Совместное решение для ограничителя тока короткого замыкания (FCL) и автоматического повторного включения однофазного типа (SPAR) в сверхвысоковольтных (EHV) энергосетях Юго-Восточной Азии

Введение: исследовательский фон и значимость
С быстрым экономическим развитием Юго-Восточной Азии масштабы энергосетей продолжают расширяться, а нагрузки увеличиваются. Это приводит к тому, что токи короткого замыкания в системе приближаются или даже превышают предельные значения отключающей способности выключателей, серьезно угрожая безопасности и стабильности работы энергосетей. В то же время линии передачи сверхвысокого напряжения (СВН) служат основой для региональных межсистемных связей. Более 70% неисправностей являются однофазными замыканиями на землю, и примерно 80% из них — это временные неисправности (например, удары молнии, ветровые посторонние предметы). Технология автоматического повторного включения (АПВ) является ключевым методом для быстрого устранения неисправностей, восстановления подачи электроэнергии и обеспечения стабильности и надежности энергосети.

Ограничители токов короткого замыкания (ОТКЗ), особенно экономически эффективные ОТКЗ типа металлооксидный ограничитель перенапряжений (МОП), являются эффективными мерами для подавления токов короткого замыкания и постепенно применяются в сетях СВН. Однако существующие исследования в основном сосредоточены на влиянии ОТКЗ на переходную устойчивость системы и реле защиты, игнорируя их потенциально неблагоприятное влияние на успешность АПВ. Данное предложение направлено на заполнение этого пробела в исследованиях, проводя глубокий анализ взаимодействия между ОТКЗ и АПВ, и предлагая набор кооперативных стратегий управления, подходящих для энергосетей Юго-Восточной Азии. Эти стратегии обеспечивают как эффективное ограничение тока, так и надежное электроснабжение.

1. Принцип работы ОТКЗ типа МОП
Этот тип ОТКЗ состоит в основном из следующих компонентов, которые работают в координации, чтобы достичь основной функции "низкое сопротивление в нормальном режиме и высокое сопротивление при неисправностях":

Компонент	Описание функции
Реактор Lf (Lf = Lc + L)	В нормальном режиме он резонирует в последовательности с конденсатором Cf, представляя низкое сопротивление; при неисправностях в систему вводится реактор ограничения тока L.
Конденсатор Cf	Участвует в резонансе в нормальном режиме; при неисправностях он быстро шунтируется МОП и выходит из резонансного контура.
Металлооксидный ограничитель перенапряжений (МОП)	Действует немедленно при обнаружении короткого замыкания, шунтируя конденсатор Cf.
Обходной выключатель K	Быстро закрывается после неисправности, чтобы разделить ток и защитить МОП от поглощения избыточной энергии. Его время срабатывания критично.
Реактор ограничения тока Lc	Основным образом ограничивает разрядный ток конденсатора Cf через искровой промежуток.

Принцип работы: В нормальном режиме работы системы Lf и Cf резонируют → сопротивление ОТКЗ практически равно нулю → нет влияния на поток мощности. При возникновении короткого замыкания МОП быстро действует, шунтируя Cf → в систему вводится реактор ограничения тока L для подавления тока короткого замыкания → искровой промежуток разрушается и отправляет сигнал о закрытии обходного выключателя K → после закрытия K ток перенаправляется для защиты МОП.

2. Анализ проблемы: неблагоприятное влияние ОТКЗ на вторичный дуговой ток и АПВ
Вторичный дуговой ток — это ток, который продолжает поддерживать точку неисправности после отключения фазового выключателя при выполнении АПВ, поддерживаемый электромагнитной и электростатической связью со здоровыми фазами. Масштаб и характеристики этого тока напрямую определяют, может ли дуга самозатухнуть, что критически важно для успешности АПВ.

Результаты моделирования (основанные на EMTP, с параметрами модели, соответствующими системе 500 кВ юга Китая) показывают, что установка ОТКЗ может вызвать новые проблемы:

Влияние времени срабатывания обходного выключателя (K): Если обходной выключатель K открыт при срабатывании выключателя, вторичный дуговой ток будет включать компонент с большой амплитудой (до 225 А), медленным затуханием и очень низкой частотой (примерно 3–3.25 Гц). Этот низкочастотный компонент значительно уменьшает количество пересечений нуля тока, делая самозатухание дуги трудным и заметно снижая успешность АПВ.
Влияние сопротивления пути дуги (Rg): Когда переходное сопротивление в точке неисправности велико (например, 300 Ω), ток короткого замыкания мал, что может предотвратить активацию ОТКЗ на конце линии (МОП не достигает рабочего напряжения). В этом случае Cf остается нешунтированным и образует низкочастотный колебательный контур с параллельным реактором линии, также генерируя низкочастотный компонент, вредный для самозатухания дуги.

3. Исследование механизма: происхождение низкочастотного компонента
Теоретический анализ с использованием эквивалентных импедансных сетей и преобразования Лапласа выявил механизм низкочастотного компонента:
Основная причина — конденсатор Cf в ОТКЗ. После отключения выключателя и изоляции неисправной фазы энергия, накопленная в Cf, разряжается через параллельный реактор и сопротивление дуги в точке неисправности. Этот разрядный контур формирует низкочастотный колебательный контур, с частотой колебаний (примерно 3 Гц), которая в основном определяется Cf и параметрами параллельного реактора линии, и в значительной степени не зависит от местоположения неисправности. Этот низкочастотный колебательный контур исчезает только тогда, когда обходной выключатель K остается закрытым, полностью шунтируя Cf.

4. Основное решение: стратегия координации времени для ОТКЗ и АПВ
Для обеспечения эффективного ограничения тока ОТКЗ без влияния на АПВ данное предложение предлагает следующую точную стратегию координации времени, с общим временем, контролируемым в пределах 0.66–0.73 секунды:

Узел времени	Интервал времени (с)	Описание процесса
t0	-	В системе происходит однофазное замыкание на землю.
t1	0.002	МОП достигает рабочего напряжения, действует, шунтируя Cf, и реактор ограничения тока L вводится в систему.
t2	0.002	Система мониторинга ОТКЗ запускает искровой промежуток G и одновременно отправляет сигнал о начале закрытия обходного выключателя K.
t3	0.016	Защита линии действует, отправляя сигнал отключения выключателя, который также служит командой для принудительного закрытия K.
t4	≤0.024	Обеспечивается полное закрытие обходного выключателя K. Это должно быть завершено до прерывания выключателя.
t5	0.016–0.036	Главные контакты выключателей линии на обоих концах открываются, прерывая ток неисправности.
t6	0.02	Размыкающие резисторы выключателей отключаются, полностью изолируя фазу неисправности от системы; начинает гореть вторичная дуга.
t7	0.20	Во время горения вторичной дуги K остается закрытым, чтобы устранить низкочастотный компонент. После самозатухания дуги отправляется сигнал о его открытии.
t8	0.045	Обходной выключатель K открывается.
t9	0.015	Время деионизации пути дуги в точке неисправности, обеспечивающее восстановление изоляции.
t10	0.10	Катушка закрытия выключателя питается, готовясь к повторному включению.
t11	0.20–0.25	Выключатель закрывается, с включенными резисторами закрытия для подавления коммутационных перенапряжений.
t12	0.02	Главные контакты выключателя закрываются, резисторы закрытия выходят, и линия успешно восстанавливает подачу электроэнергии.

Основа стратегии: Использовать сигнал отключения выключателя от защиты в качестве команды для быстрого принудительного закрытия обходного выключателя K и сохранения его в закрытом состоянии на протяжении всего периода горения вторичной дуги (примерно 0.2 секунды). Это эффективно шунтирует Cf, полностью устраняя низкочастотный колебательный компонент во вторичном дуговом токе и создавая благоприятные условия для самозатухания дуги.

5. Эффективность и преимущества решения
Моделирование EMTP подтверждает, что эта стратегия координации времени достигает следующего:

Устранение низкочастотного вреда: Полностью устраняет 3 Гц низкочастотный компонент во вторичном дуговом токе, избегая его неблагоприятного влияния на самозатухание дуги.
Оптимизация характеристик самозатухания дуги: Снижает время самозатухания вторичной дуги примерно на 4.5% и уменьшает ток промышленной частоты на 10.5%, значительно повышая успешность АПВ.
Совместимость и надежность: Стратегия не влияет на исходные характеристики восстановления напряжения системы и балансирует безопасность ОТКЗ (защиту МОП) с потребностями быстрого восстановления.
Легкость реализации: На основе существующих защитных сигналов, стратегия требует минимальных изменений в вторичных системах, имеет низкую стоимость и подходит для существующих или новых проектов СВН в странах Юго-Восточной Азии.

6. Заключение и рекомендации
Для энергосетей СВН Юго-Восточной Азии, планирующих или уже оснащенных ОТКЗ типа МОП, крайне важно внимательно относиться к потенциальной проблеме низкочастотных колебаний во вторичном дуговом токе, которые могут снижать успешность АПВ и угрожать надежности электроснабжения.

08/26/2025