محدود جريان التيار القصي المستند إلى المكونات التقليدية: حل اقتصادي وموثوق لتقليل تيار القصر

1. مقدمة: خلفية البحث والأهداف الأساسية

1. خطورة مشكلة تيار القصر
   مع استمرار توسع نطاق الشبكة الكهربائية ونمو قدرتها باستمرار، ارتفع مستوى تيار القصر في النظام بشكل حاد، مقتربًا من أو حتى تجاوز حدود تحمل المعدات الحالية.
   • دعم البيانات: تشير الرصد إلى أن تيار القصر المتوقع في بعض محطات التحويل بجهد 500 كيلوفولت و220 كيلوفولت وحتى 10 كيلوفولت داخل البلاد قد تجاوز 100 كيلو أمبير؛ يصل المكون الدوري الأقصى لتيار القصر في المصادر الرئيسية للطاقة إلى 300 كيلو أمبير.
   • المخاطر الخطيرة: يؤدي تيار القصر المرتفع للغاية إلى نقص في نماذج قاطع الدائرة ذات الجهد العالي المناسبة، ويسبب تلفًا للمعدات الكهربائية بسبب تجاوز حدود الحرارة والقوة الكهروديناميكية، ويمكن أيضًا أن يؤدي إلى مشاكل أمنية مثل التداخل الكهرومغناطيسي في أنظمة الاتصالات، وارتفاع الجهد الأرضي، وفرق الجهد خطوة. وقد أصبح هذا العائق الفني الرئيسي الذي يحد من التنمية الآمنة والاقتصادية للشبكة الكهربائية.
2. قيود التقنيات الحالية لمحدودي تيار القصر (FCL)
   تتميز تقنيات محدودي تيار القصر (FCL) السائدة حالياً بأوجه قصور جوهرية مما يجعل التطبيق الواسع النطاق صعبًا:
   • FCL الفائق التوصيل: تعتمد على المواد فائقة التوصيل، وهي تقنية غير ناضجة بعد، وتقدم موثوقية منخفضة، وتتضمن تكاليف تشغيل وصيانة عالية، وغير مواتية اقتصاديًا، مما يمنع تطبيقها الهندسي في المدى القصير والمتوسط.
   • FCL الإلكتروني للطاقة: محدودة بقدرة تحمل الجهد وحمل التيار للأجهزة الإلكترونية شبه الموصلة، تواجه تحديات في التحكم في مشاركة الجهد والتيار المتسلسلة والتوازية، تتسم بنظام معقد (يتطلب مكونات محدودة للتيار ومدار حماية سريع)، وتكون باهظة الثمن.
3. الهدف الأساسي لهذا البحث
   لحل هذه المشاكل، يهدف هذا البحث إلى اقتراح حل لمحدود تيار القصر بالرنين المتسلسل يستند إلى المكونات الكهربائية التقليدية، وهو غير فائق التوصيل وغير إلكتروني للطاقة. وبالتحديد، يتم دراسة طوبولوجيتين:
4. MFL بالرنين المتسلسل المستند إلى المحول المتشبع
5. MFL بالرنين المتسلسل المستند إلى جهاز الوقاية ZnO
   سيستخدم هذا البحث برنامج المحاكاة للتحولات الكهرومغناطيسية العابرة (EMTP) لتحليل خصائص تقييد التيار العابرة بشكل عميق، وإجراء مقارنة، وتأكيد مزاياه الهامة في الجدوى التقنية والاقتصادية والموثوقية التشغيلية.

II. MFL بالرنين المتسلسل المستند إلى المحول المتشبع

1. طوبولوجيا الدائرة ومبدأ العمل
   • بنية الطوبولوجيا: يتكون المحور الأساسي من المحول المتشبع L_B، المكثف C، والمحول المتسلسل L. يتم توصيل L_B بالتوازي مع C، ثم يتم توصيل هذا التركيب بالتسلسل مع L في النظام.
   • مبدأ العمل:
   o عمل طبيعي: يكون تيار الخط صغيرًا. يعمل L_B في منطقة عدم التشبع (حيث تكون معاوقة الاستدلال L_B1 كبيرة جدًا). يتصرف تركيبه بالتوازي مع C بطريقة الاستدلال. مع المحول المتسلسل L، يحققون شرط الرنين المتسلسل لتردد الطاقة (ωL - 1/ωC ≈ 0). يقدم الجهاز معاوقة منخفضة جدًا، مما يؤدي إلى خسائر نظامية ضئيلة.
   o حالة العطل: يؤدي ارتفاع تيار القصر إلى تشبع L_B بسرعة (حيث تنخفض معاوقة الاستدلال بشكل حاد إلى L_B2). يُقصر فرعه بالتوازي المكثف C، مما يكسر حالة الرنين. في هذه اللحظة، يتم إدخال المحول المتسلسل L والمحول المتشبع L_B2 في النظام، مما يحد من تيار القصر بشكل فعال.
   o إزالة العطل: بعد إزالة العطل، ينخفض التيار. يخرج L_B من التشبع تلقائيًا، ويتم إعادة توصيل المكثف، وتعود الدائرة إلى حالة الرنين، مما يحقق التحويل الذاتي دون مصدر طاقة خارجي.
   • مبادئ اختيار المعلمات:
   o ω²L_B1C >> 1 (ضمان أن الفرع بالتوازي يتصرف بطريقة الاستدلال أثناء العمل الطبيعي)
   o ωL - 1/ωC ≈ 0 (تحقيق شرط الرنين أثناء العمل الطبيعي)
   o ω²L_B2C << 1 (ضمان أن الفرع بالتوازي يتصرف بطريقة المكثف أثناء العطل، مما يقصر المكثف بشكل فعال)
2. تحليل محاكاة خصائص تقييد التيار (EMTP)
   تم إجراء المحاكاة تحت ظروف عطل أرضي أحادي الطور في نظام 220 كيلوفولت (التيار القصري المتوقع: ذروة 110 كيلو أمبير). أهم الاستنتاجات كالتالي:

III. MFL بالرنين المتسلسل المستند إلى جهاز الوقاية ZnO

1. طوبولوجيا الدائرة ومبدأ العمل
   • بنية الطوبولوجيا: يتم استبدال المحول المتشبع L_B بجهاز الوقاية ZnO. تبقى البنية المتبقية (C بالتوازي + L بالتسلسل) كما هي.
   • مبدأ العمل: المبدأ هو نفسه بالنسبة للمحول المتشبع. أثناء العمل الطبيعي، يظهر ZnO مقاومة عالية، وتقوم الدائرة بالرنين. أثناء العطل، يؤدي ارتفاع جهد المكثف إلى توصيل ZnO (ويظهر مقاومة منخفضة)، مما يقصر المكثف ويكسر الرنين. يحد المحول المتسلسل L من التيار. يتعافى النظام تلقائيًا بعد إزالة العطل. يتم استخدام العملية بأكملها لخصائص الفولت-أمبير غير الخطية لـ ZnO للتبديل التلقائي.
2. تحليل محاكاة خصائص تقييد التيار
   تحت نفس ظروف النظام، تم الحصول على الاستنتاجات الرئيسية التالية:

IV. مقارنة شاملة بين الحلول MFL

V. الخاتمة

يقترح هذا البحث حلولًا مبتكرة لمحدودي تيار القصر بالرنين المتسلسل تستند إلى المكونات التقليدية، مما يتجاوز العقبات التقنية والاقتصادية لمحدودي تيار القصر التقليديين فائقة التوصيل والإلكترونيين للطاقة.

1. MFL المستند إلى المحول المتشبع: من خلال تحسين دقيق لخصائص الحلقة الهستيريسية الأساسية، وتعيين قيمة الاستدلال المشبع (L_B2) لتكون حوالي 1/3 من الاستدلال السعوي، وضمان التنسيق الجيد مع معلمات المكثف والمحول المتسلسل، يمكنه تقييد جهد المكثف الزائد بشكل فعال وتحقيق أداء تقييد تيار عابر ممتاز. إنه مناسب بشكل خاص لشبكات الجهد المتوسط والمنخفض مثل 110 كيلوفولت.
2. MFL المستند إلى جهاز الوقاية ZnO: باستخدام الخصائص غير الخطية لـ ZnO يمكنه تقييد جهد المكثف الزائد بسهولة، وأداؤه غير متأثر بزاوية الطور القصر. ومع ذلك، يجب الانتباه إلى تجنب جهد زائد على المحول المتسلسل نفسه بسبب قيم L المرتفعة. إنه أكثر ملاءمة للمناسبات التي تتطلب سلامة المكثف العالية واحتياجات معتدلة لتقييد التيار.