Kortsluitstroombeperking in kragstelsels en die toepassing van foutstroombeperkers (FCL)

0 Inleiding​
Met die ontwikkeling van kragstelsels en toenemende belastingvrae, het die integrasie van grootkapasiteits opwekkingseenhede en transformatorposisie toerusting - veral die verskyning van groot kragstasies in belastingsentra en die interverbinding van groot kragstelsels - onvermydelik gelei tot 'n voortdurende styging in kortsluitstroomvlakke. Sonder effektiewe beperkingsmaatreëls, sou hierdie tendens nie net die toerustingbeleggings vir nuwe transformatorposisies beduidend verhoog nie, maar ook ernstig impak hê op kommunikasie-lyne en -pipe van bestaande transformatorposisietoerusting, wat aansienlike fondse vir herstel en opgradering kan vereis.

Tydens die vroeë stadium van stelselontwikkeling, wanneer die stelselkapasiteit klein is en kortsluitstroomvlakke laag, kan toenemende kortsluitstromme gewoonlik aangespreek word deur skakeltoestelle te vervang - ander transformatorposisietoerusting het dikwels genoeg reserveruimte tydens hierdie stadium. Wanneer egter die kragstelselkapasiteit groot is, kortsluitvlakke hoog is, en kortsluitstromme voortdurend styg as gevolg van stelselinterverbinding of verdere kapasiteitsuitbreiding, is dit nie langer voldoende om net skakelaars te vervang nie. Bestaande transformatorposisies mag nie net skakelaarvervanging nodig hê nie, maar ook verbeterings of vervanging van hooftransformateurs, afskakelaars, meettransformateurs, busbars, isolators, strukture, grondwerke, en grondstelsels. Daarbenewens mag kommunikasie-lyne beskerming benodig of selfs oorgang na ondergrondse kommunikasiekabels.

As gevolg van verskeie faktore, bly nuwe grootkapasiteits opwekkingseenhede en kragstasies voortdurend geïntegreer word in die 220kV-netwerk, wat lei tot 'n buitensporig vinnige styging in kortsluitstroomvlakke. Die onderbreekkapasiteit en dinamiese stabiliteit van baie 220kV-skaaklaars - en selfs van hele transformatorposisies - kan nie meer by die stygende kortsluitvlakke pas nie, wat ernstige tegniese en ekonomiese uitdagings skep. Navorsing oor kortsluitstroombeperking is dus dringend nodig.

​1 Tradisionele Stroombeperkingsmaatreëls en Hul Beperkings​
Kortsluitstroombeperking kan vanuit die perspektief van stelselstruktuur, operasie, en toerusting aangespreek word. Tradisionele maatreëls sluit die volgende in, maar elkeen het beduidende beperkings:

• ​a. Aanpassing van Netwerkstruktuur​
  Sluit in die ontwikkeling van hoërspanningsnetwerke, spitting van laerspanningsnetwerke/busbars, en netwerkspitting.
• Ontwikkeling van hoërspanningsnetwerke: Vereis groot beleggings en het omgewingsbesorgdhede.
• Laerspanningsnetwerkspitting/spitting: Eenvoudig om te implementeer met beduidende stroombeperkende effekte, maar verminder die veiligheidsmarges van die stelsel en beperk operasie flexibiliteit, wat dit slegs geskik maak vir nodige situasies.
• ​b. DC Interverbindingstegnologie​
  DC interverbinding kan kortsluitstrome betekenisvol verminder, maar die belegging in omskakelaars aan beide ende is uiterst hoog. Vir kort interverbindinge met lae kraguitruil is hierdie oplossing ekonomies onuitvoerbaar.
• ​c. Hoë Impedansie Transformateurs​
  Die gebruik van hoë impedansie transformateurs om kortsluitstrome aan die laerspanningskant te beperk, is 'n algemeen aangename maatreël. Hierdie transformateurs vertoon egter hoër verliese tydens stabiele operasie, wat die ekonomie van die stelsel beïnvloed.
• ​d. Reeksreaktore​
  Reeksreaktore, met volwasse vervaardigingstegnologie en duidelike stroombeperkende effekte, word reeds in kragstasie hulpstelsels en 10–35kV transformatorposisies gebruik. Hulle toepassing in ultra-hoërspanningsstelsels verhoog egter netwerkverliese en verminder stelselstabiliteit, wat hul geskiktheid beperk.
• ​e. Toerusting Kapasiteitsuitbreiding en Opgradering​
  Skakelaarvervanging en opgradering van bestaande transformatorposisies om hoër kortsluitstrome te hanteer, spreek die probleem direk aan, maar vereis groot beleggings en komplekse konstruksie, wat gevolglik swak ekonomiese doeltreffendheid en tydigheid het.

Gegewe die beduidende beperkings van tradisionele maatreëls, het die ontwikkeling van nuwe stroombeperkende toestelle aangepas aan moderne kragstelsels 'n noodsaak geword. Die Foutstroom Beperker (FCL) het as 'n oplossing opgeduik en is ook 'n belangrike komponent van Vigsame AC Oordragstelsels (FACTS).

​2 Toepassing van Foutstroom Beperkers (FCL) in Kragstelsels​

​2.1 Model en Basiese Beginsels van FCL​
Die basiese beginsel van FCL is afgelei van reeksreaktor-stroombeperkende tegnologie, verbeter met krag-elektronika om die nadele van tradisionele reeksreaktore (bv. hoë stabiele verliese en impak op stelselstabiliteit) te oorkom. Sy kernmodel kan geabstraheer word as: "Geen reactansie tydens normale operasie; vinnige invoering van reactansie tydens foute om stroom te beperk."

• Normale operasie: Skakeltoestel toe, FCL gelykstaande impedansie naby nul, geen impak op die stelsel nie.
• Fouttoestand: Skakel vinnig oop, inset die stroombeperkende reaktor om kortsluitstroom te onderdruk.

Die kernkomponente van FCL sluit vier sleutel elemente in:

1. Vinnige foutstroomdeteksie element: Moniteer stelselstroom in real-time en identifiseer vinnig kortsluitfoute.
2. Vinnige skakeltoestel: Handel vinnig tydens foute om tussen "geen reactansie" en "reactansie" toestande te switsover.
3. Stroombeperkende reaktor: Kern stroombeperkende komponent, onderdruk kortsluitstroom deur middel van impedansie.
4. Oorgrootspanningsbeskerming element: Voorkom oorgrootspanning tydens foutsituasie, beskerm stelseltoerusting.

​2.2 Funkcies en Ontwerpvereistes van FCL​

​2.2.1 Kernfunksies van FCL​
FCL bied 'n nuwe benadering tot foutstroombeperking in kragstelsels en is 'n kritieke komponent van moderne kragstelsels. Sy voordele sluit in:

• Vermindering van skakelaarbelasting: Hoër spanningsvlakke stem ooreen met groter, moeiliker te onderbreek foutstrome. FCL verminder direk die onderbreekstroom van skakelaars, verleng toerustingleeftyd.
• Verbetering van stelselstabiliteit: Vinnige beperking van kortsluitstrome verminder lynspanningsval en generator out-of-step waarskynlikhede, verhoog kraghoek, spannings- en frekwensiestabiliteit.
• Verhoging van toerusting en lynbenutting: As FCL handel voor die piek van die kortsluitstroom, verminder dit die eise vir termiese en dinamiese stabiliteit, wat die werklike oordragkapasiteit van lyne verhoog.
• Optimering van spanningskwaliteit: Vinnige stroombeperking voor foutklaring verkort die spanningsvalduur op nie-foutlyne, verseker roosterspanningsstabiliteit.
• Vermindering van interferensie met omringende fasiliteite: Beperking van kortsluitstrome in hoërspanningsnetwerke verminder elektromagnetiese interferensie met nabye kommunikasie-lyne en spoorwegsignaalstelsels.

​2.2.2 Ontwerpvereistes vir FCL​
Om aan te pas te wees aan kragstelsel operasiekenmerke, moet FCL die volgende ontwerpstandaarde bevredig:

• Geen impak op die stelsel tydens normale operasie (spanningsval naby nul).
• Vinnige reaksie tydens foute (binne 1–2 ms), beperk beide piek en stabiele kortsluitstrome sonder neveneffekte soos oorgrootspanning.
• Outomatiese herstel na foutklaring sonder menslike intervensie.
• Geen interferensie met die normale operasie logika van beskermrelais nie.
• Redelike koste en hoë koste-doeltreffendheid, bevredig nutsbedryfsingenieurs-toepassingsbehoeftes.

​2.3 Vergelyking van Verskeie FCL Implementeringsopsies​

​2.3.1 Opsie Vergelyking​

• ​Gevolgtrekking: Nuwe materiaal gebaseerde (veral supergeleiende) en krag-elektronika gebaseerde FCL's is tans die optimale oplossings. Die eerste is eenvoudig en betroubaar, maar beperk deur materiaaltegnologie; die laaste bied sterke kontrole, en met dalende krag-elektronika koste, is dit ingenieurslik uitvoerbaar, wat dit die mees beloftevolle navorsingsrigting maak.

​2.5 Toekomstige Navorsingsrigtings vir FCL​
Toekomstige navorsing oor FCL moet gefokus wees op "prestasie-optimering, funksionele integrasie, en ingenieurslike aanpassing." Sleutelrigtings sluit in:

1. Voortdurend verstelbare impedansie omskakelaars: Beweeg voorby die huidige "twee-toestand impedansie (nul of oneindig)" beperking om responsiewe, voortdurend verstelbare impedansie omskakelaars te ontwikkel wat dinamies hoër impedansie pas by groter foutstrome. Hierdie moet ook kragfaktor-kompensasie en oorgrootspannings-absorpsie insluit, gekombineer met beheerteorieë (bv. negatiewe terugvoer, PID-beheer) om stelsel-outomatisering te verhoog.
2. Integrasie met FACTS-beskermers: Ontwikkeling van omvattende beheertoestelle wat FCL met ander FACTS-komponente (bv. SVG, SVC) combineer om algehele koste-doeltreffendheid te verbeter en beheerbare AC-oordrag- en -verspreidingsstelsels te bevorder.
3. Sleuteltegnologiese deurgange:
• Impak-mekanisme van FCL op kragstelselstabiliteit.
• Samewerkingslogika tussen FCL en beskermrelais.
• Optimering van ultra-vinnige foutsignaal-deteksiesisteme en -bestuurders.
• Effekte van FCL op kragkwaliteit (bv. harmoniese, spanningsfluktuasies) en verligtingsmaatreëls.

​3 Gevolgtrekking​

• a. Kortsluitstroombeperking in kragstelsels het 'n kritieke kwessie geword wat dringend aangespreek moet word. As 'n nuwe beskermtoestel bied die Foutstroom Beperker (FCL) 'n effektiewe oplossing, en die ontwikkeling van FCL's aangepas aan moderne netwerke het beduidende teoretiese en ingenieurslike waarde.
• b. Krag-elektronika gebaseerde FCL's het reeds 'n teoretiese grondslag en ingenieurslike praktisiteit. Hul uitsonderlike beheerprestasie en dalende koste van krag-elektronika toestelle dui op 'n breë ontwikkelingsperspektief.
• c. Met die voortgaande ontwikkeling van FACTS/CusPow-tegnologie, moet FCL - as 'n sleutellid van die FACTS-familie - nie net onafhanklik kortsluitstroomprobleme in oordrag- en -verspreidingsnetwerke aanspreek nie, maar ook saam met ander FACTS-beskermers werkte om die ontwikkeling van beheerbare AC-oordrag- en -verspreidingsstelsels verder te bevorder.