Kollaborative Lösung für Stromflussbegrenzer (FCL) und Einphasen-Autoreinschaltungen (SPAR) in südostasiatischen EHV-Stromnetzen

1. Einführung: Forschungshintergrund und Bedeutung​
   Mit der rasanten wirtschaftlichen Entwicklung in Südostasien erweitern sich die Netzausmaße ständig, und die Lasten steigen weiter an. Dies führt dazu, dass die Kurzschlussströme im System den Unterbrechungskapazitätsgrenzen von Schaltgeräten nahekommen oder diese sogar überschreiten, was die Sicherheit und Stabilität des Netzbetriebs ernsthaft bedroht. Gleichzeitig bilden UHV-Übertragungsleitungen das Rückgrat regionaler Stromnetzverbindungen. Über 70 % der Störungen sind Einphasen-Erdschlussstörungen, und etwa 80 % davon sind vorübergehende Störungen (z.B. Blitzschläge, windgetriebene Fremdkörper). Die Technologie der automatischen Wiedereinschaltung bei Einphasenstörungen (SPAR) ist eine Schlüsselmethode zur schnellen Beseitigung von Störungen, zur Wiederherstellung der Stromversorgung und zur Gewährleistung der Netzstabilität und -zuverlässigkeit.

Kurzschlussstrombegrenzer (FCLs), insbesondere kostengünstige Metalloxid-Blitzableiter-Typen (MOA), sind wirksame Maßnahmen zur Dämpfung von Kurzschlussströmen und werden zunehmend in UHV-Netzen eingesetzt. Allerdings haben bisherige Forschungen hauptsächlich auf die Auswirkungen von FCLs auf die transiente Stabilität des Systems und die Relais-Schutzeinrichtungen fokussiert, während ihre potenziell nachteiligen Auswirkungen auf die Erfolgsraten von SPAR vernachlässigt wurden. Dieses Vorschlag zielt darauf ab, diese Forschungslücke zu schließen, indem eine tiefgehende Analyse der Wechselwirkung zwischen FCLs und SPAR durchgeführt wird, und einen Satz kooperativer Steuerungsstrategien für Stromnetze in Südostasien vorschlägt. Diese Strategien stellen sowohl eine effektive Strombegrenzung als auch eine zuverlässige Stromversorgung sicher.

​1. Arbeitsprinzip des Metalloxid-Blitzableiter-Typs FCL​
Dieser Typ von FCL besteht hauptsächlich aus den folgenden Komponenten, die zusammenarbeiten, um die Kernfunktion „niedriger Widerstand bei normaler Betriebsweise und hoher Widerstand bei Störungen“ zu erreichen:

Arbeitsablauf: Während des normalen Systembetriebs resonieren Lf und Cf → Der FCL-Widerstand ist fast Null → Kein Einfluss auf den Stromfluss. Bei einem Kurzschlussfehler handelt der MOA schnell, um Cf kurzzuschließen → Der strömungs-limitierende Reaktor L wird in das System eingeschaltet, um den Kurzschlussstrom zu dämpfen → Die Auslöseluftspalte bricht zusammen und sendet ein Signal, um den Umgehungsschalter K zu schließen → Nachdem K geschlossen ist, leitet er den Strom um, um den MOA zu schützen.

​2. Problemanalyse: Nachteilige Auswirkungen von FCL auf den sekundären Bogenstrom und SPAR​
Der sekundäre Bogenstrom ist der Strom, der den Fehlerpunkt nach dem Öffnen des Fehlerphasenschalters während des SPAR-Betriebs weiterhin aufrechterhält, getragen durch elektromagnetische und elektrostatische Kopplung von den gesunden Phasen. Die Größe und Eigenschaften dieses Stroms bestimmen direkt, ob der Fehlerbogen sich selbst löschen kann, was entscheidend für den Erfolg von SPAR ist.

Simulationsanalysen (basierend auf EMTP, mit Modellparametern, die sich auf ein südchinesisches 500 kV-System beziehen) zeigen, dass die Installation eines FCL neue Probleme einführen kann:

• Auswirkungen der Zeitsteuerung des Umgehungsschalters (K): Wenn der Umgehungsschalter K geöffnet ist, wenn der Schalter ausfällt, enthält der sekundäre Bogenstrom eine Komponente mit großer Amplitude (bis zu 225 A), langsamer Abklingzeit und sehr niedriger Frequenz (ca. 3–3,25 Hz). Diese Niederfrequenzkomponente reduziert signifikant die Anzahl der Nullübergänge des Stroms, was die Selbstlöschung des Bogens erschwert und die Erfolgsraten von SPAR deutlich senkt.
• Auswirkungen des Bogenpfadwiderstands (Rg): Wenn der Übergangswiderstand am Fehlerpunkt groß ist (z.B. 300 Ω), ist der Kurzschlussstrom klein, was verhindern kann, dass der FCL am Leitungsende aktiviert wird (der MOA erreicht nicht die Betriebsspannung). In diesem Fall bleibt Cf unkurzgeschlossen und bildet einen Niederfrequenzoszillationskreis mit dem Leitungsseitenreaktor, was ebenfalls eine Niederfrequenzkomponente erzeugt, die der Bogenlöschung schadet.

​3. Mechanismusuntersuchung: Ursprung der Niederfrequenzkomponente​
Theoretische Analysen mit äquivalenten Impedanznetzwerken und Laplace-Transformationen offenbaren den Mechanismus hinter der Niederfrequenzkomponente:
Die Wurzelursache ist der Kondensator Cf im FCL. Nach dem Ausfall des Schalters und der Isolierung der Fehlerphase entlädt sich die in Cf gespeicherte Energie über den Seitenreaktor und den Bogenwiderstand am Fehlerpunkt. Dieser Entladekreis bildet einen Niederfrequenzoszillationskreis, dessen Oszillationsfrequenz (ca. 3 Hz) hauptsächlich durch Cf und die Parameter des Leitungsseitenreaktors bestimmt wird, weitgehend unabhängig vom Fehlerort. Diese Niederfrequenzoszillation wird nur dann eliminiert, wenn der Umgehungsschalter K geschlossen bleibt und Cf vollständig kurzgeschlossen wird.

​4. Kernlösung: Zeitsteuerungsstrategie für FCL und SPAR​
Um eine effektive Strömbegrenzung durch den FCL ohne Beeinträchtigung von SPAR zu gewährleisten, schlägt dieser Vorschlag die folgende präzise Zeitsteuerungsstrategie vor, mit einer Gesamtdauer, die innerhalb von 0,66–0,73 Sekunden kontrolliert wird:

Strategiekern: Nutzen Sie das Schaltersignal vom Schutzrelais als Befehl, um den Umgehungsschalter K schnell und während der gesamten Brenndauer des sekundären Bogens (ca. 0,2 Sekunden) geschlossen zu halten. Dies kurzzuschließt Cf effektiv, beseitigt die Niederfrequenzoszillationskomponente im sekundären Bogenstrom vollständig und schafft günstige Bedingungen für die Selbstlöschung des Bogens.

​5. Effektivität und Vorteile des Konzepts​
EMTP-Simulationen bestätigen, dass diese Zeitsteuerungsstrategie Folgendes erreicht:

1. Beseitigung der Niederfrequenzschädigung: Beseitigt die 3-Hz-Niederfrequenzkomponente im sekundären Bogenstrom vollständig, vermeidet deren negative Auswirkungen auf die Bogenlöschung.
2. Optimierung der Bogenlöschcharakteristika: Reduziert die Löschzeit des sekundären Bogens um etwa 4,5 % und verringert den Netzfrequenzkomponentenstrom um 10,5 %, verbessert die Erfolgsraten von SPAR erheblich.
3. Kompatibilität und Zuverlässigkeit: Die Strategie beeinflusst die ursprünglichen Spannungswiederherstellungseigenschaften des Systems nicht und balanciert die Sicherheit des FCL (Schutz des MOA) mit den Anforderungen an eine schnelle Wiederherstellung.
4. Einfache Umsetzung: Basierend auf vorhandenen Schutzsignalen erfordert die Strategie nur minimale Änderungen an den sekundären Systemen, ist kostengünstig und geeignet für bestehende oder neue UHV-Projekte in südostasiatischen Ländern.

​6. Schlussfolgerung und Empfehlungen​
Für südostasiatische UHV-Stromnetze, die planen, mit Metalloxid-Blitzableiter-Typen FCL ausgestattet zu sein oder bereits solche besitzen, ist es wesentlich, die potenzielle Frage der Niederfrequenzoszillation im sekundären Bogenstrom ernst zu nehmen, da dies die Erfolgsraten von SPAR reduzieren und die Versorgungssicherheit gefährden kann.