Reeksresonante Foutstroombeperker Gebaseer op Konvensionele Komponente: 'n Ekonomiese en Betroubare Kortsluitstroomoplossing

1. Inleiding: Navorsingsagtergrond en Kerndoelwitte​

1. ​Ernst van die kortsluitstroomprobleem​
   Met die voortdurende uitbreiding van die skaal van die kragnet en die konstante groei van sy kapasiteit, het die vlak van die stelsel se kortsluitstroom skerp gestyg, wat naby of selfs oorskry die verdraagsgrense van bestaande toerusting.
   • ​Data-ondersteuning:​​ Monitering wys dat die vooruitskatting van die kortsluitstroom by sommige 500kV, 220kV, en selfs 10kV transformatorhokke in land oorskry 100 kA; die maksimum periodieke komponent van die kortsluitstroom by hoof kragbronne bereik so hoog as 300 kA.
   • ​Serious gevare:​​ Ekstrem hoë kortsluitstromme lei tot 'n gebrek aan geskikte hoëspanningskruiwermodelle, veroorsaak skade aan elektriese toerusting deur te oorskry die termiese en elektrodinamiese kraggrense, en kan ook veiligheidskwessies soos elektromagnetiese interferensie in kommunikasietoestelle, grondpotensiaalverhooging, en stapspanning veroorsaak. Dit het 'n sleuteltegniese bottelnek geword wat die veilige en ekonomiese ontwikkeling van die kragnet beperk.
2. ​Beperkinge van bestaande FCL-tegnologieë​
   Huidige hoofstroom foutstroombeperker (FCL) tegnologieë het inherente nadela, wat groot-skaal toepassing moeilik maak:
   • ​Supergeleiende FCL:​​ Hang af van supergeleiende materiaal, 'n tegnologie wat nog nie volwasse is, bied lae betroubaarheid, het hoë bedryfs- en instandhoudingskoste, en is ekonomies ongunstig, wat dit in die kort- tot middeltermyn verhinder om ingenieurslike toepassing te vind.
   • ​Krag-elektroniese FCL:​​ Beperk deur die spanningsverdraagskapasiteit en -draagvermoë van kragsemiconductor-toerusting, het uitdagings met reeks-/parallelspannings- en -stroomverspreidingsbeheer, het 'n komplekse stelselstruktuur (vereis addisionele stroombeperkende komponente en vinnige beskermingssirkels), en is kostebeskouend.
3. ​Kerndoelwit van hierdie navorsing​
   Om die bogenoemde kwessies aan te spreek, poog hierdie studie om 'n reeksresonante foutstroombeperkeroplossing op konvensionele elektriese komponente gebaseer, wat nie-supergeleiend en nie-krag-elektronies is, voor te stel. Spesifiek word twee topologieë bestudeer:
4. Reeksresonante FCL op 'n verzadigbare reaktor gebaseer
5. Reeksresonante FCL op 'n ZnO onweerskoker gebaseer
   Hierdie navorsing sal gebruik maak van Elektromagnetiese Transiënte Program (EMTP) simulasie om hul transiënte stroombeperkende eienskappe diep te analiseer, 'n vergelyking te doen, en uiteindelik hul aansienlike voordele in tegniese haalbaarheid, ekonomie, en operasionele betroubaarheid te verifieer.

​II. Reeksresonante FCL op 'n verzadigbare reaktor gebaseer​

1. ​Sirkeltopologie en werkingprinsip​
   • ​Topologiestruktuur:​​ Die kern bestaan uit 'n verzadigbare reaktor L_B, 'n kondensator C, en 'n reeksreaktor L. L_B is in parallel met C verbonden, en hierdie kombinasie word dan in reeks met L in die stelsel gevoeg.
   • ​Werkingprinsip:​​
   o ​Normale werking:​​ Die lynstroom is klein. L_B werk in die onverzadigde area (sy ekwivalente induktansie L_B1 is baie groot). Sy parallelkombinasie met C gedra induktief. Saam met die reeksreaktor L, bevredig hulle die magfrequentie reeksresonansievoorwaarde (ωL - 1/ωC ≈ 0). Die toestel bied baie lae impedansie, wat min stelselverliese veroorsaak.
   o ​Fouttoestand:​​ 'n Stoot in die kortsluitstroom verseaturiseer L_B (sy ekwivalente induktansie daal drasties na L_B2). Sy paralleltak kortkruis effektief die kondensator C, waardoor die resonansievoorwaarde verbroken word. Op hierdie punt, word die reeksreaktor L en die verseaturiseerde reaktor L_B2 albei in die stelsel ingesluit, wat die kortsluitstroom effektief beperk.
   o ​Foutverwydering:​​ Nadat die fout verwyder is, verminder die stroom. L_B verlaat outomaties die verseaturiseerde toestand, die kondensator word weer betrek, en die sirkel keer terug na die resonantietoestand, wat self-aangewende skakeling sonder 'n buitetoerustingse energiebron bewerkstellig.
   • ​Parameterkeusebeginsels:​​
   o ω²L_B1C >> 1 (Verseker dat die paralleltak induktief gedra tydens normale werking)
   o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Voldoen aan die resonansievoorwaarde vir normale werking)
   o ω²L_B2C << 1 (Verseker dat die paralleltak kapasitief gedra tydens 'n fout, wat die kondensator effektief kortkruis)
2. ​Stroombeperkende kenmerk simulasie-analise (EMTP)​​
   Simulasie is onder 'n eenfase-na-grond kortsluitfouttoestand in 'n 220kV-stelsel (vooruitskatting van die kortsluitstroompiek: 110kA) uitgevoer. Kernafrondings is as volg:

​III. Reeksresonante FCL op 'n ZnO onweerskoker gebaseer​

1. ​Sirkeltopologie en werkingprinsip​
   • ​Topologiestruktuur:​​ Die verzadigbare reaktor L_B word vervang deur 'n ZnO onweerskoker. Die oorblywende struktuur (parallel C + reeks L) bly onveranderd.
   • ​Werkingprinsip:​​ Die prinsipe is dieselfde as die verzadigbare reaktortipe. Tydens normale werking, vertoon die ZnO hoë weerstand, en die sirkel resoneer. Tydens 'n fout, veroorsaak die stygende kondensatorspanning die ZnO om te gelei (vertoon lae weerstand), wat die kondensator kortkruis en die resonansiebreek. Die reeksreaktor L beperk die stroom. Die stelsel herstel outomaties na foutverwydering. Die hele proses maak gebruik van die nie-lineêre volt-ampere kenmerke van die ZnO vir outomatiese skakeling.
2. ​Stroombeperkende kenmerk simulasie-analise​
   Simulasie onder dieselfde stelselvoorwaardes het kernafrondings opgelewer:

​IV. Algehele vergelyking van die twee FCL-skemas​

​V. Gevolgtrekking​

Hierdie studie stel twee innoverende reeksresonante foutstroombeperkeroplossings op konvensionele komponente voor, wat suksesvol die tegniese en ekonomiese bottelneke van tradisionele supergeleiende en krag-elektroniese FCLs oorkom.

1. ​Verzadigbare reaktor FCL:​​ Deur metodeske pynpoeding van die kernhisterese luskenmerke, die verseaturiseerde induktansiewaarde (L_B2) ingestel tot ongeveer 1/3 van die kapasitiewe reactansie, en goeie koördinasie met die kondensator en reeksreaktorparameters, kan dit effektief kondensatorspanning beperk en uitsonderlike transiënte stroombeperkende prestasie bereik. Dit is spesifiek geskiik vir medium-laevoltagevlak nette soos 110kV.
2. ​ZnO onweerskoker FCL:​​ Deur die nie-lineêre kenmerke van ZnO maklik kondensatorspanning te beperk, en sy prestasie is ongevoelig vir die kortsluitfasehoek. Egter, aandag moet aangebring word om oormaatlike L waardes wat oorgrote spannings op die reeksreaktorself veroorsaak, te vermy. Dit is meer geskiik vir geleenthede met hoë veiligheidsvereistes vir kondensators en matige stroombeperkingsbehoeftes.