محدودکننده جریان خطا مبتنی بر هماهنگ سری با استفاده از قطعات معمولی: یک راه‌حل اقتصادی و قابل اعتماد برای جریان کوتاهمدار

مقدمه: زمینه پژوهش و اهداف اصلی

شدت مشکل جریان کوتاه‌مداری
با گسترش مداوم مقیاس شبکه برق و رشد مداوم ظرفیت آن، سطح جریان کوتاه‌مداری سیستم به طور قابل توجهی افزایش یافته است و به حد تحمل دستگاه‌های موجود نزدیک شده یا حتی آن را تجاوز کرده است.
• پشتیبانی داده: نظارت نشان می‌دهد که جریان کوتاه‌مداری پیش‌بینی‌شده در برخی از زیرстанسیون‌های ۵۰۰kV، ۲۲۰kV و حتی ۱۰kV داخلی بیش از ۱۰۰ kA است؛ بزرگترین مولفه دوره‌ای جریان کوتاه‌مداری در منابع برق اصلی به ۳۰۰ kA می‌رسد.
• خطرات جدی: جریان‌های کوتاه‌مداری بسیار بالا باعث عدم وجود مدل‌های مناسب قطع‌کننده‌های فشار بالا، خرابی تجهیزات برق به دلیل تجاوز از حدود حرارتی و نیروی الکترومغناطیسی، و همچنین موجب مشکلات ایمنی مانند تداخل الکترومغناطیسی در سیستم‌های ارتباطی، افزایش پتانسیل زمین و ولتاژ گام می‌شود. این موضوع به عنوان یک عامل فنی کلیدی محدودکننده توسعه ایمن و اقتصادی شبکه برق درآمده است.
محدودیت‌های فناوری‌های FCL موجود
فناوری‌های محدودکننده جریان خطای (FCL) معمولی امروزی دارای معایب ذاتی هستند که کاربرد در مقیاس بزرگ را دشوار می‌کنند:
• FCL فوق‌رسانا: وابسته به مواد فوق‌رسانا است، یک فناوری که هنوز به‌پایان رسیده نیست، قابلیت اطمینان کم، هزینه عملیاتی و نگهداری بالا و اقتصادی نامطلوب دارد که از کاربرد مهندسی آن در مدت کوتاه تا متوسط جلوگیری می‌کند.
• FCL الکترونیک قدرت: محدود به تحمل ولتاژ و ظرفیت حمل جریان دستگاه‌های نیمه‌رسانا، با چالش‌های کنترل تقسیم ولتاژ و جریان در سری/موازی، ساختار سیستم پیچیده (نیاز به مولفه‌های محدودکننده جریان اضافی و مدارهای محافظ سریع) و هزینه بالا مواجه است.
هدف اصلی این پژوهش
برای حل مشکلات ذکر شده، این مطالعه قصد دارد راه‌حلی مبتنی بر محدودکننده جریان خطای سری‌رنگی بر اساس مولفه‌های الکتریکی معمولی را پیشنهاد کند که غیرفوق‌رسانا و غیرالکترونیک قدرت است. به طور خاص، دو توپولوژی مورد مطالعه قرار می‌گیرند:
محدودکننده جریان خطای سری‌رنگی مبتنی بر رآکتور اشباع‌پذیر
محدودکننده جریان خطای سری‌رنگی مبتنی بر سیستم محافظ ZnO
این پژوهش از شبیه‌سازی برنامه ترانزیانت‌های الکترومغناطیسی (EMTP) برای تحلیل عمیق ویژگی‌های محدودکننده جریان ترانزیانتی آنها، مقایسه و در نهایت تأیید مزایای قابل توجه آنها در امکان‌سنجی فنی، اقتصادی و قابلیت اطمینان عملیاتی استفاده خواهد کرد.

II. محدودکننده جریان خطای سری‌رنگی مبتنی بر رآکتور اشباع‌پذیر

توپولوژی مدار و اصول کار
• ساختار توپولوژی: هسته شامل رآکتور اشباع‌پذیر L_B، خازن C و رآکتور سری L است. L_B با C موازی شده و این ترکیب سپس به صورت سری با L به سیستم متصل می‌شود.
• اصول کار:
o عملکرد معمول: جریان خطی کوچک است. L_B در منطقه غیراشباع کار می‌کند (اندوسانس معادل L_B1 بسیار بزرگ است). ترکیب موازی آن با C رفتار القایی دارد. با رآکتور سری L، شرایط رزونانس سری در فرکانس تغذیه (ωL - 1/ωC ≈ 0) را برآورده می‌کنند. دستگاه امپدانس بسیار کمی ارائه می‌دهد که منجر به کمترین تلفات سیستم می‌شود.
o وضعیت خطا: افزایش سریع جریان کوتاه‌مداری L_B را به سرعت اشباع می‌کند (اندوسانس معادل آن به L_B2 کاهش می‌یابد). شاخه موازی آن خازن C را به طور موثر کوتاه می‌کند، بنابراین شرایط رزونانس را می‌شکند. در این مرحله، رآکتور سری L و رآکتور اشباع‌شده L_B2 به سیستم اضافه می‌شوند و جریان کوتاه‌مداری را به طور موثر محدود می‌کنند.
o پاکسازی خطا: پس از پاکسازی خطا، جریان کاهش می‌یابد. L_B به طور خودکار از وضعیت اشباع خارج می‌شود، خازن دوباره به کار می‌آید و مدار به وضعیت رزونانس بازمی‌گردد، بدون نیاز به منبع تغذیه خارجی.
• اصول انتخاب پارامترها:
o ω²L_B1C >> 1 (ضمنی که شاخه موازی در عملکرد معمول رفتار القایی داشته باشد)
o ωL - 1/ωC ≈ 0 (رضایت شرایط رزونانس در عملکرد معمول)
o ω²L_B2C << 1 (ضمنی که شاخه موازی در وضعیت خطا رفتار خازنی داشته باشد و خازن را به طور موثر کوتاه کند)
تحلیل شبیه‌سازی ویژگی‌های محدودکننده جریان (EMTP)
شبیه‌سازی تحت شرایط خطا یک‌فاز به زمین در سیستم ۲۲۰kV (پیک جریان کوتاه‌مداری پیش‌بینی‌شده: ۱۱۰kA) انجام شد. نتایج کلیدی به شرح زیر است:

عامل مؤثر	نتیجه اصلی	داده‌های شبیه‌سازی نمونه (مثال)
۱. اندوسانس غیراشباع L_B1	افزایش L_B1 به طور قابل توجهی ولتاژ خازن را کاهش می‌دهد اما تأثیر کمی بر جریان کوتاه‌مداری دارد؛ اثر اشباع می‌شود.	L_B1=1317mH: ولتاژ خازن ۲۷۰kV؛ L_B1=1321mH: ولتاژ خازن ۱۵۷kV (کاهش ۴۲٪)
۲. اندوسانس اشباع‌شده L_B2	بازه بهینه‌ای وجود دارد (۱-۷mH). خیلی کوچک محدودکننده ضعیف است؛ خیلی بزرگ باعث ولتاژ خیلی بالای خازن می‌شود.	L_B2=7mH (C=507μF, L=20mH): جریان کوتاه‌مداری ۲۵kA، ولتاژ خازن ۱۵۷kV
۳. هماهنگی پارامتر C/L	ترکیب بهینه‌ای وجود دارد که به طور همکاری جریان کوتاه‌مداری و ولتاژ خازن را کنترل می‌کند.	ترکیب بهینه (C=406μF, L=25mH): جریان کوتاه‌مداری ۲۲kA، ولتاژ خازن ۱۴۲kV
۴. زاویه شروع کوتاه‌مداری	ویژگی‌های ترانزیانتی به طور قابل توجهی توسط زاویه فازی تأثیر می‌پذیرد؛ بدترین ولتاژ خیلی بالا در ۰°/۱۸۰° است؛ طراحی باید بدترین حالت را در نظر بگیرد.	زاویه ۰°: جریان کوتاه‌مداری ۱۸kA، ولتاژ خازن ۲۰۱kV؛ زاویه ۹۰°: جریان کوتاه‌مداری ۲۲kA، ولتاژ خازن ۱۴۲kV

III. محدودکننده جریان خطای سری‌رنگی مبتنی بر سیستم محافظ ZnO

توپولوژی مدار و اصول کار
• ساختار توپولوژی: رآکتور اشباع‌پذیر L_B با سیستم محافظ ZnO جایگزین می‌شود. ساختار باقی‌مانده (C موازی + L سری) ثابت می‌ماند.
• اصول کار: اصول کار مشابه نوع رآکتور اشباع‌پذیر است. در عملکرد معمول، ZnO مقاومت بالایی دارد و مدار رزونانس می‌کند. در وضعیت خطا، افزایش ولتاژ خازن باعث رسانایی ZnO (مقاومت کم) می‌شود، خازن را به طور موثر کوتاه می‌کند و شرایط رزونانس را می‌شکند. رآکتور سری L جریان را محدود می‌کند. سیستم به طور خودکار پس از پاکسازی خطا بازگردانی می‌شود. کل فرآیند از ویژگی‌های ولتاژ-جریان غیرخطی ZnO برای کلیدزنی خودکار استفاده می‌کند.
تحلیل شبیه‌سازی ویژگی‌های محدودکننده جریان
شبیه‌سازی تحت شرایط سیستم مشابه نتایج کلیدی زیر را ارائه داد:

عامل مؤثر	نتیجه اصلی	داده‌های شبیه‌سازی نمونه (مثال)
۱. ولتاژ باقی‌مانده محافظ و هماهنگی C/L	محدود کردن ولتاژ خازن راحت است، اما افزایش L برای تعقیب جریان کوتاه‌مداری پایین‌تر باعث ولتاژ خیلی بالای رآکتور سری می‌شود.	C=254μF, L=40mH: جریان کوتاه‌مداری ۲۰kA، ولتاژ رآکتور ۲۴۶kV؛ C=507μF, L=20mH: جریان کوتاه‌مداری ۳۵kA، ولتاژ رآکتور ۱۷۳kV
۲. زاویه شروع کوتاه‌مداری	ویژگی‌های ترانزیانتی به زاویه فازی خطا حساس نیستند، فقط اندازه جریان را تأثیر می‌دهند؛ بیشترین جریان در ۹۰° است.	زاویه ۹۰° (C=507μF, L=20mH): جریان کوتاه‌مداری ۳۵kA؛ زاویه ۰°: جریان کوتاه‌مداری ۲۸kA

IV. مقایسه جامع دو طرح FCL

بعد مقایسه	FCL مبتنی بر رآکتور اشباع‌پذیر	FCL مبتنی بر سیستم محافظ ZnO
مزیت اصلی	اثر محدودکننده جریان فوق‌العاده؛ تعادل خوب بین جریان کوتاه‌مداری و ولتاژ مولفه‌ها از طریق بهینه‌سازی پارامترها قابل دستیابی است.	محدود کردن ولتاژ خازن آسان است؛ ویژگی‌های ترانزیانتی از زاویه فازی خطا مستقل است؛ طراحی ساده‌تر است.
محدودیت اصلی	نیاز به بهینه‌سازی دقیق خصوصیات هیسترزیس هسته و پارامترهای C/L؛ کنترل ولتاژ خازن دشوار است؛ به طور قابل توجهی از زاویه فازی خطا تأثیر می‌پذیرد.	مشکل ولتاژ خیلی بالای رآکتور سری در تعقیب جریان کوتاه‌مداری پایین؛ نیاز به کنترل دقیق مقدار L.
نیاز پارامترهای کلیدی	اندوسانس معادل اشباع‌شده بهینه L_B2 ≈ ۱/۳ از واکنش خازنی.	مقدار اندوسانس رآکتور سری نباید خیلی بزرگ باشد.
ترجیح سناریو کاربردی	مناسب برای سطوح ولتاژ متوسط-پایین (مثلاً ۱۱۰kV) در شبکه‌های فشار بالا، جایی که عملکرد محدودکننده جریان بالا مورد نیاز است.	مناسب برای سناریوهایی که حساس به ولتاژ خازن هستند و نیاز متوسط به محدود کردن جریان کوتاه‌مداری دارند.
ویژگی‌های مشترک	۱. ساختار ساده: تنها شامل مولفه‌های الکتریکی معمولی، بدون کنترل پیچیده؛ ۲. اقتصاد خوب: هزینه بسیار کمتر از نوع فوق‌رسانا و الکترونیک قدرت؛ ۳. قابلیت اطمینان بالا: عملکرد خودکار بر اساس ویژگی‌های فیزیکی، بدون نیاز به کنترل خارجی؛ ۴. کلیدزنی خودکار: بازگشت فوری پس از پاکسازی خطا.

V. نتیجه‌گیری

این مطالعه دو راه‌حل نوآورانه محدودکننده جریان خطای سری‌رنگی مبتنی بر مولفه‌های معمولی را پیشنهاد می‌کند که موفق به رفع موانع فنی و اقتصادی FCL‌های فوق‌رسانا و الکترونیک قدرت سنتی شده‌اند.

FCL مبتنی بر رآکتور اشباع‌پذیر: از طریق بهینه‌سازی دقیق خصوصیات حلقه هیسترزیس هسته، تنظیم مقدار اندوسانس اشباع‌شده (L_B2) به حدود ۱/۳ واکنش خازنی و تضمین هماهنگی خوب با پارامترهای خازن و رآکتور سری، می‌توان به طور موثر ولتاژ خازن را محدود کرد و عملکرد محدودکننده جریان ترانزیانتی عالی را به دست آورد. این روش به خصوص برای شبکه‌های ولتاژ متوسط-پایین مانند ۱۱۰kV مناسب است.
FCL مبتنی بر سیستم محافظ ZnO: با استفاده از ویژگی‌های غیرخطی ZnO می‌توان به راحتی ولتاژ خازن را محدود کرد و عملکرد آن از زاویه فازی خطا مستقل است. با این حال، باید توجه داشت که مقادیر L بیش از حد می‌تواند باعث ولتاژ خیلی بالای رآکتور سری شود. این روش برای موقعیت‌هایی که نیاز بالایی به ایمنی خازن و نیاز متوسط به محدود کردن جریان کوتاه‌مداری دارند مناسب‌تر است.

08/26/2025