Sarivärkeline faalide juhtimiselimiit, mis põhineb tavalistel komponentidel: majanduslik ja usaldusväärne lühikute voolude lahendus

Sissejuhatus: Uurimise taust ja peamised eesmärgid

Lühikese kõrvaltsöökiurite probleemi tõsidus
Kuna elektrivõrgu suurus ja selle võime jätkuvalt kasvavad, on süsteemi lühikese kõrvaltsöökiuri taseme tõusnud oluliselt, lähenedes või isegi ületades olemasolevate seadmete kestekindluse piire.
• Andmeanalüüs: Monitorimisandmed näitavad, et mõnesid 500kV, 220kV ja isegi 10kV alamvooluvormide lähikuhtumine on ületanud 100 kA; suurimate energiaallikate perioodilise komponendi lühikese kõrvaltsöökiuri maksimum on saavutanud 300 kA.
• Tõsised ohud: Väga kõrge lühikese kõrvaltsöökiur põhjustab sobivade kõrgepingese sulutega mudelite puudumise, elektriseadmete kahjustumise soojendus- ja elektrodünaamiliste jõudude piiride ületamisel ning võib ka põhjustada turvaprobleeme nagu sideüksuste elektromagnetiline segamine, maapinna potentsiaali tõus ja astmespannung. See on muutunud tehnoloogiliseks ümberpaneks, mis takistab elektrivõrgu ohutut ja majanduslikult tõhusat arengut.
Olemasolevate FCL-tehnoloogiate piirangud
Praegused populaarsed veafunktsioonide limiter (FCL) tehnoloogiad omavad loomulikke puudusi, mis muudavad nende laiaulatuslikku rakendamist raskeks:
• Ülekandevaba FCL: Sellel on sõltuvus ülekandevabatest materjalidest, mis on veel arenemata tehnoloogia, pakub madalat usaldusväärsust, hõlmab kõrgeid hoolduskulusid ja on majanduslikult ebasoodne, mis takistab selle insenerilist rakendamist lühikeseks ja keskmiseks aja jooksul.
• Energiaelektronika FCL: See on piiratud energiaelektronika seadmete pingetähelepanuvõimega ja läbiviimise võimega, silmitses sarjaparalleelsete pingete ja voolude jagamise kontrolliga, sisaldab keerulist süsteemistruktuuri (mis nõuab lisalisi voolupiirangukomponente ja kiireid kaitsekitte) ja on kulukas.
See uurimuse peamine eesmärk
Nende küsimuste lahendamiseks selles uuringus esitatakse sarjaresonantsil põhineva veafunktsioonide limiteri lahendus, mis põhineb tavalistel elektriseadmetel, mitte ülekandevabal ega energiaelektronikal. Konkreetsetena uuritakse kahte topoloogiat:
Sarjaresonantsiline FCL, mis põhineb täidisreaktoril
Sarjaresonantsiline FCL, mis põhineb ZnO varjundil
Selles uuringus kasutatakse Elektromagnetiliste ajutiste programm (EMTP) simulatsiooni, et sügavalt analüüsida nende ajutiste voolupiiranguomadusi, võrrelda neid ja lõpuks kinnitada nende olulisi eeliseid tehnilises viisil, majanduslikult ja töötab usaldusväärselt.

II. Täidisreaktoril põhinev sarjaresonantsiline FCL

Kiiruhaldus ja töötamise printsiip
• Topoloogia struktuur: Üksikasjad koosnevad täidisreaktorist L_B, kondensaatorist C ja sarjareaktorist L. L_B on paralleelselt ühendatud C-ga, ja see kombinatsioon on siis sarjaliselt ühendatud L-ga süsteemiga.
Töötamise printsiip:
o Tavaline töö: Joonevool on väike. L_B töötab mitte-täidisolukorras (selle ekvivalentne induktiivsus L_B1 on väga suur). Selle paralleelne kombinatsioon C-ga käitub induktiivselt. Koos sarjareaktoriga L rahuldavad need võrkfrekventsi sarjaresonantsi tingimust (ωL - 1/ωC ≈ 0). Seade esitab väga madala impedantsi, mis tulemusena on süsteemikaotused minimaalsed.
o Viga: Lühikese kõrvaltsöökiuri kasv täidis L_B kiiresti (selle ekvivalentne induktiivsus langab drastiliselt L_B2-ni). Selle paralleelne haru efektivselt lühikute kondensaatori C, lõpetades resonantsi tingimused. Sel hetkel on sarjareaktor L ja tädis reaktor L_B2 mõlemad ühendatud süsteemiga, efektivselt piirates lühikese kõrvaltsöökiuri.
o Viga on kustutatud: Pärast vigade kustutamist, vool väheneb. L_B automaatselt väljub täditusest, kondensaator on taas ühenduses, ja kiir on tagasi resonantsi olekus, saavutades automaatset lülitumist ilma välise energiaallikata.
• Parameetrite valimise printsiibid:
o ω²L_B1C >> 1 (Tagab paralleelharu induktiivse käitumise normaalse töö ajal)
o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Rahuldab normaalse töö ajal resonantsitingimust)
o ω²L_B2C << 1 (Tagab paralleelharu kapatsiitse käitumise vigade ajal, efektivselt lühikutades kondensaatori)
Voolupiiranguomaduste simulatsioonianalüüs (EMTP)
Simulatsioon tehti 220kV süsteemis (ennustatav lühikese kõrvaltsöökiuri tipp: 110kA) ühefaasi-maa lühikese kõrvaltsöökiuri tingimustes. Olulised järeldused on järgmised:

Mõjutav tegur	Põhiline järeldus	Tüüpiline simulatsioonandmed (näide)
1. Mitte-tädis induktiivsus L_B1	L_B1 suurenemine vähendab oluliselt kondensaatori ülepinti, kuid mõjutab vähe lühikese kõrvaltsöökiuri; mõju sättub.	L_B1=1317mH: Kondensaatori pingeline 270kV; L_B1=1321mH: Kondensaatori pingeline 157kV (42% vähenemine)
2. Tädis induktiivsus L_B2	Optimaalne vahemik eksisteerib (1-7mH). Liiga väike ei piira hästi; liiga suur põhjustab tõsise kondensaatori ülepinti.	L_B2=7mH (C=507μF, L=20mH): Lühikese kõrvaltsöökiuri 25kA, Kondensaatori pingeline 157kV
3. C/L parameetrite koordineerimine	Optimaalne kombinatsioon eksisteerib, et koostöös kontrollida lühikese kõrvaltsöökiuri ja kondensaatori ülepinti.	Optimaalne kombinatsioon (C=406μF, L=25mH): Lühikese kõrvaltsöökiuri 22kA, Kondensaatori pingeline 142kV
4. Lühikese kõrvaltsöökiuri algusaeg	Ajutised omadused on suuresti mõjutatud faaside nurkade poolt; kõige tõsisem ülepint 0°/180°; disain peab arvestama halvimat juhtumit.	0° faas: Lühikese kõrvaltsöökiuri 18kA, Kondensaatori pingeline 201kV; 90° faas: Lühikese kõrvaltsöökiuri 22kA, Kondensaatori pingeline 142kV

III. ZnO varjundi põhinev sarjaresonantsiline FCL

Kiiruhaldus ja töötamise printsiip
• Topoloogia struktuur: Täidisreaktor L_B asendatakse ZnO varjundiga. Ülejäänud struktuur (paralleelne C + sarjane L) jääb samaks.
• Töötamise printsiip: Printsiip on sama, mis tädisreaktori tüübil. Normaalse töö ajal ZnO näitab kõrget vastust, ja kiir resoneerib. Vigade ajal kondensaatori pingeline tõus põhjustab ZnO läbitsemise (näitab madalat vastust), lühikute kondensaatori ja lõpetab resonantsi. Sarjareaktor L piirab voolu. Süsteem taastub automaatselt pärast vigade kustutamist. Kogu protsess kasutab ZnO mittelineaarseid volt-ampere omadusi automaatseks lülitumiseks.
Voolupiiranguomaduste simulatsioonianalüüs
Samade süsteemingimustega simulatsioon annab järgmised olulised järeldused:

Mõjutav tegur	Põhiline järeldus	Tüüpiline simulatsioonandmed (näide)
1. Varjundi jääkvool ja C/L koordineerimine	Kerge piirata kondensaatori ülepinti, kuid L suurenemine, et saavutada madalam lühikese kõrvaltsöökiuri, põhjustab sarjareaktori ülepinti.	C=254μF, L=40mH: Lühikese kõrvaltsöökiuri 20kA, Reaktori pingeline 246kV; C=507μF, L=20mH: Lühikese kõrvaltsöökiuri 35kA, Reaktori pingeline 173kV
2. Lühikese kõrvaltsöökiuri algusaeg	Ajutised omadused on tundlikud lühikese kõrvaltsöökiuri fasi nurka, mõjutades ainult voolu suurust; maksimaalne vool 90°.	90° faas (C=507μF, L=20mH): Lühikese kõrvaltsöökiuri 35kA; 0° faas: Lühikese kõrvaltsöökiuri 28kA

IV. Kõigi kahe FCL skeemi üldine võrdlus

Võrdluse mõõde	FCL, mis põhineb tädisreaktoril	FCL, mis põhineb ZnO varjundil
Põhiline eelis	Parim voolupiiranguefekt; hea tasakaal lühikese kõrvaltsöökiuri ja komponendite ülepinti vahel parameetrite optimiseerimise kaudu.	Kerge piirata kondensaatori ülepinti; ajutised omadused on mõjutamatud lühikese kõrvaltsöökiuri fasi nurka; lihtsam disain.
Põhiline piirang	Nõuab täpset hüsteeresisussüsteemi ja C/L parameetrite optimiseerimist; rasked kondensaatori ülepinti kontroll; oluliselt mõjutatud lühikese kõrvaltsöökiuri fasi nurka.	Tõsine ülepintiprobleem sarjareaktoris, kui jälgida madalat lühikese kõrvaltsöökiuri; nõuab rangeid L väärtuste kontroleid.
Oluline parameetri nõue	Optimaalne ekvivalentne tädis induktiivsus L_B2 ≈ 1/3 kondensaatori reaktivsest vastusest.	Sarjareaktori induktiivsuse väärtus ei tohi olla liiga suur.
Sobiv kasutusskenaar	Sobib keskmine-väikese pingetaseme (nt 110kV) kõrgepinge võrkudes, kus nõutakse kõrget voolupiiranguefekti.	Sobib skenaariumides, kus on tundlik kondensaatori ülepinti ja keskmine lühikese kõrvaltsöökiuri piiramise nõue.
Ühised omadused	1. Lihtne struktuur: Koosneb täielikult tavalistest elektriseadmetest, mitte keeruline kontroll; 2. Hea majanduslikkus: Kulu palju madalam kui ülekandevaba ja energiaelektronika tüübidel; 3. Kõrge usaldusväärsus: Automaatne tööfüüsikaomaduste alusel, mitte vaja välise kontrolli; 4. Automaatne lülitumine: Viga kustutamisel kiire taastumine.

V. Järeldused

Selles uuringus esitatakse kaks innovaatilist sarjaresonantsil põhinevat veafunktsioonide limiteri lahendust, mis põhinevad tavalistel komponentidel, edukalt ületades traditsiooniliste ülekandevaba ja energiaelektronika FCLide tehnoloogilisi ja majanduslikke ümberpanekuid.

Tädisreaktori FCL: Hoolikate hüsteeresisussüsteemi parameetrite optimiseerimise kaudu, määramine tädis induktiivsus (L_B2) umbes 1/3 kondensaatori reaktivsest vastusest, ja tagamist hea koordineerimist kondensaatori ja sarjareaktori parameetritega, saab efektivselt piirata kondensaatori ülepinti ja saavutada suurepärane ajutine voolupiiranguefekt. See on eriti sobilik keskmine-väikese pingetaseme võrkudele, nagu 110kV.
ZnO varjundi FCL: ZnO mittelineaarseid omadusi kasutades, piiratakse kondensaatori ülepinti lihtsalt, ja selle omadused on mõjutamatud lühikese kõrvaltsöökiuri fasi nurka. Siiski tuleb tähelepanelikult jälgida, et vältida sarjareaktori enda ülepinti, mis tekib L väärtuste üleliigsest suurenemisest. See on sobilik rohkem sündmustele, kus on kõrge nõue kondensaatori turvalisusele ja keskmine voolupiiranguefekt.

08/26/2025