Kortslutningsströmbegränsning i elkraftsystem och användningen av felströmbegränsare (FCL)

0 Introduktion​
Med utvecklingen av elkraftsystem och ökade belastningskrav, har integreringen av stora kapacitetsgenereringsenheter och understationsutrustning—särskilt uppkomsten av stora kraftverk i belastningscentrum och sammanfogningen av stora elkraftsystem—oundvikligen lett till en kontinuerlig ökning av kortslutningsströmnivåer. Utan effektiva begränsningsåtgärder skulle denna trend inte bara leda till en betydande ökning av utrustningsinvesteringar för nya understationer, utan också ha en allvarlig inverkan på kommunikationslinjer och rörledningar för befintliga understationsanläggningar, vilket potentiellt kan kräva stora medel för ombyggnad och uppgradering.

I de tidiga skedena av systemutvecklingen, när systemkapaciteten är liten och kortslutningsströmnivåerna är låga, kan ökande kortslutningsströmmar vanligtvis hanteras genom att byta ut växlingsenheter—annan understationsutrustning har ofta tillräckligt med marginal vid detta skede. När dock elkraftsystemets kapacitet är stor, kortslutningsnivåerna höga, och kortslutningsströmmarna fortsätter att öka på grund av systemkoppling eller ytterligare kapacitetsutökning, räcker det inte längre med att enbart byta ut strömavbrottsautomater. Befintliga understationer kan behöva inte bara ersättning av strömavbrottsautomater, utan också förbättringar eller ersättning av huvudtransformatorer, koppar, mättransformatorer, busbar, isolatorer, konstruktioner, fundament och jordningsystem. Dessutom kan kommunikationslinjer behöva skydd eller till och med konverteras till underjordiska kommunikationskabler.

På grund av olika faktorer fortsätter nya stora kapacitetsgenereringsenheter och kraftverk att integreras i 220kV-nätet, vilket leder till en alltför snabb ökning av kortslutningsströmnivåerna. Avbrottskapaciteten och den dynamiska stabiliteten hos många 220kV-strömavbrottsautomater—och även hela understationer—kan inte längre matcha den ökande kortslutningsnivån, vilket skapar allvarliga tekniska och ekonomiska utmaningar. Forskning om begränsning av kortslutningsströmmar är därför brådskande.

​1 Traditionella strömbegränsningsåtgärder och deras begränsningar​
Kortslutningsströmbegränsning kan hanteras från perspektivet av systemstruktur, drift och utrustning. Traditionella åtgärder inkluderar följande kategorier, men varje åtgärd har betydande begränsningar:

• ​a. Justering av nätstruktur​
  Inkluderar utveckling av högspänningsnät, delning av lågspänningsnät/busbars, och nätseparation.
• Utveckling av högspänningsnät: Kräver stora investeringar och involverar miljöfrågor.
• Delning/separation av lågspänningsnät: Enkelt att implementera med signifikanta strömbegränsande effekter, men minskar systemets säkerhetsmarginaler och begränsar driftsflexibiliteten, vilket gör det lämpligt endast för nödvändiga scenarion.
• ​b. DC-kopplingsteknik​
  DC-koppling kan signifikant minska kortslutningsströmmar, men investeringen i omspanningsstationer vid båda ändar är extremt hög. För korta kopplingar med låg energiutbyte är denna lösning ekonomiskt olönsam.
• ​c. Högimpedanstransformatorer​
  Användning av högimpedanstransformatorer för att begränsa kortslutningsströmmar på lågspänningssidan är en vanligt antagen åtgärd. Dessa transformatorer visar dock högre förluster under stillastående drift, vilket påverkar systemets ekonomi.
• ​d. Seriereaktorer​
  Seriereaktorer, med mogna tillverkningsmetoder och tydliga strömbegränsande effekter, används redan i kraftverksunderstödsystem och 10–35kV-understationer. Dock ökar deras användning i överhögspänningsnät nätets förluster och minskar systemets stabilitet, vilket begränsar deras lämplighet.
• ​e. Utrustningskapacitetsutökning och ombyggnad​
  Ersättning av strömavbrottsautomater och ombyggnad av befintliga understationer för att hantera högre kortslutningsströmmar angriper problemet direkt, men innebär höga investeringar och komplexa konstruktioner, vilket resulterar i dålig ekonomisk effektivitet och tidigarehet.

Eftersom traditionella åtgärder har betydande begränsningar, har det blivit nödvändigt att utveckla nya strömbegränsande enheter anpassade till moderna elkraftsystem. Felströmbegränsaren (FCL) har dykt upp som en lösning och är också en viktig komponent i Flexibla Alternativ Strömföringsystem (FACTS).

​2 Användning av Felströmbegränsare (FCL) i elkraftsystem​

​2.1 Modell och grundläggande principer för FCL​
Den grundläggande principen för FCL härleds från seriereaktorteori, förbättrad med strömkraftteknik för att övervinna nackdelarna med traditionella seriereaktorer (t.ex. höga stillastående förluster och inverkan på systemets stabilitet). Dess kärnmodell kan abstraheras som: "Ingen reaktans under normal drift; snabb insättning av reaktans vid fel för att begränsa strömmen."

• Normal drift: Växlingsenhet sluten, FCL:s ekvivalent impedans nära noll, ingen inverkan på systemet.
• Felförhållanden: Växling öppnas snabbt, infogar strömbegränsande reaktor för att undertrycka kortslutningsströmmen.

Kärnkomponenterna i FCL inkluderar fyra viktiga element:

1. Snabb felströmdetekteringselement: Övervakar systemström i realtid och identifierar snabbt kortslutningsfel.
2. Snabb växlingsenhet: Agerar snabbt vid fel för att växla mellan "ingen reaktans" och "reaktans"-tillstånd.
3. Strömbegränsande reaktor: Kärnströmbegränsande komponent, undertrycker kortslutningsström genom impedans.
4. Överspänningskyttelement: Förhindrar överspänning vid felsväxling, skyddar systemutrustning.

​2.2 Funktioner och designkrav för FCL​

​2.2.1 Kärnfunktioner för FCL​
FCL erbjuder en ny metod för felströmbegränsning i elkraftsystem och är en viktig komponent i moderna elkraftsystem. Dess fördelar inkluderar:

• Minskning av strömavbrottsautomatbelastning: Högre spänningsnivåer motsvarar större, svårare att avbryta felströmmar. FCL minskar direkt avbrottsströmmen för strömavbrottsautomater, vilket förlänger utrustningens livslängd.
• Förbättring av systemstabilitet: Snabb begränsning av kortslutningsströmmar minskar linjespänningsfall och generatorers sannolikhet att gå ur fas, vilket förbättrar strömvinkel-, spännings- och frekvensstabilitet.
• Ökad utnyttjandegrad av utrustning och linjer: Om FCL agerar innan kortslutningsströmmen når sitt toppvärde, minskas kraven på termisk och dynamisk stabilitetsgräns, vilket ökar linjernas faktiska överföringskapacitet.
• Optimering av spänningstillstånd: Snabb strömbegränsning innan felet rensas förkortar spänningsfallstid på icke-felaktiga linjer, vilket garanterar nätets spänningsstabilitet.
• Minskning av störningar i omgivande anläggningar: Begränsning av kortslutningsströmmar i högspänningsnät minskar elektromagnetisk störning av närliggande kommunikationslinjer och järnvägsbeteckningssystem.

​2.2.2 Designkrav för FCL​
För att anpassa sig till elkraftsystems driftsegenskaper måste FCL uppfylla följande designstandarder:

• Ingen inverkan på systemet under normal drift (spänningsfall nära noll).
• Snabb respons vid fel (inom 1–2 ms), begränsar både topp- och stillastående kortslutningsströmmar utan biverkningar som överspänning.
• Automatisk återställning efter felsrensning utan manuell ingripande.
• Ingen störning av skyddreläers normala driftlogik.
• Rimlig kostnad och hög kostnadseffektivitet, uppfyller elverksanvändningsbehov.

​2.3 Jämförelse av olika FCL-implementeringsscheman​

​2.3.1 Schemajämförelse​

• ​Slutsats: Ny materialbaserad (särskilt superkonduktiv) och strömkraftteknikbaserad FCL är för närvarande de optimala lösningarna. Den första är enkel och tillförlitlig, men begränsad av materialteknologi; den senare erbjuder stark kontrollbarhet, och med sjunkande strömkraftskostnader har den blivit ingenjörsmässigt möjlig, vilket gör den till den mest lovande R&D-riktningen.

​2.5 Framtida forskningsriktningar för FCL​
Framtida forskning om FCL bör fokusera på "prestandaoptimering, funktionsintegration och ingenjörsmässig anpassning." Viktiga riktningar inkluderar:

1. Kontinuerligt justerbara impedanskonverterare: Att gå bortom den nuvarande begränsningen "två-tillstånds impedans (noll eller oändlig)" för att utveckla responsiva, kontinuerligt justerbara impedanskonverterare som dynamiskt matchar högre impedans med större felströmmar. Dessa bör också inkludera effektfaktorkompensation och överspänningsabsorption, kombinerat med kontrollteorier (t.ex. negativ feedback, PID-reglering) för att förbättra systemets automatisering.
2. Integration med FACTS-styrningar: Utveckling av omfattande styrningsenheter som kombinerar FCL med andra FACTS-komponenter (t.ex. SVG, SVC) för att förbättra den totala kostnadseffektiviteten och främja kontrollerbara AC-överförings- och distributionsystem.
3. Viktiga teknologiska genombrott:
• Påverkan av FCL på elkraftsystemets stabilitet.
• Koordineringslogik mellan FCL och skyddreläer.
• Optimering av ultra-snabba felsignalsdetekteringssystem och reglerare.
• Inverkan av FCL på kvaliteten på strömmen (t.ex. harmoniska, spänningsfluktuationer) och motverkande åtgärder.

​3 Slutsats​

• a. Begränsning av kortslutningsströmmar i elkraftsystem har blivit ett kritiskt problem som kräver brådskande lösning. Som en ny skyddsenhet erbjuder Felströmbegränsaren (FCL) en effektiv lösning, och utveckling av FCL anpassade till moderna nät har betydande teoretisk och ingenjörsmässig värde.
• b. Strömkraftteknikbaserade FCL har redan en teoretisk grund och ingenjörsmässig praktikalitet. Deras utmärkta kontrollprestanda och sjunkande kostnader för strömkraftkomponenter indikerar breda utvecklingsmöjligheter.
• c. Med den framväxande utvecklingen av FACTS/CusPow-teknologier, bör FCL—som en viktig medlem av FACTS-familjen—inte bara ensidigt hantera strömbegränsningsproblem i överförings- och distributionsnät, utan också samarbeta med andra FACTS-styrningar för att ytterligare främja utvecklingen av kontrollerbara AC-överförings- och distributionsystem.