Samenwerkende oplossing voor stroombeperker (FCL) en enkelefaserautomaat (SPAR) in Zuidoost-Aziatische EHV-netwerken

1. Inleiding: Onderzoeksachtergrond en betekenis​
   Met de snelle economische ontwikkeling in Zuidoost-Azië blijven de schaal van elektriciteitsnetwerken uitbreiden en de belastingen toenemen. Dit heeft ertoe geleid dat systeemkortsluitstroom waarden naderen of zelfs de onderbrekingscapaciteit van circuitbrekers overschrijden, wat een ernstig gevaar vormt voor de veiligheid en stabiliteit van het elektriciteitsnetwerk. Tegelijkertijd fungeren UH-spanningslijnen als de ruggengraat voor regionale energieverbindingen. Meer dan 70% van de storingen zijn eenfase aardlekkages, waarvan ongeveer 80% tijdelijke storingen zijn (bijvoorbeeld blikseminslag, windverplaatsbare objecten). Eenfase automatische herinschakeling (SPAR) technologie is een belangrijke methode om snel storingen te elimineren, de stroomvoorziening te herstellen en de stabiliteit en betrouwbaarheid van het netwerk te waarborgen.

Kortsluitstroombeperkers (FCL's), met name kosteneffectieve metaloxide-afleider (MOA)-type FCL's, zijn effectieve maatregelen om kortsluitstromen te onderdrukken en worden geleidelijk toegepast in UH-netwerken. Echter, bestaand onderzoek richt zich voornamelijk op de impact van FCL's op systeemtransientiestabiliteit en relaisbescherming, en negeert hun potentiële negatieve effecten op SPAR-succespercentages. Dit voorstel wil deze kennisgaps opvullen door een diepgaande analyse van de interactie tussen FCL's en SPAR uit te voeren en een set van samenwerkende controlestrategieën voor Zuidoost-Aziatische elektriciteitsnetwerken voor te stellen. Deze strategieën zorgen voor zowel effectieve stroombeperking als een betrouwbare stroomvoorziening.

​1. Werkingsprincipe van Metaloxide Afleider-type FCL​
Dit type FCL bestaat voornamelijk uit de volgende componenten, die samenwerken om de kernfunctie van "lage impedantie tijdens normale werking en hoge impedantie tijdens storingen" te realiseren:

Werkingsproces: Tijdens normale systeemoperatie, Lf en Cf resonerend → FCL impedantie is bijna nul → geen invloed op stroomverloop. Bij een kortsluitstoring werkt de MOA snel om Cf te sluiten → de stroombeperkende reactor L wordt in het systeem ingevoerd om de kortsluitstroom te onderdrukken → de triggergap breekt open en stuurt een signaal om omgangsschakelaar K te sluiten → nadat K gesloten is, wordt de stroom omgeleid om de MOA te beschermen.

​2. Probleemanalyse: Negatieve effecten van FCL op secundaire boogstroom en SPAR​
De secundaire boogstroom is de stroom die het foutpunt blijft onderhouden nadat de foutfase-circuitbreker tijdens SPAR-operatie opent, ondersteund door elektromagnetische en elektrostatische koppeling van de gezonde fasen. De grootte en eigenschappen van deze stroom bepalen direct of de foutboog zichzelf kan doven, wat cruciaal is voor SPAR-succes.

Simulatieanalyse (op basis van EMTP, met modelparameters die verwijzen naar een Zuid-Chinees 500 kV-systeem) toont aan dat het installeren van een FCL nieuwe problemen kan introduceren:

• Impact van timing van omgangsschakelaar (K): Als de omgangsschakelaar K open staat wanneer de circuitbreker uitschakelt, zal de secundaire boogstroom een component bevatten met grote amplitude (tot 225 A), langzame afname en zeer lage frequentie (ongeveer 3–3.25 Hz). Deze laagfrequente component vermindert aanzienlijk het aantal stroomnulpassages, waardoor zelfdoofing van de boog moeilijk wordt en SPAR-succespercentages aanzienlijk dalen.
• Impact van boogwegweerstand (Rg): Wanneer de overgangsweerstand op het foutpunt groot is (bijvoorbeeld 300 Ω), is de kortsluitstroom klein, waardoor de FCL aan het lijneinde mogelijk niet activeert (MOA bereikt de werkingsspanning niet). In dit geval blijft Cf niet-gesloten en vormt een laagfrequente oscillatiekring met de parallelreactor van de lijn, eveneens genererend een laagfrequente component die schadelijk is voor boogextinctie.

​3. Mechanisme-onderzoek: Oorsprong van de laagfrequente component​
Theoretische analyse met behulp van equivalent impedantienetwerken en Laplace-transformaties onthult het mechanisme achter de laagfrequente component:
De oorzaak is condensator Cf in de FCL. Na het uitschakelen van de circuitbreker en het isoleren van de foutfase, wordt de energie opgeslagen in Cf ontladen via de parallelreactor en de weerstand van de foutpuntboog. Dit ontladingscircuit vormt een laagfrequente oscillatiekring, met een oscillatiefrequentie (ongeveer 3 Hz) voornamelijk bepaald door Cf en de parameters van de parallelreactor, grotendeels onafhankelijk van de locatie van de storing. Deze laagfrequente oscillatie wordt alleen geëlimineerd wanneer omgangsschakelaar K gesloten blijft, waardoor Cf volledig wordt gesloten.

​4. Kernoplossing: Timing coördinatie strategie voor FCL en SPAR​
Om effectieve stroombeperking door de FCL te waarborgen zonder SPAR te beïnvloeden, stelt dit voorstel de volgende nauwkeurige timing coördinatie strategie voor, met een totale duur binnen 0.66–0.73 seconden:

Strategie Kern: Gebruik het circuitbreker uitschakelingsignaal van relaisbescherming als commando om omgangsschakelaar K snel te sluiten en gedurende de periode van secundaire boogbranding (ongeveer 0.2 seconden) gesloten te houden. Dit sluit effectief Cf, elimineert volledig de laagfrequente oscillatiecomponent in de secundaire boogstroom en creëert gunstige omstandigheden voor zelfdoofing van de boog.

​5. Effectiviteit en voordelen van het schema​
EMTP simulaties bevestigen dat deze timing coördinatie strategie het volgende bereikt:

1. Elimineert laagfrequente schade: Elimineert volledig de 3 Hz laagfrequente component in de secundaire boogstroom, waarmee de negatieve effecten op boogextinctie worden vermeden.
2. Optimaliseert boogextinctie-eigenschappen: Vermindert de secundaire boogextinctietijd met ongeveer 4.5% en verlaagt de netfrequentiecomponentstroom met 10.5%, wat SPAR-succespercentages aanzienlijk verbetert.
3. Compatibiliteit en betrouwbaarheid: De strategie beïnvloedt de oorspronkelijke spanningsherstel-eigenschappen van het systeem niet en balanceren de veiligheid van de FCL (bescherming van de MOA) met de behoefte aan snelle herstel.
4. Makkelijke implementatie: Gebaseerd op bestaande beschermingssignalen, vereist de strategie minimale wijzigingen in secundaire systemen, is kostenefficiënt en geschikt voor bestaande of nieuwe UH-projecten in Zuidoost-Aziatische landen.

​6. Conclusie en aanbevelingen​
Voor Zuidoost-Aziatische UH-elektriciteitsnetwerken die plannen of al uitgerust zijn met metaloxide afleider-type FCL's, is het essentieel om hoog op te geven van het potentiele probleem van laagfrequente oscillatie in secundaire boogstromen, wat SPAR-succespercentages kan verlagen en de betrouwbaarheid van de stroomvoorziening bedreigen.