, der forhindrer bred anvendelse på stor skala. Forskere arbejder aktivt på at reducere omkostninger og forbedre deres ydeevne for at gøre dem mere levedygtige til kommerciel brug.

Fusser

Fusser fungerer som højt effektive og effektive strømafbrydende enheder, hvilket gør dem egnet til at fungere som strømbegrænsere. De er billige og enkle at installere. Imidlertid er deres effektivitet begrænset af deres beregnede kapacitet. For eksempel kan typiske fusser være designet til at håndtere maksimalt 40 kV og 200 A strøm, hvilket begrænser deres anvendelse i høvspændings- og høvstrøms-scenarier. Højkapacitets (HRC) fusser tilbyder forbedret ydeevne, men har stadig deres egne begrænsninger.

Busbar Fejlstrøm Begrænser

Bus Coupler circuit breakers kan anvendes som busbar fejlstrøm begrænsere, men de anses generelt for at være en midlertidig eller nødsvar-løsning. De er ikke designet til at være en permanent installation i understationen pga. deres driftsegenskaber og begrænsninger.

Anvendelse af Neutral Reaktor

Neutral reaktorer præsenterer en anden levedygtig mulighed for fejlstrøm begrænsning, især når det handler om jord- eller jordstrømme. Deres design og operation gør dem særdeles effektive i specifikke fejlscenarier relateret til jordrelaterede elektriske problemer.

Typer og Karakteristika af Strømbegrænsende Reaktorer

Den Strømbegrænsende Reaktor er en bredt implementeret løsning og kan inddeles i to hovedtyper:

Tørtype CLR

Tørtype CLR'er er luftkerne reaktorer med kobber vindinger. Brugen af en jernkerne undgås på grund af risikoen for mætning, som kan kompromittere reaktorens ydeevne. Disse reaktorer er egnet til en række applikationer, hvor miljøforholdene er relativt rene og tørre.

Olitype CLR

Olitype CLR'er deler mange ligheder med deres tørtype modparter med hensyn til grundlæggende funktionalitet. Imidlertid ligger deres nøgleforskelle i deres anvendelsesscope. Olitype CLR'er er specifikt designet til brug i højt forurenede miljøer. Olien, der anvendes i disse reaktorer, har en højere dielektrisk konstant sammenlignet med luften i tørtype reaktorer, hvilket giver forbedret isolation og beskyttelse under hårde forhold.

Generelle Specifikationer for Fejlstrøm Begrænsende Reaktorer

Frekvens og Spænding: Disse reaktorer er designet til at fungere inden for en relativt snæver frekvens- og spændingsområde. Deres ydeevne-karakteristika er optimaliseret for specifikke elektriske systemparametre.

Installation Flexibilitet: Afhængigt af applikationskrav, kan de installeres både indendørs og udendørs. Denne fleksibilitet tillader større tilpasning i forskellige understations- og distributionsnetopstillinger.

Kortslutnings Kapacitet: De er konstrueret til at håndtere kortslutningsstrømme i de elektriske systemer, de er integreret i, og yder effektive strømbegrænsende evner under fejltilstande.

Overgangsstabilitet og Strømbegrænsende Reaktorer

Overgangsstabilitet spiller en afgørende rolle i elektriske alternerende strøm (AC) strømsystemer. Det refererer til evnen for flere synkronmaskiner i et strømsystem til at forblive i synkronitet efter forekomsten af en fejl. For eksempel, i et strømnet med mange synkronmotorer forbundet, bestemmer overgangsstabilitet, om disse motorer kan fortsætte med at fungere i harmoni efter en pludselig elektrisk forstyrrelse, såsom en kortslutning. Strømbegrænsende reaktorer kan betydeligt påvirke overgangsstabilitet ved at reducere størrelsen af fejlstrømme, derved minimere mekaniske og elektriske spændinger på synkronmaskinerne og øge sandsynligheden for, at systemet bibeholder stabilitet under og efter en fejlhændelse.

Superleder-baserede Strømbegrænsende Reaktorer

Superledende Fejlstrøm Begrænsere (SFCLs) tilbyder en højt praktisk løsning for at forbedre overgangsstabiliteten i strømsystemer, effektivt balancerer både tekniske og økonomiske overvejelser. Den unikke egenskab hos superledere, der viser ekstremt høj ikke-lineær resistens, gør dem ideale kandidater til at fungere som Fejlstrøm Begrænsere (FCLs).

En af de vigtigste fordele ved SFCLs ligger i superledernes evne til hurtigt at øge deres resistens og naurligt overgå fra en superledende tilstand, hvor elektrisk resistens næsten er nul, til en normal ledende tilstand. Denne hurtige ændring i resistens tillader SFCL at hurtigt reagere på fejlstrømme, begrænse deres størrelse og derved sikre integriteten af strømsystemet.

For at bedre forstå funktionerne af SFCLs, overvej følgende eksempel på en motor forbundet inden for et elektrisk system og strategisk placering af en fejlstrøm begrænser.

Partikel Sværm Optimering

Partikel Sværm Optimering (PSO) viser bemærkelsesværdige parallelle med evolutionære beregningsmetoder som Genetiske Algoritmer (GA). I begyndelsen initialiserer PSO en population af tilfældige kandidat-løsninger inden for et søgemellemrum. Disse løsninger, ofte konceptualiseret som "partikler," navigerer derefter gennem søgemellemrummet, iterevis opdaterer deres positioner og hastigheder. Gennem denne dynamiske proces med selvjustering og interaktion med nabopartikler, udforsker systemet løsemellemrummet systematisk, gradvist konvergerer hen imod optimale eller nær-optimal løsninger.