Serienresonanter Kurzschlussstrombegrenzer basierend auf herkömmlichen Komponenten: Eine wirtschaftliche und zuverlässige Lösung für Kurzschlussströme

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Einführung: Forschungshintergrund und Kernziele

Schwere des Kurzschlussstromproblems
Mit der stetigen Ausweitung des Netzausbaus und dem kontinuierlichen Wachstum seiner Kapazität ist das Niveau des Systemkurzschlussstroms stark angestiegen und nähert sich oder übersteigt die Belastbarkeitsgrenzen bestehender Geräte.
• Datenunterstützung: Überwachungen zeigen, dass der erwartete Kurzschlussstrom in einigen 500kV-, 220kV- und sogar 10kV-Umspannwerken im Inland 100 kA überschreitet; die maximale periodische Komponente des Kurzschlussstroms bei wichtigen Stromquellen erreicht bis zu 300 kA.
• Schwere Gefahren: Extrem hohe Kurzschlussströme führen zu einem Mangel an geeigneten Hochspannungssicherungsmodellen, Schäden an elektrischen Geräten aufgrund des Überschreitens thermischer und elektrodynamischer Kraftgrenzen und können auch zu Sicherheitsproblemen wie elektromagnetischer Störungen in Kommunikationssystemen, Erhöhung des Bodenpotentials und Schrittspannungen führen. Dies ist ein technisches Engpassproblem, das die sichere und wirtschaftliche Entwicklung des Stromnetzes einschränkt.
Einschränkungen der bestehenden FCL-Technologien
Die aktuellen, weit verbreiteten FCL-Technologien (Fault Current Limiter) haben inhärente Nachteile, die eine großflächige Anwendung erschweren:
• Supraleitende FCL: Basiert auf supraleitenden Materialien, eine Technologie, die noch nicht reif ist, bietet geringe Zuverlässigkeit, erfordert hohe Betriebs- und Wartungskosten und ist wirtschaftlich ungünstig, was ihre ingenieurtechnische Anwendung in kurz- bis mittelfristiger Perspektive verhindert.
• Leistungselektronische FCL: Begrenzt durch die Spannungsfestigkeit und Stromtragfähigkeit von Leistungshalbleiterbauteilen, stellt sie Herausforderungen in Bezug auf die Spannungs- und Stromaufteilung in Serie/Parallel, hat eine komplexe Systemstruktur (erfordert zusätzliche strombegrenzende Komponenten und schnelle Schutzschaltungen) und ist kostspielig.
Kernziel dieser Forschung
Um die oben genannten Probleme zu lösen, zielt diese Studie darauf ab, eine auf herkömmlichen elektrischen Bauteilen basierende, nicht-supraleitende und nicht-leistungselektronische Reihenresonanz-Fault-Current-Limiter-Lösung vorzuschlagen. Konkret werden zwei Topologien untersucht:
Reihenresonante FCL basierend auf einem Sättigungswiderstand
Reihenresonante FCL basierend auf einem ZnO-Schützer
Diese Forschung wird EMTP-Simulationen (Electromagnetic Transients Program) verwenden, um ihre transiente Strombegrenzungseigenschaften tiefgründig zu analysieren, einen Vergleich durchzuführen und letztendlich ihre bedeutenden Vorteile in technischer Machbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit zu verifizieren.

II. Reihenresonante FCL basierend auf Sättigungswiderstand

Schaltungsstruktur und Arbeitsprinzip
• Topologie-Struktur: Der Kern besteht aus einem Sättigungswiderstand L_B, einem Kondensator C und einem Reihenwiderstand L. L_B ist parallel zu C angeschlossen, und diese Kombination ist dann in Reihe mit L in das System geschaltet.
• Arbeitsprinzip:
o Normalbetrieb: Der Leitungstrom ist klein. L_B arbeitet im unsättigten Bereich (seine äquivalente Induktivität L_B1 ist sehr groß). Seine Parallelkombination mit C verhält sich induktiv. Zusammen mit dem Reihenwiderstand L erfüllen sie die Bedingung für die Netzfrequenz-Reihenresonanz (ωL - 1/ωC ≈ 0). Das Gerät präsentiert eine sehr geringe Impedanz, was minimale Systemverluste bewirkt.
o Fehlerzustand: Ein plötzlicher Anstieg des Kurzschlussstroms sättigt L_B schnell (seine äquivalente Induktivität fällt drastisch auf L_B2). Sein Parallelzweig short-circuit effektiv den Kondensator C, wodurch die Resonanzbedingung gebrochen wird. In diesem Moment sind sowohl der Reihenwiderstand L als auch der gesättigte Widerstand L_B2 in das System eingeschaltet, was den Kurzschlussstrom wirksam begrenzt.
o Fehlerbehebung: Nach der Fehlerbehebung sinkt der Strom. L_B tritt automatisch aus der Sättigung aus, der Kondensator wird wieder eingebunden, und die Schaltung kehrt in den Resonanzzustand zurück, was eine selbstauslösende Schaltung ohne externe Energiequelle ermöglicht.
• Prinzipien der Parameterauswahl:
o ω²L_B1C >> 1 (Sichert, dass der Parallelzweig während des Normalbetriebs induktiv verhält)
o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Erfüllt die Resonanzbedingung für den Normalbetrieb)
o ω²L_B2C << 1 (Sichert, dass der Parallelzweig während eines Fehlers kapazitiv verhält, was den Kondensator effektiv short-circuits)
Simulationsanalyse der Strombegrenzungseigenschaften (EMTP)
Die Simulation wurde unter einer Einphasen-Erdschlussfehlbedingung in einem 220kV-System (vorhergesagter Spitzenkurzschlussstrom: 110kA) durchgeführt. Die wichtigsten Schlussfolgerungen lauten wie folgt:

Einflussfaktor	Kernschlussfolgerung	Typische Simulationsdaten (Beispiel)
1. Unsättigungsinduktivität L_B1	Eine Erhöhung von L_B1 reduziert die Kondensatorenüberspannung signifikant, hat jedoch wenig Auswirkungen auf den Kurzschlussstrom; der Effekt sättigt.	L_B1=1317mH: Kondensatorspannung 270kV; L_B1=1321mH: Kondensatorspannung 157kV (42% Reduktion)
2. Gesättigte Induktivität L_B2	Es gibt einen optimalen Bereich (1-7mH). Zu klein ergibt schlechte Begrenzung; zu groß verursacht starke Kondensatorenüberspannung.	L_B2=7mH (C=507μF, L=20mH): Kurzschlussstrom 25kA, Kondensatorspannung 157kV
3. C/L-Parameter-Koordination	Es gibt eine optimale Kombination, um den Kurzschlussstrom und die Kondensatorenüberspannung kooperativ zu steuern.	Optimale Kombination (C=406μF, L=25mH): Kurzschlussstrom 22kA, Kondensatorspannung 142kV
4. Phasenwinkel des Kurzschlusses	Die transitorischen Eigenschaften werden stark vom Phasenwinkel beeinflusst; die schwerwiegendste Überspannung tritt bei 0°/180° auf; das Design muss den schlimmsten Fall berücksichtigen.	0° Phase: Kurzschlussstrom 18kA, Kondensatorspannung 201kV; 90° Phase: Kurzschlussstrom 22kA, Kondensatorspannung 142kV

III. Reihenresonante FCL basierend auf ZnO-Schützer

Schaltungsstruktur und Arbeitsprinzip
• Topologie-Struktur: Der Sättigungswiderstand L_B wird durch einen ZnO-Schützer ersetzt. Die restliche Struktur (paralleler C + serieller L) bleibt unverändert.
• Arbeitsprinzip: Das Prinzip ist das gleiche wie beim Sättigungswiderstandstyp. Während des Normalbetriebs zeigt der ZnO hohe Widerstandswerte, und die Schaltung resonnier. Bei einem Fehler führt die steigende Kondensatorspannung dazu, dass der ZnO leitfähig wird (zeigt niedrigen Widerstand), short-circuits den Kondensator und bricht die Resonanz. Der Reihenwiderstand L begrenzt den Strom. Das System erholt sich nach der Fehlerbehebung automatisch. Der gesamte Prozess nutzt die nichtlinearen Spannungs-Strom-Eigenschaften des ZnO für die automatische Schaltung.
Simulationsanalyse der Strombegrenzungseigenschaften
Die Simulation unter denselben Systembedingungen ergab die folgenden Schlussfolgerungen:

Einflussfaktor	Kernschlussfolgerung	Typische Simulationsdaten (Beispiel)
1. Restspannung des Schützers & C/L-Koordination	Leichte Begrenzung der Kondensatorenüberspannung, aber eine Erhöhung von L zur Verfolgung eines niedrigeren Kurzschlussstroms führt zu übermäßig hohen Spannungen am Reihenwiderstand.	C=254μF, L=40mH: Kurzschlussstrom 20kA, Widerstandsspannung 246kV; C=507μF, L=20mH: Kurzschlussstrom 35kA, Widerstandsspannung 173kV
2. Phasenwinkel des Kurzschlusses	Die transitorischen Eigenschaften sind unempfindlich gegenüber dem Phasenwinkel des Kurzschlusses, betreffen nur die Stromstärke; maximaler Strom bei 90°.	90° Phase (C=507μF, L=20mH): Kurzschlussstrom 35kA; 0° Phase: Kurzschlussstrom 28kA

IV. Gegenüberstellung der beiden FCL-Lösungen

Vergleichsdimension	FCL basierend auf Sättigungswiderstand	FCL basierend auf ZnO-Schützer
Kernvorteil	Hervorragende Strombegrenzung; gute Balance zwischen Kurzschlussstrom und Bauteilüberspannung durch Parametervariation erreichbar.	Einfache Begrenzung der Kondensatorenüberspannung; transitorische Eigenschaften unabhängig vom Phasenwinkel des Kurzschlusses; einfacheres Design.
Kerneinschränkung	Erfordert präzise Optimierung der Hysteresecharakteristika des Kerns und der C/L-Parameter; schwierige Kontrolle der Kondensatorenüberspannung; stark vom Phasenwinkel des Kurzschlusses beeinflusst.	Auffälliges Überspannungsproblem am Reihenwiderstand bei Bestrebungen, den Kurzschlussstrom zu senken; erfordert strenge Kontrolle des L-Werts.
Wichtige Parameteranforderung	Optimale äquivalente gesättigte Induktivität L_B2 ≈ 1/3 der kapazitiven Reaktanz.	Der Induktionswert des Reihenwiderstands sollte nicht zu hoch sein.
Vorzugsanwendungsfall	Geeignet für mittlere und niedrige Spannungsebenen (z.B. 110kV) in Hochspannungsnetzen, wo hohe Strombegrenzungsleistung erforderlich ist.	Geeignet für Szenarien, die empfindlich auf Kondensatorenüberspannungen reagieren, mit moderater Kurzschlussstrombegrenzungsanforderung.
Gemeinsame Eigenschaften	1. Einfache Struktur: Bestehend aus herkömmlichen elektrischen Bauteilen, keine komplexe Steuerung; 2. Gute Wirtschaftlichkeit: Kosten deutlich niedriger als bei supraleitenden und leistungselektronischen Typen; 3. Hohe Zuverlässigkeit: Automatischer Betrieb basierend auf physikalischen Eigenschaften, keine externe Steuerung notwendig; 4. Automatische Schaltung: Sofortiger Rückgang nach Fehlerbehebung.

V. Schlussfolgerung

Diese Studie schlägt zwei innovative, auf herkömmlichen Bauteilen basierende, reihenresonante Fault-Current-Limiter-Lösungen vor, die die technischen und wirtschaftlichen Engpässe traditioneller supraleitender und leistungselektronischer FCLs erfolgreich überwinden.

FCL basierend auf Sättigungswiderstand: Durch sorgfältige Optimierung der Hysteresecharakteristika des Kerns, die Einstellung der gesättigten Induktivität (L_B2) auf etwa 1/3 der kapazitiven Reaktanz und eine gute Koordination mit den Kondensator- und Reihenwiderstandsparametern kann die Kondensatorenüberspannung effektiv unterdrückt und exzellente transiente Strombegrenzungsleistung erreicht werden. Es ist besonders für mittlere und niedrige Spannungsebenen wie 110kV geeignet.
FCL basierend auf ZnO-Schützer: Die Nutzung der nichtlinearen Eigenschaften des ZnO begrenzt leicht die Kondensatorenüberspannung, und die Leistung wird nicht vom Phasenwinkel des Kurzschlusses beeinflusst. Allerdings muss darauf geachtet werden, dass übermäßig hohe L-Werte nicht zu Überspannungen am Reihenwiderstand selbst führen. Es ist besser geeignet für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Kondensatorsicherheit und moderate Strombegrenzungsbedürfnisse.

08/26/2025