Strømavbruddsstrømbegrensning i kraftsystemer og bruk av feilstrømbegrenser (FCL)

0 Innledning​
Med utviklingen av kraftsystemer og økende belastningsbehov, integrering av store genereringsenheter og understasjonsutstyr – spesielt oppkomsten av store kraftverk i belastningsentre og tilkobling av store kraftsystemer – har dette uunngåelig ført til en kontinuerlig stigning i kortslutningsstrømnivåer. Uten effektive begrensingsforanstaltninger vil denne tendensen ikke bare føre til betydelig økt utstyrsinvestering for nye understasjoner, men også påvirke kommunikasjonslinjer og rør i eksisterende understasjonsanlegg, potensielt med behov for store midler for ombygging og oppgradering.

I de tidlige fasene av systemutviklingen, når systemkapasiteten er liten og kortslutningsstrømnivået er lavt, kan økte kortslutningsstrømer ofte håndteres ved å erstatte skruvedrager – annet understasjonsutstyr har ofte tilstrekkelig marg for dette stadium. Når kraftsystemkapasiteten er stor, kortslutningsnivåer er høye, og kortslutningsstrømer fortsetter å stige på grunn av systemtilkobling eller videre kapasitetsutvidelse, er det imidlertid ikke lenger nok å bare erstatte sirkuitbrytere. Eksisterende understasjoner kan kreve ikke bare erstatning av sirkuitbrytere, men også forbedring eller erstatning av hovedtransformatorer, diskoventilatorer, måletransformatorer, busser, isolatører, konstruksjoner, fundament og jordingsystemer. I tillegg kan kommunikasjonslinjer trenger skjerming eller enda konvertering til underjordiske kommunikasjonskabler.

På grunn av ulike faktorer, blir nye store genereringsenheter og kraftverk fortsatt integrert i 220kV-nettet, noe som fører til en for hurtig stigning i kortslutningsstrømnivåer. Avbrytningskapasiteten og dynamisk stabilitetsytelsen til mange 220kV-sirkuitbrytere – og selv hele understasjoner – kan ikke lenger matche den stigende kortslutningsnivåen, noe som skaper alvorlige tekniske og økonomiske utfordringer. Forskning på begrensning av kortslutningsstrøm er derfor presserende nødvendig.

​1 Tradisjonelle strømbegrensingsforanstaltninger og deres begrensninger​
Kortslutningsstrømbegrensning kan håndteres fra perspektiver av systemstruktur, drift og utstyr. Tradisjonelle foranstaltninger inkluderer følgende kategorier, men hver har betydelige begrensninger:

• ​a. Justering av nettstruktur​
  Inkluderer utvikling av høyere spenningsnett, splitting av lavspenningsnett/busser, og nettseparasjon.
• Utvikling av høyere spenningsnett: Krever store investeringer og innebærer miljøhensyn.
• Splitting/separasjon av lavspenningsnett: Enkel å implementere med signifikant strømbegrensende effekt, men reduserer sikkerhetsmarginer i systemet og begrenser driftsflexibilitet, gjør det passende kun for nødvendige situasjoner.
• ​b. DC-tilkoblingsteknologi​
  DC-tilkobling kan redusere kortslutningsstrøm betydelig, men investeringen i omslagstasjoner på begge ender er ekstremt høy. For korte tilkoblinger med lav strømveksling er denne løsningen økonomisk uforholdsmessig.
• ​c. Høyimpedansetransformatorer​
  Bruk av høyimpedansetransformatorer for å begrense kortslutningsstrøm på lavspennings siden er en vanlig innført foranstaltning. Disse transformatorer viser imidlertid høyere tap under stabil drift, noe som påvirker systemøkonomi.
• ​d. Seriereaktorer​
  Seriereaktorer, med moden produksjonsteknologi og klare strømbegrensende effekter, er allerede i bruk i hjelpesystemer for kraftverk og 10–35kV-understasjoner. Deres bruk i ultra-høy-spennings-systemer øker nettetap og reduserer systemstabilitet, noe som begrenser deres egnethet.
• ​e. Utstyrskapasitetsutvidelse og ombygging​
  Erstatning av sirkuitbrytere og ombygging av eksisterende understasjoner for å håndtere høyere kortslutningsstrøm angriper problemet direkte, men involverer høy investering og kompleks konstruksjon, noe som resulterer i dårlig økonomisk effektivitet og tidsmessighet.

Gitt de betydelige begrensningene til tradisjonelle foranstaltninger, har utvikling av nye strømbegrensende enheter tilpasset moderne kraftsystemer blitt nödvendig. Feilstrømbegrenser (FCL) har dukket opp som en løsning og er også et viktig komponent i Fleksible AC OverføringsSystemer (FACTS).

​2 Bruk av feilstrømbegrenser (FCL) i kraftsystemer​

​2.1 Modell og grunnleggende prinsipper for FCL​
Grunnleggende prinsipp for FCL er utviklet fra seriereaktor-strømbegrensende teknologi, forbedret med kraftelktronikk for å overvinne svakheter ved tradisjonelle seriereaktorer (f.eks. høye tap under stabil drift og påvirkning av systemstabilitet). Dens kjernemodell kan abstraheres som: "Ingen reaktans under normal drift; rask innsetting av reaktans under feil for å begrense strøm."

• Normal drift: Skruvedrager lukket, FCL ekvivalent impedans nær null, ingen påvirkning på systemet.
• Feilsituasjon: Skruvedrager åpnes raskt, innsetter strømbegrensende reaktor for å undertrykke kortslutningsstrøm.

Kjernekomponentene i FCL inkluderer fire nøkkelenheter:

1. Hurtig feilstrømdetekteringselement: Overvåker systemstrøm i sanntid og identifiserer kortslutningsfeil raskt.
2. Hurtig skruvedrager: Reagerer raskt under feil for å skifte mellom "ingen reaktans" og "reaktans"-tilstand.
3. Strømbegrensende reaktor: Kjernestrømbegrensende komponent, begrenser kortslutningsstrøm gjennom impedans.
4. Overspenningsbeskyttelseselement: Forebygger overspenning under feilskifte, beskytter systemutstyr.

​2.2 Funksjoner og designkrav for FCL​

​2.2.1 Kjernefunksjoner for FCL​
FCL gir en ny tilnærming til strømbegrensning i kraftsystemer og er et viktig komponent i moderne kraftsystemer. Dets fordeler inkluderer:

• Reduserer byrden på sirkuitbrytere: Høyere spenningsnivåer tilsvarer større, vanskeligere å avbryte feilstrøm. FCL reduserer direkte avbrytningsstrømmen for sirkuitbrytere, utvider utstyrslivstid.
• Forbedrer systemstabilitet: Rask begrensning av kortslutningsstrøm reduserer linjespeningsnedgang og generatorers sjanse for å miste trinn, forbedrer effektvinkel, spenning og frekvensstabilitet.
• Øker utstyr og linjeutnyttelse: Hvis FCL virker før kortslutningsstrøm toppen, reduserer det krav til termisk og dynamisk stabilitetsbegrensninger, øker dermed den faktiske overføringskapasiteten for linjer.
• Optimaliserer spenningkvalitet: Rask strømbegrensning før feilavbryting forkorter spenningssvingningens varighet på ikke-feilbelasted linjer, sikrer nettets spenningstabilitet.
• Reduserer forstyrrelse av nærliggende anlegg: Begrensning av kortslutningsstrøm i høy-spenningsnett reduserer elektromagnetisk forstyrrelse av nærliggende kommunikasjonslinjer og jernbanesignalsystemer.

​2.2.2 Designkrav for FCL​
For å tilpasse seg kraftsystemets driftsegenskaper, må FCL møte følgende designstandarder:

• Ingen påvirkning på systemet under normal drift (spenningstab nær null).
• Rask respons under feil (innen 1–2 ms), begrenser både toppe og stabil kortslutningsstrøm uten bivirkninger som overspenning.
• Automatisk tilbakestilling etter feilavbryting uten manuell inngrep.
• Ingen forstyrrelse av normal driftslogikk for beskyttelsesspor.
• Rimelig kostnad og høy kostnadseffektivitet, møter behov for bruken i energiteknikk.

​2.3 Sammenligning av ulike FCL-implementeringsskjemaer​

​2.3.1 Skjemasammenligning​

• ​Konklusjon: Ny materialebasert (spesielt superledende) og kraftelktronikkbasert FCL er for øyeblikket de optimale løsningene. Den første er enkel og pålitelig, men begrenset av materialteknologi; den siste tilbyr sterke kontrollmuligheter, og med synkende kraftelktronikk-kostnader, har den blitt ingeniørfasbar, gjør den den mest lovende R&D-retningen.

​2.5 Fremtidige forskningsretninger for FCL​
Fremtidig forskning på FCL bør fokusere på "prestasjonsforbedring, funksjonsintegrering og ingeniørtilpasning." Nøkkelforskningsretninger inkluderer:

1. Kontinuerlig justerbare impedanskonvertere: Gå bort fra dagens "to-tilstands impedans (null eller uendelig)" begrensning for å utvikle responsiv, kontinuerlig justerbare impedanskonvertere som dynamisk matcher høyere impedans med større feilstrøm. Dette skal også inkludere effektfaktorkompensasjon og overspenningsabsorpsjon, kombinert med kontrollteori (f.eks. negativ tilbakemelding, PID-kontroll) for å forbedre systemautomatisering.
2. Integrering med FACTS-kontroller: Utvikle helhetlige kontroller som kombinerer FCL med andre FACTS-komponenter (f.eks. SVG, SVC) for å forbedre total kostnadseffektivitet og fremme kontrollerbart AC-overføring og distribusjonssystemer.
3. Nøkkleteknologisk gjennombrudd:
• Påvirkningsmekanismer for FCL på kraftsystemets stabilitet.
• Koordineringslogikk mellom FCL og beskyttelsesspor.
• Optimalisering av ultrarask feilsignal-detekteringssystemer og -kontroller.
• Påvirkning av FCL på strømkvalitet (f.eks. harmonier, spenningssvingninger) og motvirkingstiltak.

​3 Konklusjon​

• a. Begrensning av kortslutningsstrøm i kraftsystemer har blitt et kritisk problem som krever umiddelbar løsning. Som et nytt beskyttelsesutstyr tilbyr feilstrømbegrenser (FCL) en effektiv løsning, og utvikling av FCL tilpasset moderne nett har betydelig teoretisk og ingeniørmessig verdi.
• b. Kraftelktronikkbaserte FCL har allerede en teoretisk grunnlag og ingeniørmessig praktisitet. Deres fremragende kontrollprestasjoner og synkende kostnader for kraftelktronikk-enheter indikerer bred utviklingspotensial.
• c. Med den fremadstormende utviklingen av FACTS/CusPow-teknologier, bør FCL – som et viktig medlem av FACTS-familien – ikke bare uavhengig håndtere strømbegrensningsspørsmål i overføring og distribusjonsgitter, men også samarbeide med andre FACTS-kontroller for å ytterligere fremme utviklingen av kontrollerbare AC-overføring og distribusjonssystemer.