Sarjaresonanssin pohjainen sijainti virranrajoittimessa perinteisillä komponenteilla: Taloudellinen ja luotettava lyhyyskierroksen virratilaus
- Johdanto: Tutkimuksen tausta ja keskeiset tavoitteet
- Lyhytsirunvirtaongelman vakavuus
Sähköverkon jatkuvan laajentumisen ja kapasiteettinsa kasvun myötä järjestelmän lyhytsirunvirtataso on noussut huomattavasti, lähestyessään tai ylittäessään nykyisten laitteiden sietokykyrajoja.
• Data tuki: Valvonta osoittaa, että joissakin kotimaan 500kV, 220kV ja jopa 10kV-sisäverkoissa ennustettu lyhytsirunvirta on ylittänyt 100 kA:n; suurten sähköntuotantolaitosten tapauksessa lyhytsirunvirtaan liittyvä aaltoosan maksimi saavuttaa jopa 300 kA:ta.
• Vakavat vaarat: Erittäin korkeat lyhytsirunvirrat johtavat sopivien korkeanpaineen katkaisijamallien puutteeseen, sähkölaitteiden vahingoittumiseen lämpö- ja sähkömagneettisen voiman rajojen ylityksen vuoksi, ja ne voivat aiheuttaa myös turvallisuuskysymyksiä, kuten viestintäjärjestelmien sähkömagneettisen häiriön, maan potentiaalin nousun ja askeljännitteen. Tämä on muodostunut avaintekniseksi pullonkaulaan, joka rajoittaa sähköverkon turvallista ja taloudellista kehitystä. - Nykyisten FCL-teknologioiden rajoitukset
Nykyiset pääasialliset virranrajoittimet (FCL) -teknologiat ovat luonteeltaan epäedullisia, mikä tekee niiden laajamittaisesta käytöstä vaikeaksi:
• Suprajuokseva FCL: Perustuu suprajuoksuviini, teknologia, joka ei ole vielä kypsä, tarjoaa alhaisen luotettavuuden, sisältää korkeita toiminta- ja ylläpitokustannuksia, ja on taloudellisesti epäedullinen, mikä estää sen insinöörillisessä soveltamisessa lyhyelle ja keskipitkälle aikavälille.
• Sähkötekninen FCL: Rajoitettu sähkökomponenttien sähköjännite- ja virtayleveyden takia, kohtaa haasteita sarja-/rinnakkaisvirran jakamisen hallinnassa, omistaa monimutkaisen järjestelmän rakenteen (tarvitsee lisävirranrajoittavia komponentteja ja nopeita suojauspiirejä), ja on kalliimpi. - Tämän tutkimuksen keskeinen tavoite
Yllä mainittujen ongelmien ratkaisemiseksi tämä tutkimus pyrkii esittämään sarjaresonanssin perusteella toimivan virranrajoittimen ratkaisun perinteisillä sähkökomponenteilla, joka ei ole suprajuokseva eikä sähkötekninen. Erityisesti kaksi topologiaa on tutkittu: - Sarjaresonanssin perusteella toimiva virranrajoittimen topologia saturaabilinjalle
- Sarjaresonanssin perusteella toimiva virranrajoittimen topologia ZnO-varovaimelle
Tämä tutkimus käyttää Electromagnetic Transients Program (EMTP) -simulointia syventävään analyysiin niiden väliaikaisten virranrajoitusominaisuuksien osalta, suorittaa vertailun, ja lopulta vahvistaa niiden merkittävät edut teknisessä toteutettavuudessa, taloudellisuudessa ja toiminnallisessa luotettavuudessa.
II. Sarjaresonanssin perusteella toimiva virranrajoittimen topologia saturaabilinjalle
- Piirin topologia ja toimintaperiaate
• Topologian rakenne: Ydin koostuu saturaabilinjasta LB, kondensaattorista C, ja sarjalinnan L. LB on kytketty rinnakkain C:n kanssa, ja tämä yhdistelmä on sitten kytketty sarjana L:n kanssa järjestelmään.
Toimintaperiaate:
o Normaali toiminta: Linjavirta on pieni. LB toimii epäsaturaatiossa (sen vastaava induktianssa LB1 on hyvin suuri). Sen rinnakkainen yhdistelmä C:n kanssa toimii induktiivisesti. Yhdessä sarjalinnan L kanssa ne täyttävät verkkotaajuuden sarjaresonanssin ehdon (ωL - 1/ωC ≈ 0). Laite esittää hyvin alhaisen impedanssin, mikä johtaa minimaalisiin järjestelmän hukkiin.
o Häiriötila: Lyhytsirunvirta-aalto saturoi nopeasti LB:n (sen vastaava induktianssa laskee huomattavasti LB2:een). Sen rinnakkainen haarake tehokkaasti lyhdistää kondensaattoria C, mikä rikkoo resonanssiohjetta. Tällöin sarjalinja L ja saturaatinut linja LB2 ovat molemmat lisätty järjestelmään, rajaten tehokkaasti lyhytsirunvirtaa.
o Häiriön poistuminen: Häiriön poistuttua virta laskee. LB palautuu automaattisesti epäsaturaatioon, kondensaattori otetaan uudelleen käyttöön, ja piiri palaa resonanssitilaan, saavuttaen itse käynnistyvän vaihtumisen ilman ulkoista voimaa.
• Parametrien valintaperiaatteet:
o ω²LB1C >> 1 (Takaavat rinnakkaisen haarakan induktiivisen käytännön normaalissa toiminnassa)
o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Täyttää resonanssiehdon normaalissa toiminnassa)
o ω²LB2C << 1 (Takaavat rinnakkaisen haarakan kapasitiivisen käytännön häiriötilassa, tehokkaasti lyhdistäen kondensaattoria) - Virranrajoitusominaisuuksien simulointianalyysi (EMTP)
Simulointi suoritettiin yksifaseen maan yhdistämiseen liittyvän lyhytsirunvirtahäiriön olosuhteissa 220kV-järjestelmässä (ennustettu lyhytsirunvirta-aallon huippu: 110kA). Olennaiset päätelmät ovat seuraavat:
|
Vaatteleva tekijä |
Ydinlaji |
Typical Simulation Data (Example) |
|
1. Epäsaturaatiossa oleva induktianssi LB1 |
LB1:n kasvattaminen vähentää huomattavasti kondensaattorin ylikuormituksen mutta ei vaikuta lyhytsirunvirtaan; vaikutus saturoidu. |
LB1=1317mH: Kondensaattorin jännite 270kV; LB1=1321mH: Kondensaattorin jännite 157kV (42% vähentyminen) |
|
2. Saturaatiossa oleva induktianssi LB2 |
On olemassa optimaalinen alue (1-7mH). Liian pieni rajoittaa huonosti; liian suuri aiheuttaa vakavan kondensaattorin ylikuormituksen. |
LB2=7mH (C=507μF, L=20mH): Lyhytsirunvirta 25kA, kondensaattorin jännite 157kV |
|
3. C/L-parametrien yhteistoiminta |
On olemassa optimaalinen yhdistelmä, jolla voidaan yhteistyössä hallita lyhytsirunvirtaa ja kondensaattorin ylikuormitusta. |
Optimaalinen yhdistelmä (C=406μF, L=25mH): Lyhytsirunvirta 22kA, kondensaattorin jännite 142kV |
|
4. Lyhytsirunvirtahäiriön alkuphasi |
Väliaikaiset ominaisuudet riippuvat paljon vaihekulmasta; vakavin ylikuormitus 0°/180°; suunnittelussa on otettava huomioon pahin mahdollinen tilanne. |
0° vaihe: Lyhytsirunvirta 18kA, kondensaattorin jännite 201kV; 90° vaihe: Lyhytsirunvirta 22kA, kondensaattorin jännite 142kV |
III. Sarjaresonanssin perusteella toimiva virranrajoittimen topologia ZnO-varovaimelle
- Piirin topologia ja toimintaperiaate
• Topologian rakenne: Saturaabilinja LB on korvattu ZnO-varovaimella. Muu rakenne (rinnakkais C + sarja L) pysyy muuttumattomana.
• Toimintaperiaate: Periaate on sama kuin saturaabilinjan tapauksessa. Normaalissa toiminnassa ZnO näyttää korkean vastuksen, ja piiri resonoib. Häiriötilassa kondensaattorin jännite nousee, mikä saa ZnO:n johtamaan (esittäen matalan vastuksen), lyhdistäen kondensaattoria ja rikkovan resonanssin. Sarjalinja L rajoittaa virtaa. Järjestelmä palautuu automaattisesti häiriön poistuttua. Kokonaisprosessi hyödyntää ZnO:n epälineaarista volt-ampere-ominaisuutta automaattiseen vaihtumiseen. - Virranrajoitusominaisuuksien simulointianalyysi
Samojen järjestelmäolosuhteiden alla suoritettu simulointi tuotti olennaiset päätelmät:
|
Vaatteleva tekijä |
Ydinlaji |
Typical Simulation Data (Example) |
|
1. Varovaimen residuaalijännite & C/L-yhteistoiminta |
Helppo rajoittaa kondensaattorin ylikuormitusta, mutta L:n kasvattaminen saadakseen alhaisemman lyhytsirunvirtan johtaa liian korkeaan jännitteeseen sarjalinnassa. |
C=254μF, L=40mH: Lyhytsirunvirta 20kA, linnan jännite 246kV; C=507μF, L=20mH: Lyhytsirunvirta 35kA, linnan jännite 173kV |
|
2. Lyhytsirunvirtahäiriön alkuphasi |
Väliaikaiset ominaisuudet ovat herkkiä lyhytsirunvirtahäiriön vaihekulman suhteen, vaikuttaen vain virtasuuruuteen; suurin virta 90°. |
90° vaihe (C=507μF, L=20mH): Lyhytsirunvirta 35kA; 0° vaihe: Lyhytsirunvirta 28kA |
IV. Kattava vertailu kahden FCL-ratkaisun välillä
|
Vertailun ulottuvuus |
FCL saturaabilinjalla perustuen |
FCL ZnO-varovaimella perustuen |
|
Ydin etu |
Erikoistunut virranrajoitusvaikutus; hyvä tasapaino lyhytsirunvirtan ja komponenttien ylikuormituksen välillä parametreihin optimoimalla. |
Helppo rajoittaa kondensaattorin ylikuormitusta; väliaikaiset ominaisuudet eivät riipu lyhytsirunvirtahäiriön vaihekulmasta; yksinkertaisempi suunnittelu. |
|
Ydin rajoitus |
Vaati tarkkaa ytimen hystereesisominaisuuksien ja C/L-parametrien optimointia; kondensaattorin ylikuormituksen kontrollointi vaikeaa; huomattavasti vaikutettu lyhytsirunvirtahäiriön vaihekulman. |
Merkitsevä ylikuormitusongelma sarjalinnassa, kun pyritään alhaiseen lyhytsirunvirtaan; L-arvon tulee olla tiukasti valvottu. |
|
Avainparametrin vaatimus |
Optimaalinen vastaava saturaation induktianssi LB2 ≈ 1/3 kapasitiivisesta reaktanssista. |
Sarjalinnan induktianssi ei saa olla liian suuri. |
|
Soveltuvuuden etuprioriteetti |
Soveltuu keski- ja matalajännitelmiin (esim. 110kV) korkeajänniteverkoissa, joissa vaaditaan korkeaa virranrajoituskykyä. |
Soveltuu tilanteisiin, jotka ovat herkkiä kondensaattorin ylikuormitukselle, ja joissa on kohtuullinen virranrajoitusvaatimus. |
|
Yhteiset ominaisuudet |
1. Yksinkertainen rakenne: Koostuu kokonaan perinteisistä sähkökomponenteista, ei monimutkaisia ohjausjärjestelmiä; |
V. Johtopäätös
Tämä tutkimus esittää kaksi innovatiivista sarjaresonanssin perusteella toimivaa virranrajoittimen ratkaisua perinteisillä komponenteilla, onnistuen ylittämään perinteisten suprajuoksevien ja sähköteknisten FCL-teknologioiden tekniset ja taloudelliset pullonkaulat.
- Saturaabilinjan FCL: Mitenkin optimoimalla ytimen hystereesisilmukan ominaisuuksia, asettamalla saturaation induktianssi (LB2) noin 1/3 kapasitiivisesta reaktanssista, ja varmistamalla hyvä yhteistoiminta kondensaattorin ja sarjalinnan parametreiden kanssa, se voi tehokkaasti rajoittaa kondensaattorin ylikuormitusta ja saavuttaa erinomaisen väliaikaisen virranrajoitusominaisuuden. Se on erityisesti soveltuva keski- ja matalajännitelmiin, kuten 110kV.
- ZnO-varovaimen FCL: Hyödyntäen ZnO:n epälineaarisia ominaisuuksia, kondensaattorin ylikuormitus rajoitetaan helposti, ja sen suorituskyky ei ole vaikutettu lyhytsirunvirtahäiriön vaihekulman. Huomiota on kiinnitettävä kuitenkin siihen, että liian suuri L-arvo voi aiheuttaa sarjalinnan itsensä ylikuormituksen. Se on soveltuva tilanteisiin, joissa on korkeat vaatimukset kondensaattorin turvallisuudesta ja kohtuullinen virranrajoitusvaatimus.
