Serieresonant fejlstrøm begrænser baseret på konventionelle komponenter: En økonomisk og pålidelig kortslutningsstrømløsning

1. Introduktion: Forskningsbaggrund og kerneobjektiver

1. Alvorligheden af problemet med kortslutningsstrøm
   Med den kontinuerlige udvidelse af strømnetværkets skala og den konstante vækst i dets kapacitet, har systemets kortslutningsstrømniveau stigit markant, nærmer sig eller overskrider endda udståelsesgrænserne for eksisterende udstyr.
   • Dataunderbygning: Overvågning viser, at den forventede kortslutningsstrøm på nogle 500 kV, 220 kV og endda 10 kV anlæg indenlands overgår 100 kA; den maksimale periodiske komponent af kortslutningsstrømmen ved de vigtigste strømforsyninger når op til 300 kA.
   • Serius farer: Ekstremt høje kortslutningsstrømme resulterer i manglen på passende højspændingsbrydermodeller, forårsager skade på elektrisk udstyr på grund af overskridelse af termiske og elektrodynamiske kraftgrænser, og kan også føre til sikkerhedsproblemer som elektromagnetisk støj i kommunikationssystemer, jordpotentialestigning og trinvolt. Dette er blevet en nøgles teknisk flaskehals, der begrænser det sikre og økonomiske udvikling af strømnetværket.
2. Begrænsninger i eksisterende FCL-teknologier
   De nuværende mainstream fejlstrømbegrænsere (FCL) har inbyggede ulemper, der gør stor skala anvendelse svær:
   • Superledende FCL: Afhænger af superledende materialer, en teknologi, der ikke er moden, byder på lav pålidelighed, involverer høje drifts- og vedligeholdelsesomkostninger, og er økonomisk ugunstig, hvilket forhindrer dens tekniske anvendelse i den nærmeste fremtid.
   • Kraftelktronisk FCL: Begrænset af spændingsudholdenhed og strømfordringer for kraftelktroniske halvlederkomponenter, står over for udfordringer i serie-/parallelopladningskontrol, har en kompleks systemstruktur (kræver yderligere strømbegrænsende komponenter og hurtige beskyttelseskredsløb), og er kostbart.
3. Kerneobjektiv for denne forskning
   For at løse ovenstående problemer, har denne undersøgelse til formål at foreslå en række-resonans fejlstrømbegrænser baseret på konventionelle elektriske komponenter, som ikke er superledende eller kraftelktronisk. Specifikt studeres to topologier:
4. Række-resonans FCL baseret på en mætbar reaktor
5. Række-resonans FCL baseret på en ZnO arrester
   Denne undersøgelse vil bruge Elektromagnetiske Transienters Program (EMTP) simulation til at dybt analysere deres midlertidige strømbegrænsningskarakteristika, foretage en sammenligning, og til sidst verificere deres betydelige fordele i teknisk gennemførlighed, økonomi og driftsbare pålidelighed.

II. Række-resonans FCL baseret på mætbar reaktor

1. Kredsløbstopologi og arbejdsmåde
   • Topologistruktur: Kernen består af en mætbar reaktor L_B, en kondensator C, og en serie reaktor L. L_B er forbundet parallel med C, og dette sammensæt er derefter forbundet serie med L ind i systemet.
   • Arbejdsmåde:
   o Normal drift: Linjestrømmen er lille. L_B fungerer i den umættede region (dens ækvivalente induktance L_B1 er meget stor). Dens parallel kombination med C opfører sig induktivt. Sammen med seriereaktoren L, opfylder de frekvensserie-resonansbetingelsen (ωL - 1/ωC ≈ 0). Enheden præsenterer meget lav impedans, hvilket resulterer i minimale systemtab.
   o Fejltilstand: En stigning i kortslutningsstrømmen mætter L_B hurtigt (dens ækvivalente induktance falder skarpt til L_B2). Dens parallel gren effektivt kortslutter kondensatoren C, hvilket bryder resonansbetingelsen. I dette punkt bliver seriereaktoren L og den mættede reaktor L_B2 begge indsat i systemet, hvilket effektivt begrænser kortslutningsstrømmen.
   o Fejlafklaring: Efter fejlen er afklaret, falder strømmen. L_B forlader automatisk mætningen, kondensatoren genoptages, og kredsløbet returnerer til resonanstilstanden, hvilket opnår selvstyret skift uden ekstern strømforsyning.
   • Parametrevalgsprincipper:
   o ω²L_B1C >> 1 (Sikrer, at parallel gren opfører sig induktivt under normal drift)
   o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Opfylder resonansbetingelsen for normal drift)
   o ω²L_B2C << 1 (Sikrer, at parallel gren opfører sig kapacitivt under en fejl, effektivt kortslutter kondensatoren)
2. Strømbegrænsningskarakteristikanalyse (EMTP)
   Simulation blev udført under en enefase-jordfejl i et 220 kV system (forventet kortslutningsstrøm peak: 110 kA). Nøglekonklusioner er som følger:

III. Række-resonans FCL baseret på ZnO arrester

1. Kredsløbstopologi og arbejdsmåde
   • Topologistruktur: Den mætbar reaktor L_B erstattes af en ZnO arrester. Resten af strukturen (parallel C + serie L) forbliver uændret.
   • Arbejdsmåde: Principet er det samme som for den mætbare reaktortype. Under normal drift viser ZnO høj modstand, og kredsløbet resonancerer. Under en fejl, fører stigende kondensatore spænding til, at ZnO leder (viser lav modstand), kortslutter kondensatoren og bryder resonansen. Seriereaktoren L begrænser strømmen. Systemet genopretter sig automatisk efter fejlafklaring. Hele processen udnytter den ikke-lineære volt-ampere karakteristik af ZnO til automatisk skift.
2. Strømbegrænsningskarakteristikanalyse
   Simulation under samme systembetingelser resulterede i nøglekonklusioner:

IV. Komparativ analyse af de to FCL-løsninger

V. Konklusion

Denne undersøgelse foreslår to innovative række-resonans fejlstrømbegrænsere baseret på konventionelle komponenter, der succesfuldt overkommer de tekniske og økonomiske flaskehalse i traditionelle superledende og kraftelktroniske FCL'er.

1. Mætbar reaktor FCL: Gennem omhyggelig optimering af kjernens hystereseloop karakteristik, indstilling af mættet induktanceværdien (L_B2) til cirka 1/3 af kapacitiv reaktance, og sikring af god koordinering med kondensator- og seriereaktorparametre, kan det effektivt begrænse kondensatoreoverspænding og opnå fremragende midlertidig strømbegrænsningsevne. Det er særligt egnede til mediumlav spændingsniveauer i net som 110 kV.
2. ZnO arrester FCL: Ved at udnytte de ikke-lineære karakteristika af ZnO, begrænser det let kondensatoreoverspænding, og dens ydeevne påvirkes ikke af kortslutningsfasenvinklen. Dog skal der tages højde for at undgå overspænding på selve seriereaktoren, der skyldes for store L-værdier. Det er mere egnede til lejligheder, hvor der er høje krav til kondensatorsikkerhed og moderate strømbegrænsningsbehov.