Seirbhísí Cúrsaí Rialta ar bhonn Comhchónna: Solútar Iompraíochtúil agus Ionracach do Chúrsaí Rialta

Úvod: Pozadí výzkumu a klíčové cíle

Závažnost problému krátkozaměřovacího proudu
S neustálým rozšiřováním měřítka elektrické sítě a stálým růstem její kapacity se úroveň systémového krátkozaměřovacího proudu dramaticky zvýšila, přibližujíc se či dokonce překračujíc odolnost stávajícího zařízení.
• Datová podpora: Monitorování ukazuje, že očekávaný krátkozaměřovací proud některých 500 kV, 220 kV a dokonce i 10 kV transformačních stanic v Číně přesáhl 100 kA; maximální periodická složka krátkozaměřovacího proudu u hlavních zdrojů elektrické energie dosahuje až 300 kA.
• Závažné rizika: Extrémně vysoké krátkozaměřovací proudy vedou k nedostatku vhodných modelů vysokonapěťových spínačů, poškození elektrického zařízení kvůli překročení termodynamických a elektrodynamických sil, a také k bezpečnostním problémům jako je elektromagnetické rušení v komunikačních systémech, vzrůst potenciálu země a krokové napětí. Toto se stalo klíčovým technickým uzlem, který omezuje bezpečné a ekonomické rozvoj elektrické sítě.
Omezení stávajících FCL technologií
Současné hlavní technologie omezovačů chybového proudu (FCL) mají inerční nedostatky, což ztěžuje jejich široké uplatnění:
• Nadproudový FCL: Spoléhá na nadproudové materiály, technologie, která není ještě dospělá, nabízí nízkou spolehlivost, vysoce nákladné provozní a údržbou, a není ekonomicky výhodná, což brání jejímu inženýrskému uplatnění v krátko- a středodobém horizontu.
• FCL na bázi mocnostní elektroniky: Omezeno výkonem a nosností mocnostních polovodičových součástek, čelí výzvám v řízení sériového a paralelního sdílení napětí a proudu, má komplexní strukturu systému (vyžaduje dodatečné omezovací komponenty a rychlé ochranné obvody) a je nákladný.
Klíčový cíl tohoto výzkumu
Pro řešení výše uvedených problémů tento studie navrhuje řešení sériové rezonančního omezovače chybového proudu založeného na konvenčních elektrických komponentách, které není nadproudové ani mocnostní elektronické. Konkrétně jsou studovány dvě topologie:
Sériový rezonanční FCL založený na nasyceném reaktoru
Sériový rezonanční FCL založený na ZnO ochranném prvku
Tento výzkum bude používat simulaci Elektromagnetických Přechodných Procesů (EMTP) pro hlubokou analýzu jejich přechodných charakteristik omezování proudu, provede porovnání a nakonec ověří jejich významné výhody v technické možnosti realizace, ekonomice a operační spolehlivosti.

II. Sériový rezonanční FCL založený na nasyceném reaktoru

Topologie obvodu a princip fungování
• Struktura topologie: Jádro tvoří nasycený reaktor L_B, kondenzátor C a sériový reaktor L. L_B je připojen paralelně s C, a tato kombinace je pak připojena sériově s L do systému.
• Princip fungování:
o Běžná operace: Proud v čáru je malý. L_B pracuje v oblasti nenasycení (jeho ekvivalentní induktance L_B1 je velmi velká). Jeho paralelní kombinace s C se chová induktivně. Spolu s sériovým reaktorem L splňují podmínku sériové rezonance na síťové frekvenci (ωL - 1/ωC ≈ 0). Zařízení prezentuje velmi nízkou impedanci, což vede k minimálním ztrátám systému.
o Stav poruchy: Rychlý nárůst krátkozaměřovacího proudu rychle nasycuje L_B (jeho ekvivalentní induktance dramaticky klesne na L_B2). Jeho paralelní větev efektivně krátí kondenzátor C, čímž se zruší rezonanční podmínka. V tomto okamžiku jsou sériový reaktor L a nasycený reaktor L_B2 oba zapojeny do systému, což efektivně omezí krátkozaměřovací proud.
o Odstranění poruchy: Po odstranění poruchy klesá proud. L_B automaticky opouští stav nasycení, kondenzátor je znovu zapojen, a obvod se vrátí do rezonančního stavu, což umožňuje samočinné přepnutí bez externího zdroje energie.
• Principy výběru parametrů:
o ω²L_B1C >> 1 (Zajišťuje, aby paralelní větev chovala induktivně během normální operace)
o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Splňuje rezonanční podmínku pro normální operaci)
o ω²L_B2C << 1 (Zajišťuje, aby paralelní větev chovala kapacitivně během poruchy, efektivně krátí kondenzátor)
Simulační analýza charakteristik omezování proudu (EMTP)
Simulace byla provedena za podmínek jednofázového krátkého spojení na zemi v 220 kV systému (očekávaný vrchol krátkozaměřovacího proudu: 110 kA). Klíčové závěry jsou následující:

Vlivný faktor	Hlavní závěr	Typická simulační data (Příklad)
1. Nenasycená induktance L_B1	Zvýšení L_B1 výrazně snižuje přetlak na kondenzátor, ale má malý vliv na krátkozaměřovací proud; efekt saturuje.	L_B1=1317mH: Napětí na kondenzátoru 270 kV; L_B1=1321mH: Napětí na kondenzátoru 157 kV (42% snížení)
2. Nasycená induktance L_B2	Existuje optimální rozsah (1-7 mH). Příliš malá nabízí špatné omezování; příliš velká způsobuje vážný přetlak na kondenzátor.	L_B2=7mH (C=507μF, L=20mH): Krátkozaměřovací proud 25 kA, Napětí na kondenzátoru 157 kV
3. Koordinace C/L parametrů	Existuje optimální kombinace pro kooperativní kontrolu krátkozaměřovacího proudu a přetlaku na kondenzátor.	Optimální kombinace (C=406μF, L=25mH): Krátkozaměřovací proud 22 kA, Napětí na kondenzátoru 142 kV
4. Úhel zahájení krátkého spojení	Přechodné charakteristiky jsou silně ovlivněny fázovým úhlem; nejzávažnější přetlak při 0°/180°; návrh musí zohlednit nejhorší případ.	Fázový úhel 0°: Krátkozaměřovací proud 18 kA, Napětí na kondenzátoru 201 kV; Fázový úhel 90°: Krátkozaměřovací proud 22 kA, Napětí na kondenzátoru 142 kV

III. Sériový rezonanční FCL založený na ZnO ochranném prvku

Topologie obvodu a princip fungování
• Struktura topologie: Nasycený reaktor L_B je nahrazen ZnO ochranným prvkem. Zbývající struktura (paralelní C + sériový L) zůstává stejná.
• Princip fungování: Princip je stejný jako u typu s nasyceným reaktorem. Během normální operace ZnO vykazuje vysokou rezistenci, a obvod rezonuje. Během poruchy rostoucí napětí na kondenzátoru způsobí, že ZnO převádí (prezentuje nízkou rezistenci), krátí kondenzátor a ruší rezonanci. Sériový reaktor L omezí proud. Systém se automaticky obnoví po odstranění poruchy. Celý proces využívá nelineární vlastnosti ZnO pro automatické přepínání.
Simulační analýza charakteristik omezování proudu
Simulace za stejných podmínek systému poskytla klíčové závěry:

Vlivný faktor	Hlavní závěr	Typická simulační data (Příklad)
1. Zbytkové napětí ochranného prvku & Koordinace C/L	Jednoduše omezit přetlak na kondenzátor, ale zvyšování L pro dosažení nižšího krátkozaměřovacího proudu vede k příliš vysokému napětí na sériovém reaktoru.	C=254μF, L=40mH: Krátkozaměřovací proud 20 kA, Napětí na reaktoru 246 kV; C=507μF, L=20mH: Krátkozaměřovací proud 35 kA, Napětí na reaktoru 173 kV
2. Úhel zahájení krátkého spojení	Přechodné charakteristiky jsou nezjišťovány fázovým úhlem krátkého spojení, ovlivňují pouze magnitudu proudu; maximální proud při 90°.	Fázový úhel 90° (C=507μF, L=20mH): Krátkozaměřovací proud 35 kA; Fázový úhel 0°: Krátkozaměřovací proud 28 kA

IV. Komplexní srovnání obou FCL schémat

Rozměr srovnání	FCL založený na nasyceném reaktoru	FCL založený na ZnO ochranném prvku
Základní výhoda	Vynikající efekt omezování proudu; dobrá bilance mezi krátkozaměřovacím proudem a přetlakem na komponenty lze dosáhnout optimalizací parametrů.	Jednoduché omezování přetlaku na kondenzátor; přechodné charakteristiky nejsou ovlivněny fázovým úhlem krátkého spojení; jednodušší návrh.
Základní omezení	Vyžaduje přesnou optimalizaci hysterezních charakteristik jádra a parametrů C/L; obtížná kontrola přetlaku na kondenzátor; silně ovlivněno fázovým úhlem krátkého spojení.	Výrazný problém s přetlakem na sériovém reaktoru při snaze o dosažení nízkého krátkozaměřovacího proudu; vyžaduje přísnou kontrolu hodnoty L.
Klíčové požadavky na parametry	Optimální ekvivalentní nasycená induktance L_B2 ≈ 1/3 kapacitivní reaktance.	Hodnota induktance sériového reaktoru by neměla být příliš velká.
Upřednostňované scénáře aplikace	Doporučeno pro středně-nízké napěťové úrovně (např. 110 kV) ve vysokonapěťových sítích, kde je požadována vysoká výkonnost omezování proudu.	Doporučeno pro scénáře citlivé na přetlak na kondenzátor s mírnými požadavky na omezování krátkozaměřovacího proudu.
Společné charakteristiky	1. Jednoduchá struktura: Složena pouze z konvenčních elektrických komponent, žádné komplikované řízení; 2. Dobrá ekonomika: Náklady mnohem nižší než u nadproudových a mocnostních elektronických typů; 3. Vysoká spolehlivost: Automatická operace založená na fyzikálních charakteristikách, žádné externí řízení potřebné; 4. Automatické přepínání: Okamžité obnovení po odstranění poruchy.

V. Závěr

Tento studie navrhuje dvě inovativní řešení sériové rezonančního omezovače chybového proudu založené na konvenčních komponentách, úspěšně překonávající technické a ekonomické uzly tradičních nadproudových a mocnostních elektronických FCL.

FCL založený na nasyceném reaktoru: Prostřednictvím pečlivé optimalizace hysterezní smyčky jádra, nastavení hodnoty nasycené induktance (L_B2) na přibližně 1/3 kapacitivní reaktance a zajištění dobré koordinace s parametry kondenzátoru a sériového reaktoru, lze efektivně potlačit přetlak na kondenzátor a dosáhnout vynikající přechodné výkonné omezování proudu. Je zejména vhodný pro středně-nízké napěťové úrovně sítí, jako je 110 kV.
FCL založený na ZnO ochranném prvku: Využívání nelineárních charakteristik ZnO snadno omezí přetlak na kondenzátor, a jeho výkon není ovlivněn fázovým úhlem krátkého spojení. Nicméně, je třeba dávat pozor na příliš vysoké napětí na sériovém reaktoru způsobené příliš vysokou hodnotou L. Je více vhodný pro situace s vysokými požadavky na bezpečnost kondenzátoru a mírnými požadavky na omezování proudu.

08/26/2025