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

1. مقدمه: زمینه تحقیق و اهداف اصلی

1. شدید بودن مشکل جریان کوتاه‌مداری
   با گسترش مداوم مقیاس شبکه برق و رشد ثابت ظرفیت آن، سطح جریان کوتاه‌مداری سیستم به طور قابل توجهی افزایش یافته است و به حد تحمل تجهیزات موجود نزدیک شده یا حتی آن را تجاوز کرده است.
   • پشتیبانی داده‌ای: نظارت نشان می‌دهد که جریان کوتاه‌مداری پیش‌بینی‌شده در برخی از زیراستانیون‌های ۵۰۰ کیلوولت، ۲۲۰ کیلوولت و حتی ۱۰ کیلوولت داخلی بیش از ۱۰۰ کیلوآمپر است؛ بزرگترین مؤلفه دوره‌ای جریان کوتاه‌مداری در منابع برق اصلی به بالای ۳۰۰ کیلوآمپر می‌رسد.
   • خطرات جدی: جریان‌های کوتاه‌مداری بسیار بالا منجر به فقدان مدل‌های مناسب برش‌دهنده‌های ولتاژ بالا، خرابی تجهیزات الکتریکی به دلیل تجاوز از محدوده حرارتی و نیروی الکترومغناطیسی و همچنین مسائل ایمنی مانند تداخل الکترومغناطیسی در سیستم‌های ارتباطی، افزایش بالقوه زمین و ولتاژ پله‌ای می‌شود. این موضوع به عنوان یک گلوگاه فنی کلیدی در مسیر توسعه ایمن و اقتصادی شبکه برق مطرح شده است.
2. محدودیت‌های فناوری‌های موجود FCL
   فناوری‌های محدودکننده جریان خطا (FCL) معمولی در حال حاضر نقاط ضعف ذاتی دارند که کاربرد در مقیاس بزرگ را دشوار می‌کنند:
   • FCL فوق‌رسانا: بر روی مواد فوق‌رسانا تکیه می‌کند که یک فناوری نابالغ است، با قابلیت اطمینان پایین، هزینه‌های عملیاتی و نگهداری بالا و اقتصادی غیرقابل قبول، که از کاربرد مهندسی آن در مدت کوتاه تا متوسط جلوگیری می‌کند.
   • FCL الکترونیک قدرت: با توجه به محدودیت تحمل ولتاژ و ظرفیت جریان دستگاه‌های نیمه‌رسانا، با چالش‌های کنترل تقسیم ولتاژ و جریان سری/موازی مواجه است، ساختار سیستم پیچیده (نیاز به مكونات محدودکننده جریان اضافی و مدارهای حفاظت سریع) و هزینه بالا دارد.
3. هدف اصلی این تحقیق
   برای حل مشکلات ذکر شده، این مطالعه قصد دارد راه‌حلی برای محدودکننده جریان خطا سری‌رنگ بر اساس المان‌های الکتریکی متعارف ارائه دهد که غیرفوق‌رسانا و غیرالکترونیک قدرت است. به طور خاص، دو توپولوژی مورد مطالعه قرار می‌گیرند:
4. FCL سری‌رنگ بر اساس رآکتور اشباع‌پذیر
5. FCL سری‌رنگ بر اساس محافظ ZnO
   این تحقیق از شبیه‌سازی برنامه ترانزیانت‌های الکترومغناطیسی (EMTP) برای تحلیل عمیق ویژگی‌های محدودکننده جریان ترانزیانت آنها، مقایسه و در نهایت تأیید مزایای قابل توجه آنها در امکان‌سنجی فنی، اقتصادی و قابلیت اعتماد عملیاتی استفاده خواهد کرد.

II. FCL سری‌رنگ بر اساس رآکتور اشباع‌پذیر

1. توپولوژی مدار و اصول کار
   • ساختار توپولوژی: اجزای اصلی 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 عادی: جریان خط کوچک است. L_B در منطقه غیراشباع (درایندانس معادل L_B1 بسیار بزرگ) کار می‌کند. ترکیب موازی آن با C رفتار القایی دارد. با رآکتور سری L، شرایط رزونانس سری در فرکانس توان (ωL - 1/ωC ≈ 0) را برآورده می‌کنند. دستگاه مقاومت بسیار کمی ارائه می‌دهد که منجر به کم‌ترین تلفات سیستم می‌شود.
   o وضعیت خطا: افزایش سریع جریان کوتاه‌مداری L_B را به طور سریع اشباع می‌کند (درایندانس معادل آن به L_B2 کاهش می‌یابد). شاخه موازی آن خازن C را به طور موثر کوتاه می‌کند و شرایط رزونانس را می‌شکند. در این مرحله، رآکتور سری L و رآکتور اشباع‌شده L_B2 هر دو به سیستم وارد 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 وارد می‌شود و مدار به وضعیت رزونانس بازمی‌گردد بدون نیاز به منبع تغذیه خارجی.
   • اصول انتخاب پارامترها:
   o ω²L_B1C >> 1 (ضمان می‌کند که شاخه موازی در حالت عادی رفتار القایی داشته باشد)
   o ωL - 1/ωC ≈ 0 (شرایط رزونانس را در حالت عادی برآورده می‌کند)
   o ω²L_B2C << 1 (ضمان می‌کند که شاخه موازی در حالت خطا رفتار خازنی داشته باشد و خازن را به طور موثر کوتاه کند)
2. تحلیل شبیه‌سازی ویژگی‌های محدودکننده جریان (EMTP)
   شبیه‌سازی در شرایط خطا یک‌فاز به زمین در یک سیستم ۲۲۰ کیلوولت (حداکثر جریان کوتاه‌مداری پیش‌بینی‌شده: ۱۱۰ کیلوآمپر) انجام شد. نتایج کلیدی به شرح زیر است:

III. FCL سری‌رنگ بر اساس محافظ ZnO

1. توپولوژی مدار و اصول کار
   • ساختار توپولوژی: رآکتور اشباع‌پذیر L_B با محافظ ZnO جایگزین می‌شود. ساختار باقی‌مانده (C موازی + L سری) بدون تغییر باقی می‌ماند.
   • اصول کار: اصل کار مشابه نوع رآکتور اشباع‌پذیر است. در حالت عادی، ZnO مقاومت بالایی دارد و مدار رزونانس می‌کند. در حالت خطا، افزایش ولتاژ خازن باعث می‌شود ZnO رسانا شود (مقاومت کم) و خازن را به طور موثر کوتاه کند و رزونانس را بشکند. رآکتور سری L جریان را محدود می‌کند. سیستم پس از پاکسازی خطا به طور خودکار بازیابی می‌یابد. کل فرآیند از ویژگی‌های ولتاژ-آمپر غیرخطی ZnO برای کلیدزنی خودکار استفاده می‌کند.
2. تحلیل شبیه‌سازی ویژگی‌های محدودکننده جریان
   شبیه‌سازی در شرایط سیستم مشابه نتایج کلیدی به شرح زیر را ارائه داد:

IV. مقایسه جامع دو طرح FCL

V. نتیجه‌گیری

این مطالعه دو راه‌حل نوآورانه برای محدودکننده جریان خطا سری‌رنگ بر اساس المان‌های متعارف ارائه می‌دهد که به طور موفقیت‌آمیزی گلوگاه‌های فنی و اقتصادی FCL‌های فوق‌رسانا و الکترونیک قدرت متعارف را غلبه می‌کند.

1. FCL بر اساس رآکتور اشباع‌پذیر: از طریق بهینه‌سازی دقیق مشخصات هیسترزیسی هسته، تنظیم مقدار القایی اشباع (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 کاهش داد و عملکرد محدودکننده جریان ترانزیانت بسیار خوبی را به دست آورد. این روش به ویژه برای شبکه‌های ولتاژ متوسط-پایین مانند ۱۱۰ کیلوولت مناسب است.
2. FCL بر اساس محافظ ZnO: با استفاده از ویژگی‌های غیرخطی ZnO می‌توان به راحتی ولتاژ خازن را محدود کرد و عملکرد آن به زاویه فازی خطا حساس نیست. با این حال، باید دقت کرد که مقادیر بیش از حد L منجر به ولتاژ بیش از حد روی رآکتور سری خود نشود. این روش برای موقعیت‌هایی با نیاز بالا به ایمنی خازن و نیاز متوسط به محدود کردن جریان کوتاه‌مداری مناسب‌تر است.