Серийно резонансен ограничител на тока при дефектна ситуация, базиран на конвенционални компоненти: Икономично и надеждно решение за ограничаване на краткосрочния ток
- Въведение: Изследователски фон и основни цели
- Тежестта на проблема с тока при кратко замыкание
С растящата мащабност на електрическата мрежа и непрекъснатото увеличаване на нейната капацитет, нивото на тока при кратко замыкание в системата е нараснало драстично, приближавайки или дори надхвърляйки допустимите граници на съществуващото оборудване.
• Подкрепа от данни: Мониторингът показва, че очакваният ток при кратко замыкание в някои 500кV, 220кV и дори 10кV подстанции в страната е надхвърлил 100 кA; максималната периодична компонента на тока при кратко замыкание в основните източници достига до 300 кA.
• Сериозни опасности: Екстремно високите токове при кратко замыкание водят до липса на подходящи модели на високонапрегови прекъсвачи, причиняват повреди на електрическото оборудване поради превишаване на термалните и електродинамични ограничения, а също така могат да доведат до безопасностни проблеми като електромагнитна interferенция в комуникационните системи, повишаване на потенциала на земята и стъпков напрежение. Това е станало ключов технически буталник, ограничаващ безопасния и икономически развитие на електрическата мрежа. - Ограниченията на съществуващите технологии за ограничаване на тока при кратко замыкание (FCL)
Съвременните основни технологии за ограничаване на тока при кратко замыкание (FCL) имат вродени недостатъци, които затрудняват масовото им приложение:
• Суперпроводящ FCL: Зависи от суперпроводящи материали, технология, която все още не е зрела, предлага ниска надеждност, включва високи разходи за функциониране и поддръжка, и е икономически невыгодна, което попречва на нейното инженерно приложение в краткосрочен и средносрочен план.
• Електронен FCL: Ограничен от издръжливостта и токоносната способност на силовите полупроводникови устройства, среща предизвикателства в контрола на деленето на напрежението и тока в сериен/паралелен режим, има сложна система (изисква допълнителни компоненти за ограничаване на тока и бързи защитни контури), и е скъп. - Основна цел на настоящото изследване
За да се справим с гореспоменатите проблеми, това проучване се стреми да предложи решение за ограничаване на тока при кратко замыкание, основано на серийна резонанс, използвайки конвенционални електрически компоненти, които не са суперпроводящи и не са електронни. По-специално, се изучават две топологии: - Серийна резонансна FCL, основана на насищаем реактор
- Серийна резонансна FCL, основана на ZnO гасител
Това изследване ще използва програма за електромагнитни преходи (EMTP) за дълбок анализ на тяхните преходни характеристики за ограничаване на тока, ще проведе сравнение и в крайна сметка ще провери техните значителни предимства в техническата възможност, икономика и оперативна надеждност.
II. Серийна резонансна FCL, основана на насищаем реактор
- Топология на схемата и принцип на действие
• Структура на топологията: Ядрото се състои от насищаем реактор LB, кондензатор C и сериен реактор L. LB е свързан паралелно с C, а тази комбинация е свързана сериено с L в системата.
• Принцип на действие:
o Нормална работа: Линейният ток е малък. LB работи в областта без насищане (неговата еквивалентна индуктивност LB1 е много голяма). Неговата паралелна комбинация с C се държи индуктивно. Заедно с сериен реактор L те удовлетворяват условието за сериен резонанс на силовата честота (ωL - 1/ωC ≈ 0). Устройството представя много ниска импеданс, което води до минимални загуби в системата.
o Състояние на повреда: Бързо нарастване на тока при кратко замыкание бързо насища LB (неговата еквивалентна индуктивност рязко намалява до LB2). Неговата паралелна ветвь действително краткопрепрепуска кондензатора C, като нарушава условията за резонанс. В този момент, сериен реактор L и насищен реактор LB2 са включени в системата, което ефективно ограничава тока при кратко замыкание.
o Изчистване на повредата: След изчистването на повредата, токът намалява. LB автоматично излиза от насищане, кондензаторът отново е включен, и схемата се връща в резонансното състояние, постигайки самоизвикано переключване без външен източник на мощност.
• Принципи за избор на параметри:
o ω²LB1C >> 1 (Обезпечава, че паралелната ветвь се държи индуктивно при нормална работа)
o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Удовлетворява условието за резонанс при нормална работа)
o ω²LB2C << 1 (Обезпечава, че паралелната ветвь се държи капацитивно при повреда, ефективно краткопрепрепуска кондензатора) - Анализ на характеристиките за ограничаване на тока чрез симулация (EMTP)
Симулацията беше проведена при условие на еднофазно-земно кратко замыкание в 220кV система (очакван пик на тока при кратко замыкание: 110кA). Ключовите заключения са следните:
|
Фактор за влияние |
Основно заключение |
Типични симулационни данни (пример) |
|
1. Не-насищаема индуктивност LB1 |
Увеличаването на LB1 значително намалява напрежението на кондензатора, но има малко влияние върху тока при кратко замыкание; ефектът се насища. |
LB1=1317mH: Напрежение на кондензатора 270кV; LB1=1321mH: Напрежение на кондензатора 157кV (42% намаление) |
|
2. Насищаема индуктивност LB2 |
Съществува оптимален диапазон (1-7mH). Прекалено малко дава слабо ограничаване; прекалено голямо причинява сериозно повишаване на напрежението на кондензатора. |
LB2=7mH (C=507μF, L=20mH): Ток при кратко замыкание 25кA, напрежение на кондензатора 157кV |
|
3. Координация на параметрите C/L |
Съществува оптимална комбинация за кооперативен контрол на тока при кратко замыкание и напрежението на кондензатора. |
Оптимална комбинация (C=406μF, L=25mH): Ток при кратко замыкание 22кA, напрежение на кондензатора 142кV |
|
4. Угъл на началото на кратко замыкание |
Преходните характеристики са силно влияни от фазовия ъгъл; най-силното повишаване на напрежението е при 0°/180°; проектът трябва да вземе предвид най-лошия случай. |
Фаза 0°: Ток при кратко замыкание 18кA, напрежение на кондензатора 201кV; Фаза 90°: Ток при кратко замыкание 22кA, напрежение на кондензатора 142кV |
III. Серийна резонансна FCL, основана на ZnO гасител
- Топология на схемата и принцип на действие
• Структура на топологията: Насищаемият реактор LB е заменен с ZnO гасител. Останалата структура (паралелен C + сериен L) остава непроменена.
• Принцип на действие: Принципът е същият като при насищаемия реактор. При нормална работа, ZnO показва високо съпротивление, и схемата резонира. При повреда, нарастването на напрежението на кондензатора кара ZnO да провежда (показва ниско съпротивление), краткопрепрепуска кондензатора и нарушава резонанса. Сериен реактор L ограничава тока. Системата се възстановява автоматично след изчистването на повредата. Целият процес използва нелинейните волт-амперни характеристики на ZnO за автоматично переключване. - Анализ на характеристиките за ограничаване на тока чрез симулация
Симулацията при същите системни условия даде ключови заключения:
|
Фактор за влияние |
Основно заключение |
Типични симулационни данни (пример) |
|
1. Остатъчно напрежение на гасителя & координация на C/L |
Лесно се ограничава напрежението на кондензатора, но увеличаването на L за постигане на по-нисък ток при кратко замыкание води до прекомерно напрежение на сериен реактор. |
C=254μF, L=40mH: Ток при кратко замыкание 20кA, напрежение на реактора 246кV; C=507μF, L=20mH: Ток при кратко замыкание 35кA, напрежение на реактора 173кV |
|
2. Угъл на началото на кратко замыкание |
Преходните характеристики са нечувствителни към фазовия ъгъл на кратко замыкание, влият само върху големината на тока; максимален ток при 90°. |
Фаза 90° (C=507μF, L=20mH): Ток при кратко замыкание 35кA; Фаза 0°: Ток при кратко замыкание 28кA |
IV. Комплексно сравнение на двете FCL решения
|
Размер на сравнение |
FCL, основан на насищаем реактор |
FCL, основан на ZnO гасител |
|
Основно преимущество |
Предимство в ограничаването на тока; добра балансира между тока при кратко замыкание и напрежението на компонентите, постигаема чрез оптимизация на параметрите. |
Лесно ограничава напрежението на кондензатора; преходните характеристики не са влияни от фазовия ъгъл на кратко замыкание; по-прост дизайн. |
|
Основно ограничение |
Изисква точна оптимизация на хистерезисните характеристики на ядрото и параметрите C/L; трудно контролируемо напрежение на кондензатора; значително влияет от фазовия ъгъл на кратко замыкание. |
Значителен проблем с напрежението на сериен реактор при стремеж към нисък ток при кратко замыкание; изисква строг контрол на стойността на L. |
|
Ключово изискване за параметри |
Оптимална еквивалентна насищаема индуктивност LB2 ≈ 1/3 от капацитивната реактивност. |
Индуктивността на сериен реактор не трябва да е прекалено голяма. |
|
Предпочитаем сценарий за приложение |
Подходящо за средно-ниски напрежения (например 110кV) в високонапрегови мрежи, където се изисква висока производителност в ограничаването на тока. |
Подходящо за сценарии, чувствителни към напрежението на кондензатора, с умерени изисквания за ограничаване на тока при кратко замыкание. |
|
Общи характеристики |
1. Проста структура: Състои се изцяло от конвенционални електрически компоненти, без сложен контрол; |
V. Заключение
Това изследване предлага два иновативни решения за серийна резонансна FCL, основани на конвенционални компоненти, успешно преодоляващи техническите и икономическите буталници на традиционните суперпроводящи и електронни FCL.
- FCL, основан на насищаем реактор: Чрез внимателна оптимизация на хистерезисната петля на ядрото, установяване на стойността на насищаемата индуктивност (LB2) приблизително 1/3 от капацитивната реактивност, и осигуряване на добра координация с параметрите на кондензатора и сериен реактор, може ефективно да ограничи напрежението на кондензатора и да постигне отлични преходни характеристики за ограничаване на тока. Това е особено подходящо за мрежи с средно-ниски напрежения като 110кV.
- FCL, основан на ZnO гасител: Използвайки нелинейните характеристики на ZnO, лесно ограничава напрежението на кондензатора, и неговата производителност не се влияе от фазовия ъгъл на кратко замыкание. Обаче, трябва да се обърне внимание, за да се избегне прекомерно напрежение на сериен реактор, причинено от прекалено голяма стойност на L. Това е по-подходящо за случаи с високи изисквания за безопасността на кондензатора и умерени нужди за ограничаване на тока.
