Limiteur de courant de défaut à résonance série basé sur des composants conventionnels : une solution économique et fiable pour le courant de court-circuit

1. Introduction : Contexte de la recherche et objectifs principaux

1. Gravité du problème du courant de court-circuit
   Avec l'expansion continue de l'échelle du réseau électrique et la croissance constante de sa capacité, le niveau de courant de court-circuit du système a augmenté de manière significative, approchant ou dépassant même les limites de résistance des équipements existants.
   • Soutien par les données : La surveillance indique que le courant de court-circuit prospectif dans certaines sous-stations de 500 kV, 220 kV et même 10 kV en Chine a dépassé 100 kA ; la composante périodique maximale du courant de court-circuit dans les principales sources d'énergie atteint jusqu'à 300 kA.
   • Dangers graves : Les courants de court-circuit extrêmement élevés entraînent un manque de modèles de disjoncteurs haute tension appropriés, endommagent les équipements électriques en dépassant les limites de force thermique et électrodynamique, et peuvent également provoquer des problèmes de sécurité tels que l'interférence électromagnétique dans les systèmes de communication, l'augmentation du potentiel de terre et la tension de pas. Cela est devenu un goulot d'étranglement technique clé qui limite le développement sûr et économique du réseau électrique.
2. Limites des technologies FCL existantes
   Les technologies actuelles de limiteurs de courant de défaut (FCL) ont des inconvénients inhérents, rendant difficile leur application à grande échelle :
   • FCL supraconducteur : Dépend des matériaux supraconducteurs, une technologie encore immature, offrant une fiabilité faible, impliquant des coûts d'exploitation et de maintenance élevés et étant économiquement défavorable, empêchant son application en ingénierie à court et moyen terme.
   • FCL électronique de puissance : Limité par la capacité de tenue en tension et en courant des dispositifs semi-conducteurs de puissance, confronté à des défis de partage de tension et de courant en série/parallèle, doté d'une structure de système complexe (nécessitant des composants de limitation de courant supplémentaires et des circuits de protection rapides), et coûteux.
3. Objectif principal de cette recherche
   Pour répondre aux problèmes mentionnés ci-dessus, cette étude vise à proposer une solution de limiteur de courant de défaut à résonance série basée sur des composants électriques conventionnels, non supraconducteurs et non électroniques de puissance. Plus précisément, deux topologies sont étudiées :
4. Limiter de courant de défaut à résonance série basé sur un réacteur saturable
5. Limiter de courant de défaut à résonance série basé sur un parafoudre ZnO
   Cette recherche utilisera la simulation par programme de transitoires électromagnétiques (EMTP) pour analyser en profondeur leurs caractéristiques de limitation de courant transitoire, effectuer une comparaison et finalement vérifier leurs avantages significatifs en termes de faisabilité technique, d'économie et de fiabilité opérationnelle.

II. Limiteur de courant de défaut à résonance série basé sur un réacteur saturable

1. Topologie du circuit et principe de fonctionnement
   • Structure topologique : Le cœur est constitué d'un réacteur saturable L_B, d'un condensateur C et d'un réacteur en série L. L_B est connecté en parallèle avec C, et cette combinaison est ensuite connectée en série avec L dans le système.
   • Principe de fonctionnement :
   o Fonctionnement normal : Le courant de ligne est faible. L_B fonctionne dans la région non saturée (sa self-inductance équivalente L_B1 est très grande). Sa combinaison parallèle avec C se comporte comme un inducteur. En association avec le réacteur en série L, ils satisfont la condition de résonance série à fréquence industrielle (ωL - 1/ωC ≈ 0). Le dispositif présente une impédance très faible, entraînant des pertes minimales du système.
   o État de défaut : Une augmentation rapide du courant de court-circuit sature rapidement L_B (sa self-inductance équivalente chute brutalement à L_B2). Sa branche parallèle court-circuite efficacement le condensateur C, rompant ainsi la condition de résonance. À ce stade, le réacteur en série L et le réacteur saturé L_B2 sont tous deux insérés dans le système, limitant efficacement le courant de court-circuit.
   o Élimination du défaut : Après l'élimination du défaut, le courant diminue. L_B sort automatiquement de la saturation, le condensateur est réengagé, et le circuit retourne à l'état de résonance, réalisant un commutage sans source d'alimentation externe.
   • Principes de choix des paramètres :
   o ω²L_B1C >> 1 (Assure que la branche parallèle se comporte comme un inducteur pendant le fonctionnement normal)
   o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Satisfait la condition de résonance pour le fonctionnement normal)
   o ω²L_B2C << 1 (Assure que la branche parallèle se comporte comme un condensateur pendant un défaut, court-circuitant efficacement le condensateur)
2. Analyse de simulation des caractéristiques de limitation de courant (EMTP)
   La simulation a été effectuée sous une condition de défaut monophasé à la terre dans un système de 220 kV (pic de courant de court-circuit prospectif : 110 kA). Les conclusions clés sont les suivantes :

III. Limiteur de courant de défaut à résonance série basé sur un parafoudre ZnO

1. Topologie du circuit et principe de fonctionnement
   • Structure topologique : Le réacteur saturable L_B est remplacé par un parafoudre ZnO. Le reste de la structure (C parallèle + L en série) reste inchangé.
   • Principe de fonctionnement : Le principe est le même que pour le type à réacteur saturable. Pendant le fonctionnement normal, le ZnO présente une forte résistance, et le circuit résonne. Pendant un défaut, la tension montante du condensateur fait conduire le ZnO (présentant une faible résistance), court-circuitant le condensateur et rompant la résonance. Le réacteur en série L limite le courant. Le système se rétablit automatiquement après l'élimination du défaut. Le processus entier utilise les caractéristiques non linéaires volt-ampère du ZnO pour la commutation automatique.
2. Analyse de simulation des caractéristiques de limitation de courant
   La simulation dans les mêmes conditions de système a abouti aux conclusions clés suivantes :

IV. Comparaison globale des deux solutions FCL

V. Conclusion

Cette étude propose deux solutions innovantes de limiteurs de courant de défaut à résonance série basées sur des composants conventionnels, surmontant avec succès les goulets d'étranglement techniques et économiques des FCL traditionnels supraconducteurs et électroniques de puissance.

1. FCL à réacteur saturable : Par une optimisation minutieuse des caractéristiques de la boucle d'hystérésis du noyau, en fixant la valeur d'inductance saturée (L_B2) à environ 1/3 de la réactance capacitive, et en assurant une bonne coordination avec les paramètres du condensateur et du réacteur en série, il peut efficacement supprimer la surtension du condensateur et réaliser une excellente performance de limitation de courant transitoire. Il est particulièrement adapté aux réseaux de tension moyenne-basse tels que 110 kV.
2. FCL à parafoudre ZnO : En utilisant les caractéristiques non linéaires du ZnO, il limite facilement la surtension du condensateur, et ses performances ne sont pas affectées par l'angle de phase du court-circuit. Cependant, il faut faire attention à éviter la surtension sur le réacteur en série lui-même causée par des valeurs de L excessives. Il est plus adapté aux occasions ayant des exigences élevées de sécurité du condensateur et des besoins modérés de limitation de courant.