Kortsluitstroombeperking in elektriciteitsnetwerken en de toepassing van foutstroombeperkers (FCL)

0 Inleiding​
Met de ontwikkeling van elektriciteitsnetwerken en toenemende belastingsvragen, heeft de integratie van grote opwekkingseenheden en substationapparatuur - vooral de opkomst van grote energiecentrales in belastingscentra en de interconnectie van grote elektriciteitsnetwerken - onvermijdelijk geleid tot een continue stijging van de korte-sluitlevels. Zonder effectieve beperkingsmaatregelen zou deze trend niet alleen de apparatuurinvesteringen voor nieuwe substations aanzienlijk verhogen, maar ook ernstig invloed hebben op communicatielijnen en leidingen van bestaande substationfaciliteiten, wat mogelijk aanzienlijke fondsen voor renovatie en modernisering vereist.

In de vroege stadia van systeemontwikkeling, wanneer het systeemcapaciteit klein is en de korte-sluitlevels laag zijn, kan de toename van korte-sluitstromen meestal worden aangepakt door schakelapparaten te vervangen - andere substationapparatuur heeft vaak voldoende marge op dit moment. Echter, wanneer het vermogen van het elektriciteitsnetwerk groot is, de korte-sluitlevels hoog zijn en de korte-sluitstromen blijven stijgen door systeeminterconnectie of verdere capaciteitsuitbreiding, is het eenvoudigweg vervangen van circuitbrekers niet langer voldoende. Bestaande substations kunnen niet alleen circuitbrekerreparaties nodig hebben, maar ook verbeteringen of vervangingen van hoofdtransformatoren, afschakelaars, meettransformatoren, busbars, isolatoren, constructies, funderingen en aardingsystemen. Daarnaast kunnen communicatielijnen beveiliging of zelfs omzetting naar ondergrondse communicatiekabels nodig hebben.

Wegens diverse factoren blijven er nieuwe grote opwekkingseenheden en energiecentrales geïntegreerd worden in het 220kV-net, wat leidt tot een buitensporig snelle toename van de korte-sluitlevels. Het onderbrekend vermogen en de dynamische stabiliteitsprestaties van talrijke 220kV-circuitbrekers - en zelfs van hele substations - kunnen niet langer overeenkomen met de stijgende korte-sluitlevels, wat serieuze technische en economische uitdagingen creëert. Onderzoek naar korte-sluitstroombeperking is daarom dringend nodig.

​1 Traditionele Stroombeperkingsmaatregelen en Hun Beperkingen​
Korte-sluitstroombeperking kan worden benaderd vanuit de perspectieven van systeemstructuur, bedrijfsvoering en apparatuur. Traditionele maatregelen omvatten de volgende categorieën, maar elk heeft aanzienlijke beperkingen:

• ​a. Aanpassing van Netwerkstructuur​
  Omvat het ontwikkelen van hogespanningsnetwerken, splitsen van lagespanningsnetwerken/busbars en netwerkafsplitsing.
• Hogespanningsnetwerken ontwikkelen: Vereist grote investeringen en brengt milieuzorgen met zich mee.
• Lagespanningsnetwerksplitsing/afsplitsing: Eenvoudig te implementeren met aanzienlijke stroombeperkende effecten, maar vermindert de veiligheidsmarges van het systeem en beperkt de operationele flexibiliteit, waardoor het alleen geschikt is voor noodzakelijke scenario's.
• ​b. DC-Interconnectietechnologie​
  DC-interconnectie kan korte-sluitstromen aanzienlijk verminderen, maar de investering in omschakelstations aan beide zijden is uiterst hoog. Voor korte interconnecties met weinig vermogensuitwisseling is deze oplossing economisch onhaalbaar.
• ​c. Hoogimpedantietransformatoren​
  Het gebruik van hoogimpedantietransformatoren om korte-sluitstromen aan de lagespanningskant te beperken is een veel toegepaste maatregel. Deze transformatoren vertonen echter hogere verliezen tijdens stabiele bedrijfsomstandigheden, wat de economie van het systeem beïnvloedt.
• ​d. Reeksspoelen​
  Reeksspoelen, met een gerijpte productietechnologie en duidelijke stroombeperkende effecten, worden al gebruikt in hulpstroomsystemen van energiecentrales en 10–35kV-substations. Echter, hun toepassing in ultra-hogespanningssystemen verhoogt netwerkverliezen en vermindert de systeemstabiliteit, waardoor hun geschiktheid beperkt is.
• ​e. Apparatuurcapaciteitsuitbreiding en Modernisering​
  Circuitbrekers vervangen en bestaande substations moderniseren om hogere korte-sluitstromen te hanteren, adresseren het probleem direct, maar vergen hoge investeringen en complexe constructie, wat resulteert in slechte economische efficiëntie en tijdigheid.

Gezien de aanzienlijke beperkingen van traditionele maatregelen, is het ontwikkelen van nieuwe stroombeperkende apparaten die aangepast zijn aan moderne elektriciteitsnetwerken onvermijdelijk geworden. De Fault Current Limiter (FCL) is als oplossing verschenen en is ook een belangrijk onderdeel van Flexible AC Transmission Systems (FACTS).

​2 Toepassing van Fault Current Limiters (FCL) in Elektriciteitsnetwerken​

​2.1 Model en Basisprincipes van FCL​
Het basisprincipe van FCL is afgeleid van reeksspoelstroombeperkende technologie, verbeterd met power electronics om de nadelen van traditionele reeksspoelen (bijvoorbeeld hoge verliezen in stabiele toestand en impact op systeemstabiliteit) te overwinnen. Het kernmodel kan worden geabstraheerd als: "Geen reactantie tijdens normale bedrijfsomstandigheden; snelle invoering van reactantie tijdens storingen om stroom te beperken."

• Normale bedrijfsomstandigheden: Schakelapparaat gesloten, equivalent impedantie van FCL bijna nul, geen impact op het systeem.
• Storingstoestand: Schakelaar opent snel, invoert de stroombeperkende spoel om korte-sluitstroom te onderdrukken.

De kerncomponenten van FCL omvatten vier belangrijke elementen:

1. Snel stroomdetectie-element voor storingen: Monitort de systeemstroom in real-time en identificeert snel kortsluitingen.
2. Snel schakelapparaat: Handelt snel tijdens storingen om tussen de toestanden "geen reactantie" en "reactantie" te schakelen.
3. Stroombeperkende spoel: Kernstroombeperkend component, onderdrukt korte-sluitstroom via impedantie.
4. Overspanningsbeveiligingselement: Voorkomt overspanningen tijdens storingsschakeling, beschermt systeemapparatuur.

​2.2 Functies en Ontwerpvereisten van FCL​

​2.2.1 Kernfuncties van FCL​
FCL biedt een nieuwe benadering voor stroombeperking bij storingen in elektriciteitsnetwerken en is een cruciaal onderdeel van moderne elektriciteitsnetwerken. De voordelen omvatten:

• Vermindering van de belasting op circuitbrekers: Hogere spanningniveaus corresponderen met grotere, moeilijker te onderbreken stroomstoren. FCL vermindert direct de onderbrekende stroom van circuitbrekers, waardoor de levensduur van apparatuur wordt verlengd.
• Verbetering van systeemstabiliteit: Snelle beperking van korte-sluitstromen vermindert spanningsval op lijnen en de kans op generator-out-of-step, wat de stabiliteit van vermogenshoek, spanning en frequentie verhoogt.
• Toename van de benutting van apparatuur en lijnen: Als FCL werkt voordat de korte-sluitstroom piekt, vermindert het de eisen voor thermische en dynamische stabiliteitslimieten, waardoor de daadwerkelijke transportcapaciteit van lijnen toeneemt.
• Optimalisatie van spanningkwaliteit: Snelle stroombeperking voordat de storing wordt opgeruimd, verkort de duur van spanningsslag op niet-storinglijnen, waardoor de spanningstabiliteit van het net wordt gewaarborgd.
• Vermindering van interferentie met nabijgelegen faciliteiten: Beperking van korte-sluitstromen in hogespanningsnetwerken vermindert elektromagnetische interferentie met nabijgelegen communicatielijnen en spoorwegsignaleringssystemen.

​2.2.2 Ontwerpvereisten voor FCL​
Om aan de bedrijfskenmerken van elektriciteitsnetwerken te voldoen, moet FCL aan de volgende ontwerpstandaarden voldoen:

• Geen impact op het systeem tijdens normale bedrijfsomstandigheden (spanningsval bijna nul).
• Snelle respons tijdens storingen (binnen 1–2 ms), beperkt zowel de piek- als de stabiele korte-sluitstroom zonder neveneffecten zoals overspanning.
• Automatische reset na storingopruiming zonder handmatige ingreep.
• Geen interferentie met de normale bedrijfslogica van beschermingsrelais.
• Redelijke kosten en hoge kosteneffectiviteit, voldoet aan de behoeften van nutsbedrijfsingenieurs.

​2.3 Vergelijking van Verschillende FCL-implementatieschema's​

​2.3.1 Schemevergelijking​

• ​Conclusie: Nieuwe materiaalgebaseerde (vooral supergeleidend) en power electronics-gebaseerde FCL's zijn momenteel de optimale oplossingen. De eerste is eenvoudig en betrouwbaar, maar beperkt door materiaaltegnologie; de laatste biedt sterke controles, en met dalende power electronics-kosten is het technisch haalbaar geworden, waardoor het de meest veelbelovende R&D-richting is.

​2.5 Toekomstige Onderzoeksrichtingen voor FCL​
Toekomstig onderzoek naar FCL moet zich richten op "prestatieoptimalisatie, functionele integratie en technische adaptatie." Belangrijke richtingen omvatten:

1. Continu aanpasbare impedantieconverters: Gaan verder dan de huidige "twee-toestands-impedantie (nul of oneindig)" beperking om responsieve, continu aanpasbare impedantieconverters te ontwikkelen die dynamisch hogere impedantie matchen met grotere storingstromen. Deze moeten ook cosinusphi-compensatie en overspanningsabsorptie bevatten, gecombineerd met controletheorieën (bijvoorbeeld negatieve feedback, PID-controle) om de automatisering van het systeem te verbeteren.
2. Integratie met FACTS-regelaars: Ontwikkeling van geïntegreerde regelapparatuur die FCL combineert met andere FACTS-componenten (bijvoorbeeld SVG, SVC) om de algemene kosteneffectiviteit te verbeteren en de ontwikkeling van bestuurbaar AC-verzend- en distributiesystemen te bevorderen.
3. Doorbraak in sleuteltechnologieën:
• Impactmechanismen van FCL op de stabiliteit van elektriciteitsnetwerken.
• Coördinatie-logica tussen FCL en beschermingsrelais.
• Optimalisatie van ultrasnelle storingssignaal detectiesystemen en regelaars.
• Effecten van FCL op kwaliteit van elektriciteit (bijvoorbeeld harmonischen, spanningsschommelingen) en verlichtingsmaatregelen.

​3 Conclusie​

• a. Korte-sluitstroombeperking in elektriciteitsnetwerken is een cruciale kwestie die dringend moet worden aangepakt. Als nieuw beschermingsapparaat biedt de Fault Current Limiter (FCL) een effectieve oplossing, en het ontwikkelen van FCL's die aangepast zijn aan moderne netwerken heeft aanzienlijke theoretische en technische waarde.
• b. Power electronics-gebaseerde FCL's hebben al een theoretische basis en technische haalbaarheid. Hun uitstekende controleprestaties en dalende kosten van power electronics-apparatuur wijzen op breed ontwikkelingsperspectief.
• c. Met de voortgaande ontwikkeling van FACTS/CusPow-technologieën, moet FCL - als een belangrijk lid van de FACTS-familie - niet alleen onafhankelijk stroombeperkingsproblemen in verzend- en distributienetten aanpakken, maar ook samenwerken met andere FACTS-regelaars om de ontwikkeling van bestuurbaar AC-verzend- en distributiesystemen verder te bevorderen.