Współpracująca Rozwiązanie dla Ogranicznika Prądów Uszkodzeniowych (FCL) i Jednofazowego Automatycznego Włączenia (SPAR) w Południowoazjatyckich Sieciach EHV

Wprowadzenie: Tło badawcze i znaczenie
Wraz z szybkim rozwojem gospodarczym w Azji Południowo-Wschodniej, skala sieci energetycznych nieustannie się powiększa, a obciążenia rosną. To prowadzi do tego, że prądy zwarciowe systemu zbliżają się lub nawet przekraczają granice przerzutowych możliwości przerywania obwodów, co stanowi poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa i stabilności funkcjonowania sieci energetycznej. W międzyczasie, linie przesyłowe o napięciu nadwyżkowym (EHV) są kręgosłupem regionalnych połączeń energetycznych. Więcej niż 70% awarii to uszkodzenia jednofazowe, a około 80% z nich to awarie przejściowe (np. uderzenia piorunów, obiekty niesione przez wiatr). Technologia automatycznego ponownego zamknięcia jednofazowego (SPAR) jest kluczową metodą szybkiego usuwania awarii, przywracania dostaw energii oraz zapewniania stabilności i niezawodności sieci.

Ograniczniki prądów zwarciowych (FCLs), szczególnie kosztosprawne ograniczniki typu metalo-izolator (MOA), są skutecznymi środkami do tłumienia prądów zwarciowych i stopniowo są stosowane w sieciach EHV. Jednak dotychczasowe badania koncentrowały się głównie na wpływie FCLs na chwilowe stabilność systemu i ochronę relacyjną, pomijając potencjalne negatywne skutki dla skuteczności SPAR. Niniejsza propozycja ma na celu wypełnienie tej luki badawczej, poprzez szczegółową analizę interakcji między FCLs a SPAR, proponując zestaw strategii kontrolnych współpracujących, odpowiednich dla sieci energetycznych Azji Południowo-Wschodniej. Te strategie zapewniają zarówno efektywne ograniczanie prądów, jak i niezawodne dostawy energii.

1. Zasada działania ogranicznika prądów zwarciowych typu metalo-izolator
Ten typ ogranicznika składa się głównie z następujących komponentów, które współpracują, aby osiągnąć podstawową funkcję "niskie impedancje w normalnym trybie pracy i wysokie impedancje w przypadku awarii":

Komponent	Opis funkcji
Cewka Lf (Lf = Lc + L)	W normalnym trybie pracy rezonuje szeregowo z kondensatorem Cf, prezentując niskie impedancje; w przypadku awarii cewka ograniczająca prąd L jest wprowadzana do systemu.
Kondensator Cf	Uczestniczy w rezonansie w normalnym trybie pracy; w przypadku awarii jest szybko zwarty przez MOA i opuszcza obwód rezonansowy.
Metalo-izolator (MOA)	Natychmiast działa po wykryciu awarii zwarciowej, przewodząc do zwarcia kondensatora Cf.
Przełącznik omijający K	Szybko zamyka po wystąpieniu awarii, dzieląc prąd i chroniąc MOA przed absorpcją nadmiernych ilości energii. Jego czasowanie jest krytyczne.
Cewka ograniczająca prąd Lc	Głównie ogranicza prąd rozładowujący kondensator Cf przez lukę wyzwalającą.

Proces pracy: W normalnym trybie pracy systemu, Lf i Cf rezonują → impedancja FCL jest prawie zerowa → nie ma wpływu na przepływ mocy. Gdy wystąpi awaria zwarciowa, MOA szybko działa, zaczynając zwarcie Cf → cewka ograniczająca prąd L jest wprowadzana do systemu, aby stłumić prąd zwarciowy → luka wyzwalająca przestaje działać i wysyła sygnał do zamknięcia przełącznika omijającego K → po zamknięciu K, odciąga prąd, chroniąc MOA.

2. Analiza problemu: Negatywne skutki FCL na prąd łuku wtórnego i SPAR
Prąd łuku wtórnego to prąd, który kontynuuje utrzymywanie punktu awarii po otwarciu obwodu fazy awaryjnej przez przełącznik SPAR, utrzymywany przez sprzężenie elektromagnetyczne i elektrostatyczne z faz zdrowych. Wielkość i charakterystyka tego prądu bezpośrednio decydują o tym, czy łuk awaryjny może samoczynnie zgasnąć, co jest kluczowe dla sukcesu SPAR.

Analiza symulacyjna (oparta na EMTP, z parametrami modelu nawiązującymi do systemu 500 kV w południowych Chinach) pokazuje, że instalacja FCL może wprowadzić nowe problemy:

Wpływ czasowania przełącznika omijającego (K): Jeśli przełącznik omijający K jest otwarty, gdy przełącznik główny jest otwierany, prąd łuku wtórnego będzie zawierał składową o dużej amplitudzie (do 225 A), wolnym spadku i bardzo niskiej częstotliwości (około 3–3.25 Hz). Ta składowa niskoczęstotliwościowa znacznie zmniejsza liczbę przecięć prądu, co utrudnia samoczynne zgaszenie łuku i drastycznie obniża skuteczność SPAR.
Wpływ oporu drogi łuku (Rg): Gdy opór przejściowy w punkcie awarii jest duży (np. 300 Ω), prąd zwarciowy jest mały, co może uniemożliwić aktywację FCL na końcu linii (MOA nie osiąga napięcia roboczego). W takim przypadku, Cf pozostaje niezwarty i tworzy obwód oscylacji niskoczęstotliwościowej z reaktorem szeregowym linii, generując składową niskoczęstotliwościową szkodliwą dla zgaszenia łuku.

3. Badanie mechanizmu: Pochodzenie składowej niskoczęstotliwościowej
Teoretyczna analiza z wykorzystaniem równoważnych sieci impedancyjnych i transformacji Laplace'a ujawnia mechanizm składowej niskoczęstotliwościowej:
Podstawowa przyczyna to kondensator Cf w FCL. Po otwarciu przełącznika głównego i izolacji fazy awaryjnej, energia zgromadzona w Cf rozładowuje się przez reaktor szeregowy linii i opór łuku w punkcie awarii. Ten obwód rozładowania tworzy obwód oscylacji niskoczęstotliwościowej, z częstotliwością oscylacji (około 3 Hz) głównie określonej przez Cf i parametry reaktora szeregowego linii, w dużej mierze niezależnej od lokalizacji awarii. Ta oscylacja niskoczęstotliwościowa jest eliminowana tylko, gdy przełącznik omijający K pozostaje zamknięty, całkowicie zwierając Cf.

4. Podstawowe rozwiązanie: Strategia koordynacji czasowania FCL i SPAR
Aby zapewnić efektywne ograniczanie prądów przez FCL bez wpływu na SPAR, niniejsza propozycja proponuje następującą precyzyjną strategię koordynacji czasowej, z całkowitym czasem kontrolowanym w zakresie 0.66–0.73 sekundy:

Węzeł czasowy	Interwał czasowy (s)	Opis procesu
t0	-	W systemie występuje jednofazowa awaria uziemienia.
t1	0.002	MOA osiąga napięcie robocze, działa, zaczynając zwarcie Cf, a cewka ograniczająca prąd L jest wprowadzana do systemu.
t2	0.002	System monitorowania FCL wyzwalają luke G i jednocześnie wysyła sygnał do rozpoczęcia zamykania przełącznika omijającego K.
t3	0.016	Ochrona relacyjna linii działa, emitując sygnał otwarcia przełącznika, który również służy jako komenda do wymuszonego zamknięcia K.
t4	≤0.024	Zapewnienie pełnego zamknięcia przełącznika omijającego K. Musi to być zakończone przed przerwaniem przełącznika głównego.
t5	0.016–0.036	Główne kontakty przełączników linii na obu końcach otwierają, przecinając prąd awaryjny.
t6	0.02	Rezystory otwarcia przełączników są odłączane, całkowicie izolując linię fazy awaryjnej od systemu; rozpoczyna się palenie łuku wtórnego.
t7	0.20	Podczas palenia łuku wtórnego, utrzymuj K zamknięty, aby wyeliminować składową niskoczęstotliwościową. Po samoczynnym zgaszeniu łuku, wydaj sygnał do otwarcia K.
t8	0.045	Przełącznik omijający K otwiera.
t9	0.015	Czas deionizacji ścieżki łuku w punkcie awarii, zapewniający odzyskanie izolacji.
t10	0.10	Cewka zamykająca przełącznika jest napędzana, przygotowując się do ponownego zamknięcia.
t11	0.20–0.25	Przełącznik zamyka, z rezystorami zamykającymi, aby stłumić przepięcia przełącznikowe.
t12	0.02	Główne kontakty przełącznika zamykają, rezystory zamykające opuszczają, a linia pomyślnie wznowi dostawę energii.

Podstawowa strategia: Użyj sygnału otwarcia przełącznika z ochrony relacyjnej jako komendy do wymuszonego szybkiego zamknięcia przełącznika omijającego K i utrzymanie go zamkniętego przez cały okres palenia łuku wtórnego (około 0.2 sekundy). To skutecznie zacina Cf, całkowicie eliminując składową oscylacji niskoczęstotliwościowej w prądzie łuku wtórnego i tworząc korzystne warunki dla samoczynnego zgaszenia łuku.

5. Skuteczność i zalety schematu
Symulacje EMTP weryfikują, że ta strategia koordynacji czasowej osiąga następujące wyniki:

Eliminacja szkodliwej składowej niskoczęstotliwościowej: Kompletnie eliminuje składową 3 Hz w prądzie łuku wtórnego, unikając jej negatywnych skutków na zgaszenie łuku.
Optymalizacja cech zgaszania łuku: Redukuje czas zgaszenia łuku wtórnego o około 4.5% i obniża składową prądu częstotliwości sieciowej o 10.5%, znacznie poprawiając skuteczność SPAR.
Zgodność i niezawodność: Strategia nie wpływa na oryginalne cechy odzyskiwania napięcia systemu i bilansuje bezpieczeństwo FCL (ochrona MOA) z potrzebami szybkiego odzyskiwania.
Łatwość implementacji: Opiera się na istniejących sygnałach ochronnych, wymaga minimalnych modyfikacji systemów wtórnych, jest niskokosztowa i odpowiednia dla istniejących lub nowych projektów EHV w krajach Azji Południowo-Wschodniej.

6. Podsumowanie i rekomendacje
Dla sieci energetycznych EHV w Azji Południowo-Wschodniej planujących lub już wyposażonych w ograniczniki prądów zwarciowych typu metalo-izolator, jest kluczowe, aby高度重视低频振荡对二次电弧电流的影响，这会降低单相自动重合闸的成功率，并威胁到供电可靠性。

08/26/2025