Kortslutningsstrømbegrænsning i kraftsystemer og anvendelsen af fejlstrømbegrænsere (FCL)

0 Introduktion​
Med udviklingen af kraftsystemer og stigende belastningskrav har integrationen af store kapacitetsenheder og understationsudstyr – især fremkomsten af store kraftværker i belastningscentre og interkonnektionsforbindelser mellem store kraftsystemer – uundgåeligt ført til en konstant stigning i kortslutningsstrømniveauer. Uden effektive begrænsningsforanstaltninger ville denne tendens ikke kun betyde en markant stigning i udstyrinvesteringer for nye understationer, men også have alvorlige konsekvenser for kommunikationslinjer og rørledninger i eksisterende understationsanlæg, hvilket potentielt ville kræve betydelige midler til modernisering og opgradering.

I de tidlige faser af systemudviklingen, hvor systemkapaciteten er lille og kortslutningsstrømniveauerne lave, kan øgede kortslutningsstrømme ofte håndteres ved at erstatte skærmingsenheder – andet understationsudstyr har ofte tilstrækkelig margen på dette stadium. Når imidlertid kraftsystemkapaciteten er stor, kortslutningsniveauer høje, og kortslutningsstrømme fortsat stiger på grund af systeminterkonnektion eller yderligere kapacitetsudvidelse, er det ikke længere tilstrækkeligt at blot erstatte afbrydere. Eksisterende understationer kan være nødt til ikke blot at erstatte afbrydere, men også forbedre eller erstatte hovedtransformatorer, skærmingsenheder, måletransformatorer, busbarer, isolatorer, konstruktioner, fundamenter og jordforbindelsessystemer. Desuden kan kommunikationslinjer være nødt til at blive skjult eller endda konverteret til underjordiske kommunikationskabler.

På grund af forskellige faktorer bliver der stadig integreret nye store kapacitetsenheder og kraftværker i 220kV-nettet, hvilket fører til en ekstremt hurtig stigning i kortslutningsstrømniveauer. Afbrudsdygtigheden og dynamiske stabilitetsydeevnen for mange 220kV-afbrydere – og endda hele understationer – kan ikke længere matche de stigende kortslutningsniveauer, hvilket skaber alvorlige tekniske og økonomiske udfordringer. Forskning i begrænsning af kortslutningsstrøm er derfor akut påkrævet.

​1 Traditionelle strømbegrænsningsforanstaltninger og deres begrænsninger​
Kortslutningsstrømbegrænsning kan behandles fra perspektiverne systemstruktur, drift og udstyr. Traditionelle foranstaltninger inkluderer følgende kategorier, men hver har betydelige begrænsninger:

• ​a. Justering af netstruktur​
  Inkluderer udvikling af højspændingsnet, deling af lavspændingsnet/busbarer, og netadskillelse.
• Udvikling af højspændingsnet: Kræver store investeringer og indebærer miljøhensyn.
• Deling/adskillelse af lavspændingsnet: Enkel at implementere med betydelige strømbegrænsningsvirknings, men reducerer systemsikkerhedsmargener og begrænser driftsflexibilitet, gør det kun passende for nødvendige situationer.
• ​b. DC-interkonnektionsteknologi​
  DC-interkonnektion kan betydeligt reducere kortslutningsstrøm, men investeringen i omsætningsstationer på begge ender er ekstremt høj. For korte interkonnektioner med lav strømudveksling er denne løsning økonomisk uigenkaldelig.
• ​c. Højimpedansetransformatorer​
  Brug af højimpedansetransformatorer til at begrænse kortslutningsstrøm på lavspændings siden er en ofte anvendt foranstaltning. Disse transformatorer viser dog højere tab under stabil drift, hvilket påvirker systemøkonomi.
• ​d. Seriereaktorer​
  Seriereaktorer, med moden produktionsteknologi og klare strømbegrænsningsvirkninger, bruges allerede i hjælpesystemer i kraftværker og 10–35kV-understationer. Deres anvendelse i ultra-højspændingssystemer øger dog nettetstab og reducerer systemstabilitet, hvilket begrænser deres egnethed.
• ​e. Kapacitetsudvidelse og ombygning af udstyr​
  Erstatning af afbrydere og ombygning af eksisterende understationer for at håndtere højere kortslutningsstrømmer løser problemet direkte, men indebærer høje investeringer og kompleks byggeproces, hvilket resulterer i dårlig økonomisk effektivitet og tidspresser.

Med tanke på de betydelige begrænsninger ved traditionelle foranstaltninger, er det blevet presserende at udvikle nye strømbegrænsningsenheder, der passer til moderne kraftsystemer. Fejlstrømbegrænser (FCL) er opstået som en løsning og er også en vigtig komponent i Flexible AC Transmission Systems (FACTS).

​2 Anvendelse af Fejlstrømbegrænsere (FCL) i kraftsystemer​

​2.1 Model og grundlæggende principper for FCL​
Det grundlæggende princip bag FCL er afledt fra seriereaktorstrømbegrænsningsteknologi, forbedret med effektelektronik for at overkomme ulemper ved traditionelle seriereaktorer (f.eks. høje stabiltab og indflydelse på systemstabilitet). Dens kerne-model kan abstraheres som: "Ingen reaktance under normal drift; hurtig indsættelse af reaktance under fejl for at begrænse strøm."

• Normal drift: Skiftende enhed lukket, FCL's ækvivalent impedans nær nul, ingen indflydelse på systemet.
• Fejltilstand: Hurtig åbning af skifter, indsættelse af strømbegrænsningsreaktor for at dæmpe kortslutningsstrøm.

Kernekomponenterne i FCL inkluderer fire nøgleelementer:

1. Hurtig fejlstrømdetektorelement: Overvåger systemstrømmen i realtid og identificerer kortslutningsfejl hurtigt.
2. Hurtig skiftende enhed: Handlinger hurtigt under fejl for at skifte mellem "ingen reaktance" og "reaktance"-tilstande.
3. Strømbegrænsningsreaktor: Kerne-strømbegrænsningskomponent, dæmper kortslutningsstrøm gennem impedans.
4. Overspændingsbeskyttelseselement: Forebygger overspænding under fejl-skift, beskytter systemudstyr.

​2.2 Funktioner og designkrav for FCL​

​2.2.1 Kernefunktioner for FCL​
FCL giver en ny tilgang til strømbegrænsning i kraftsystemer og er en vigtig komponent i moderne kraftsystemer. Dens fordele inkluderer:

• Nedsættelse af afbrydersbelastning: Højere spændingsniveauer svarer til større, sværere at afbryde fejlstrøm. FCL reducerer direkte afbrydelsesstrømmen for afbrydere, forlænger udstyrs levetid.
• Forbedring af systemstabilitet: Hurtig begrænsning af kortslutningsstrøm reducerer linjespændingsnedgang og generatornes risiko for at miste trin, forbedrer strømangle, spænding og frekvensstabilitet.
• Øget udnyttelse af udstyr og linjer: Hvis FCL handler inden kortslutningsstrømmen nås sit maksimum, reducerer det kravene til termisk og dynamisk stabilitetsgrænser, hvilket øger de faktiske transmissionskapaciteter for linjer.
• Optimering af spændingskvalitet: Hurtig strømbegrænsning inden fejlafhjælpning forkorter spændingsnedgangsvarighed på ikke-fejlramte linjer, sikrer nettets spændingsstabilitet.
• Nedsættelse af støj på omkringliggende anlæg: Begrænsning af kortslutningsstrøm i højspændingsnet reducerer elektromagnetisk støj på nærliggende kommunikationslinjer og jernbanesignalsystemer.

​2.2.2 Designkrav for FCL​
For at tilpasse sig kraftsystemers driftsegenskaber, skal FCL opfylde følgende designstandarder:

• Ingen indflydelse på systemet under normal drift (spændingsnedgang nær nul).
• Hurtig respons under fejl (indeni 1–2 ms), begrænser både top- og stabilstrøm uden bivirkninger som overspænding.
• Automatisk nulstilling efter fejlafhjælpning uden manuel intervention.
• Ingen forstyrrelse af den normale driftslogik for beskyttelsesrelæer.
• Rimelig kost og høj kostnadseffektivitet, opfylder behov for anvendelse i utility-engineering.

​2.3 Sammenligning af forskellige FCL-implementeringsschemas​

​2.3.1 Schemaliste​

• ​Konklusion: Ny materialebaserede (specielt superledende) og effektelektronikbaserede FCL'er er i øjeblikket de optimale løsninger. Den sidste er enkel og pålidelig, men begrænset af materialeteknologi; den anden tilbyder stærk kontrollabilitet, og med faldende effektelektronikkost er det blevet ingeniørpraktisk, gør det den mest lovende R&D-retning.

​2.5 Fremtidige forskningsretninger for FCL​
Fremtidig forskning på FCL bør fokusere på "prestationsoptimering, funktionsintegration og ingeniørtilpasning." Vigtige retninger inkluderer:

1. Kontinuerligt justerbare impedanskonvertere: Går ud over den nuværende "to-tilstands impedans (nul eller uendelig)" begrænsning for at udvikle responsiv, kontinuerligt justerbare impedanskonvertere, der dynamisk matcher højere impedans med større fejlstrøm. Disse bør også inkorporere effektfaktorkompensation og overspændingsabsorption, kombineret med kontrolteorier (f.eks. negativ feedback, PID-kontrol) for at forbedre systemautomatisering.
2. Integration med FACTS-kontroller: Udvikling af samlede kontrolenheder, der kombinerer FCL med andre FACTS-komponenter (f.eks. SVG, SVC) for at forbedre den samlede kostnadseffektivitet og fremme kontrollerbare AC-transmissions- og distributionsystemer.
3. Vigtige teknologigennembrud:
• Indflydelsesmekanismer for FCL på kraftsystemets stabilitet.
• Koordineringslogik mellem FCL og beskyttelsesrelæer.
• Optimering af ultra-hurtige fejl-signal-detectionsystemer og -kontroller.
• Effekter af FCL på strømkvalitet (f.eks. harmonier, spændingsfluktueringer) og mildringstiltag.

​3 Konklusion​

• a. Begrænsning af kortslutningsstrøm i kraftsystemer er blevet et afgørende problem, der kræver øjeblikkelig løsning. Som et nyt beskyttelsesudstyr tilbyder Fejlstrømbegrænser (FCL) en effektiv løsning, og udvikling af FCL'er, der passer til moderne net, har betydelig teoretisk og ingeniørpraktisk værdi.
• b. Effektelektronikbaserede FCL'er har allerede en teoretisk grundlag og ingeniørpraktisk anvendelse. Deres fremragende kontrolevne og faldende priser på effektelektronikindustrien tyder på bred udviklingspotentiel.
• c. Med den fremadvandede udvikling af FACTS/CusPow-teknologier, bør FCL – som en nøglemedlem af FACTS-familien – ikke blot uafhængigt løse strømbegrænsningsproblemer i transmissions- og distributionsnet, men også samarbejde med andre FACTS-kontroller for at yderligere fremme udviklingen af kontrollerbare AC-transmissions- og distributionsystemer.