Seriově rezonanční omezovač chybového proudu založený na běžných komponentách: Ekonomické a spolehlivé řešení krátkozavodného proudu
- Úvod: Výzkumné základy a hlavní cíle
- Závažnost problému krátkozaměřného proudu
S neustálým rozšiřováním měřítka elektrických sítí a stálým růstem jejich kapacity se úroveň krátkozaměřného proudu v systému dramaticky zvýšila, přibližujíc se nebo dokonce přesahující odolnost stávajících zařízení.
• Datová podpora: Monitorování ukazuje, že očekávaný krátkozaměřný proud některých 500 kV, 220 kV a dokonce i 10 kV transformačních stanic doma přesáhl 100 kA; maximální periodická složka krátkozaměřného proudu u hlavních zdrojů energie dosahuje až 300 kA.
• Závažné rizika: Extrémně vysoké krátkozaměřné proudy vedou k nedostatku vhodných modelů vysokonapěťových vypínačů, poškozují elektrická zařízení překračováním termických a elektrodynamických silových limitů a mohou také vést ke bezpečnostním problémům jako je elektromagnetické rušení v komunikačních systémech, zvednutí potenciálu země a napětí na krok. Toto se stalo klíčovým technickým látkovým uzlem, který omezuje bezpečný a ekonomický rozvoj elektrické sítě. - Omezení stávajících FCL technologií
Současné mainstreamové technologie omezovačů poruchového proudu (FCL) mají vrozené nedostatky, což ztěžuje jejich široké uplatnění:
• Supravodičový FCL: Spoléhá na supravodičové materiály, technologie, která není ještě zralá, nabízí nízkou spolehlivost, vysoce nákladné provozní a údržbové náklady a není ekonomicky výhodná, což brání její inženýrské aplikaci v krátkém až střednědobém horizontu.
• FCL založený na elektronice pro energetiku: Omezený nosnou schopností a proudivou kapacitou polovodičových součástek, čelí výzvám v řízení série/paralelního dělení napětí a proudu, má komplexní strukturu systému (vyžaduje dodatečné omezující komponenty a rychlá ochranná obvody) a je nákladný. - Hlavní cíl tohoto výzkumu
Pro řešení výše uvedených problémů tento studie navrhuje sériový rezonanční omezovač poruchového proudu založený na konvenčních elektrických komponentách, který není supravodičový ani založený na elektronice pro energetiku. Konkrétně jsou studovány dvě topologie: - Sériový rezonanční FCL založený na nasyceném reaktoru
- Sériový rezonanční FCL založený na ZnO ochranném prvku
Tento výzkum bude používat simulaci Elektromagnetických přechodných jevů (EMTP) pro hlubokou analýzu jejich přechodných charakteristik omezování proudu, provede srovnání a nakonec ověří jejich významné výhody v technické možnosti realizace, ekonomice a provozní spolehlivosti.
II. Sériový rezonanční FCL založený na nasyceném reaktoru
- Topologie obvodu a princip fungování
• Struktura topologie: Jádro tvoří nasycený reaktor LB, kondenzátor C a sériový reaktor L. LB je připojen paralelně s C a tato kombinace je pak připojena sériově s L do systému.
• Princip fungování:
o Běžná operace: Proud v čáru je malý. LB pracuje v nenasycené oblasti (jeho ekvivalentní indukčnost LB1 je velmi velká). Jeho paralelní kombinace s C se chová indukčně. Spolu s sériovým reaktorem L splňují podmínku sériové rezonance na síťové frekvenci (ωL - 1/ωC ≈ 0). Zařízení prezentuje velmi nízkou impedanci, což vede k minimálním ztrátám v systému.
o Stav poruchy: Rychlý nárůst krátkozaměřného proudu rychle nasycuje LB (jeho ekvivalentní indukčnost prudce klesne na LB2). Jeho paralelní větev efektivně krátí kondenzátor C, čímž se zruší rezonanční podmínka. V tomto okamžiku jsou sériový reaktor L a nasycený reaktor LB2 oba vloženy do systému, efektivně omezují krátkozaměřný proud.
o Vyřešení poruchy: Po vyřešení poruchy klesá proud. LB automaticky opouští nasycení, kondenzátor je znovu zapojen a obvod se vrátí do rezonančního stavu, dosahující samočinného přepínání bez externího zdroje energie.
• Principy výběru parametrů:
o ω²LB1C >> 1 (Zajišťuje, aby paralelní větev chovala indukčně během normální operace)
o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Splňuje rezonanční podmínku pro normální operaci)
o ω²LB2C << 1 (Zajišťuje, aby paralelní větev chovala kapacitně během poruchy, efektivně krátíc kondenzátor) - Analýza simulačních charakteristik omezování proudu (EMTP)
Simulace byla provedena za podmínek jednofázové poruchy k zemi v systému 220 kV (očekávaný vrchol krátkozaměřného proudu: 110 kA). Klíčové závěry jsou následující:
|
Účinek faktoru |
Klíčový závěr |
Typická simulační data (příklad) |
|
1. Nenasycená indukčnost LB1 |
Zvýšení LB1 výrazně snižuje nadnapětí kondenzátoru, ale má malý vliv na krátkozaměřný proud; efekt se nasycuje. |
LB1=1317mH: Napětí kondenzátoru 270 kV; LB1=1321mH: Napětí kondenzátoru 157 kV (42% snížení) |
|
2. Nasycená indukčnost LB2 |
Existuje optimální rozsah (1-7 mH). Příliš malý omezovací účinek, příliš velký způsobí vážné nadnapětí kondenzátoru. |
LB2=7 mH (C=507μF, L=20 mH): Krátkozaměřný proud 25 kA, napětí kondenzátoru 157 kV |
|
3. Koordinace parametrů C/L |
Existuje optimální kombinace pro kooperativní kontrolu krátkozaměřného proudu a nadnapětí kondenzátoru. |
Optimální kombinace (C=406μF, L=25 mH): Krátkozaměřný proud 22 kA, napětí kondenzátoru 142 kV |
|
4. Fázový úhel začátku krátkého spojení |
Přechodné charakteristiky jsou výrazně ovlivněny fázovým úhlem; nejhorší nadnapětí při 0°/180°; design musí zohlednit nejhorší případ. |
0° fáze: Krátkozaměřný proud 18 kA, napětí kondenzátoru 201 kV; 90° fáze: Krátkozaměřný proud 22 kA, napětí kondenzátoru 142 kV |
III. Sériový rezonanční FCL založený na ZnO ochranném prvku
- Topologie obvodu a princip fungování
• Struktura topologie: Nasycený reaktor LB je nahrazen ZnO ochranným prvkem. Zbývající struktura (paralelní C + sériový L) zůstává nezměněna.
• Princip fungování: Princip je stejný jako u typu s nasyceným reaktorem. Během normální operace ZnO ukazuje vysoký odpor a obvod rezonuje. Během poruchy rostoucí napětí kondenzátoru způsobí, že ZnO vede (ukazuje nízký odpor), krátí kondenzátor a ruší rezonanci. Sériový reaktor L omezí proud. Systém se automaticky obnoví po vyřešení poruchy. Celý proces využívá nelineární vlastnosti ZnO pro automatické přepínání. - Analýza simulačních charakteristik omezování proudu
Simulace ve stejných systémových podmínkách přinesla klíčové závěry:
|
Účinek faktoru |
Klíčový závěr |
Typická simulační data (příklad) |
|
1. Zbytkové napětí ochranného prvku a koordinace C/L |
Snadno lze omezit nadnapětí kondenzátoru, ale zvyšování L pro dosažení nižšího krátkozaměřného proudu vede k příliš vysokému napětí na sériovém reaktoru. |
C=254μF, L=40 mH: Krátkozaměřný proud 20 kA, napětí reaktoru 246 kV; C=507μF, L=20 mH: Krátkozaměřný proud 35 kA, napětí reaktoru 173 kV |
|
2. Fázový úhel začátku krátkého spojení |
Přechodné charakteristiky jsou nezávislé na fázovém úhlu krátkého spojení, ovlivňují pouze magnitudu proudu; maximální proud při 90°. |
90° fáze (C=507μF, L=20 mH): Krátkozaměřný proud 35 kA; 0° fáze: Krátkozaměřný proud 28 kA |
IV. Komplexní srovnání obou FCL řešení
|
Rozměr srovnání |
FCL založený na nasyceném reaktoru |
FCL založený na ZnO ochranném prvku |
|
Klíčová výhoda |
Vynikající omezovací efekt; dobré vyvážení mezi krátkozaměřným proudem a nadnapětím komponent dosažitelné optimalizací parametrů. |
Snadné omezování nadnapětí kondenzátoru; přechodné charakteristiky nejsou ovlivněny fázovým úhlem krátkého spojení; jednodušší návrh. |
|
Klíčová omezení |
Vyžaduje přesnou optimalizaci hystereze jádra a parametrů C/L; obtížná kontrola nadnapětí kondenzátoru; výrazně ovlivněno fázovým úhlem krátkého spojení. |
Výrazný problém s nadnapětím na sériovém reaktoru při snaze o dosažení nízkého krátkozaměřného proudu; vyžaduje přísnou kontrolu hodnoty L. |
|
Klíčové požadavky na parametry |
Optimální ekvivalentní nasycená indukčnost LB2 ≈ 1/3 kapacitní reakce. |
Hodnota indukčnosti sériového reaktoru by neměla být příliš velká. |
|
Upřednostňovaný scénář použití |
Vhodné pro střední a nízké napěťové úrovně (např. 110 kV) v vysokonapěťových sítích, kde je vyžadována vysoká výkonost omezování proudu. |
Vhodné pro scénáře citlivé na nadnapětí kondenzátoru s mírnými požadavky na omezování krátkozaměřného proudu. |
|
Společné charakteristiky |
1. Jednoduchá struktura: Složena pouze z konvenčních elektrických komponent, žádné komplikované řízení; |
V. Závěr
Tento výzkum navrhuje dvě inovativní sériové rezonanční FCL řešení založená na konvenčních komponentách, úspěšně překonávající technické a ekonomické látkové uzly tradičních supravodičových a elektronických FCL.
- FCL založený na nasyceném reaktoru: Prostřednictvím pečlivé optimalizace hysterezní smyčky jádra, nastavení hodnoty nasycené indukčnosti (LB2) přibližně na 1/3 kapacitní reakce a zajištění dobré koordinace s parametry kondenzátoru a sériového reaktoru lze efektivně potlačit nadnapětí kondenzátoru a dosáhnout vynikající přechodné výkonosti omezování proudu. Je zejména vhodný pro střední a nízké napěťové úrovně sítí, jako je 110 kV.
- FCL založený na ZnO ochranném prvku: Využitím nelineárních vlastností ZnO lze snadno omezit nadnapětí kondenzátoru a jeho výkon není ovlivněn fázovým úhlem krátkého spojení. Nicméně, je třeba se zaměřit na zabránění nadnapětí na samotném sériovém reaktoru způsobené příliš vysokou hodnotou L. Je více vhodný pro situace s vysokými požadavky na bezpečnost kondenzátoru a mírnými požadavky na omezování proudu.
