Serijni rezonantni ograničitelj strujnog kruga temeljen na konvencionalnim komponentama: Ekonomično i pouzdano rješenje za ograničavanje struje pri kratkom spoju
- Uvod: Istraživačka pozadina i ključni ciljevi
- Težina problema strujnog prekida
S uzastopnim proširenjem mreže i stalnim rastom njene kapacitete, nivo struje prekida u sustavu se značajno povećao, približavajući se ili čak prelazeći na opsežne granice postojećeg opreme.
• Podrška podacima: Nadzor pokazuje da je očekivana struja prekida na nekim 500 kV, 220 kV i čak 10 kV pretvorama unutar zemlje premašila 100 kA; maksimalna periodična komponenta struje prekida u glavnim izvorima energije dosegu do 300 kA.
• Značajna opasnost: Ekstremno visoke struje prekida rezultiraju nedostatkom odgovarajućih modela visokonaponskih prekidnika struje, oštećenjem električne opreme zbog prelaska termalnih i elektrodinamičkih ograničenja, te mogu uzrokovati sigurnosne probleme poput elektromagnetske interferencije u komunikacijskim sustavima, povišenja potencijala tla i koraka napona. To postaje ključni tehnički grlo koje ograničava sigurno i ekonomsko razvoj mreže. - Ograničenja postojećih FCL tehnologija
Trenutne mainstream FCL (Fault Current Limiter) tehnologije imaju intrinzične nedostatke, što teško uspostavlja njihovu masovnu primjenu:
• Superprovođački FCL: Zavisi o superprovođačkim materijalima, tehnologija koja još nije dozrijevšta, nudi nisku pouzdanost, zahtijeva visoke troškove održavanja, ekonomski nepovoljna, što sprečava inženjersku primjenu u kratkom do srednjem roku.
• FCL na osnovi elektroničkih uređaja snage: Ograničen kapacitet otpornosti na napon i nosivosti struje elektroničkih uređaja snage, izazovi u kontroli dijeljenja napona i struje u seriji/paraleli, složeni sustav (zahtijeva dodatne komponente ograničenja struje i brze zaštitne krugove), skup. - Ključni cilj ovog istraživanja
Da bi se sukladno riješili gornji problemi, ovo istraživanje ima za cilj predložiti rješenje ograničitelja struje prekida na temelju serijalnog rezonanca konvencionalnih električnih komponenti, bez upotrebe superprovođačkih i elektroničkih uređaja snage. Konkretno, proučavaju se dvije topologije: - Serijalni rezonantni FCL temeljen na nasitljivom reaktoru
- Serijalni rezonantni FCL temeljen na ZnO zaštita od prenapona
Ovo istraživanje koristit će program EMTP (Electromagnetic Transients Program) simulacije kako bi duboko analiziralo njihove transijentne karakteristike ograničenja struje, izvršilo usporedbu i konačno verificiralo njihove značajne prednosti u tehničkoj izvedivosti, ekonomiji i operativnoj pouzdanosti.
II. Serijalni rezonantni FCL temeljen na nasitljivom reaktoru
- Topologija kruga i radni princip
• Struktura topologije: Središnji dio sastoji se od nasitljivog reaktora LB, kondenzatora C i serijalnog reaktora L. LB spojen je paralelno s C, a ta kombinacija zatim serijalno s L u sustav.
• Radni princip:
o Normalna operacija: Struja u liniji je mala. LB radi u regionu bez nasitljivosti (njegova ekvivalentna induktivnost LB1 je vrlo velika). Njegova paralelna kombinacija s C ponaša se induktivno. U kombinaciji s serijalnim reaktorom L, oni zadovoljavaju uvjet serijalnog rezonanca frekvencije mreže (ωL - 1/ωC ≈ 0). Uređaj prikazuje vrlo nizu impedanciju, što rezultira minimalnim gubitcima sustava.
o Stanje greške: Brzi porast struje prekida brzo nasitljuje LB (njegova ekvivalentna induktivnost brzo pada na LB2). Njegova paralelna granica efektivno krati kondenzator C, time ruši rezonančni uvjet. U tom trenutku, serijalni reaktor L i nasitljivi reaktor LB2 su ubačeni u sustav, efektivno ograničavajući struju prekida.
o Ispravljanje greške: Nakon ispravljanja greške, struja opada. LB automatski izlazi iz stanja nasitljivosti, kondenzator ponovo se aktivira, a krug vraća se u rezonančno stanje, ostvarujući samoinicijiranu promjenu bez vanjskog izvora energije.
• Principi odabira parametara:
o ω²LB1C >> 1 (Osigurava da paralelna granica ponaša se induktivno tijekom normalne operacije)
o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Zadovoljava rezonančni uvjet za normalnu operaciju)
o ω²LB2C << 1 (Osigurava da paralelna granica ponaša se kapacitivno tijekom greške, efektivno kraćući kondenzator) - Analiza simulacije karakteristika ograničenja struje (EMTP)
Simulacija je provedena u uvjetima jednofaznog prekida na zemlju u 220 kV sustavu (očekivani vrh struje prekida: 110 kA). Ključne zaključke su sljedeći:
|
Utjecajni faktor |
Ključni zaključak |
Tipični simulacijski podaci (primjer) |
|
1. Ne-nasitljiva induktivnost LB1 |
Povećanje LB1 značajno smanjuje prenapon kondenzatora, ali malo utječe na struju prekida; učinak nasitljuje. |
LB1=1317mH: Napon kondenzatora 270 kV; LB1=1321mH: Napon kondenzatora 157 kV (42% smanjenje) |
|
2. Nasitljiva induktivnost LB2 |
Postoji optimalni raspon (1-7 mH). Preveliki LB2 daje loše ograničenje, preveliki LB2 dovodi do ozbiljnog prenapona kondenzatora. |
LB2=7mH (C=507μF, L=20mH): Struja prekida 25 kA, napon kondenzatora 157 kV |
|
3. Koordinacija parametara C/L |
Postoji optimalna kombinacija za kooperativno kontroliranje struje prekida i prenapona kondenzatora. |
Optimalna kombinacija (C=406μF, L=25mH): Struja prekida 22 kA, napon kondenzatora 142 kV |
|
4. Početni kut prekida |
Transijentne karakteristike su značajno utjecane na fazni kut; najozbiljniji prenapon na 0°/180°; dizajn mora uzeti u obzir najgori slučaj. |
0° faza: Struja prekida 18 kA, napon kondenzatora 201 kV; 90° faza: Struja prekida 22 kA, napon kondenzatora 142 kV |
III. Serijalni rezonantni FCL temeljen na ZnO zaštiti od prenapona
- Topologija kruga i radni princip
• Struktura topologije: Nositljivi reaktor LB zamijenjen je ZnO zaštitom od prenapona. Ostatak strukture (paralelno C + serijalno L) ostaje nepromijenjen.
• Radni princip: Princip je isti kao kod nasitljivog reaktora. Tijekom normalne operacije, ZnO pokazuje visok otpor, a krug rezonira. Tijekom greške, rastući napon kondenzatora dovodi do provodljivosti ZnO (prikazuje niski otpor), kraćući kondenzator i ruši rezonanciju. Serijalni reaktor L ograničava struju. Sustav se automatski oporavi nakon ispravljanja greške. Čitav proces koristi nelinearne voltamperne karakteristike ZnO za automatsko prebacivanje. - Analiza simulacije karakteristika ograničenja struje
Simulacija u istim uvjetima sustava dala je ključne zaključke:
|
Utjecajni faktor |
Ključni zaključak |
Tipični simulacijski podaci (primjer) |
|
1. Ostatni napon zaštite i koordinacija C/L |
Lako ograničiti prenapon kondenzatora, ali povećanje L u potragi za nižom strujom prekida dovodi do previsokog napona na serijalnom reaktoru. |
C=254μF, L=40mH: Struja prekida 20 kA, napon reaktora 246 kV; C=507μF, L=20mH: Struja prekida 35 kA, napon reaktora 173 kV |
|
2. Početni kut prekida |
Transijentne karakteristike su netrpeljive na fazni kut prekida, samo utječe na magnitudu struje; maksimalna struja na 90°. |
90° faza (C=507μF, L=20mH): Struja prekida 35 kA; 0° faza: Struja prekida 28 kA |
IV. Kompleksna usporedba dva FCL sheme
|
Dimenzija usporedbe |
FCL temeljen na nasitljivom reaktoru |
FCL temeljen na ZnO zaštiti od prenapona |
|
Glavna prednost |
Izvrsan učinak ograničenja struje; dobra ravnoteža između struje prekida i prenapona komponenti dostignuta optimizacijom parametara. |
Lako ograničenje prenapona kondenzatora; transijentne karakteristike neovisne o faznom kutu prekida; jednostavniji dizajn. |
|
Glavna ograničenja |
Zahtijeva preciznu optimizaciju karakteristika histereza jezgra i parametara C/L; teško kontrolirati prenapon kondenzatora; značajno utjecan na fazni kut prekida. |
Značajni problem prenapona na serijalnom reaktoru prilikom potrage za niskom strujom prekida; zahtijeva strogu kontrolu vrijednosti L. |
|
Ključni zahtjevi za parametre |
Optimalna ekvivalentna nasitljiva induktivnost LB2 ≈ 1/3 kapacitivnog reaktansa. |
Vrijednost induktivnosti serijalnog reaktora ne smije biti prevelika. |
|
Preferencija za primjenu |
Prikladan za srednje-niske naponne razine (npr. 110 kV) u visokonaponskim mrežama gdje je potrebno visoko ograničenje struje. |
Prikladan za situacije osjetljive na prenapon kondenzatora s umjereno ograničenim zahtjevima za ograničenjem struje prekida. |
|
Zajedničke karakteristike |
1. Jednostavna struktura: Sastoji se potpuno od konvencionalnih električnih komponenti, bez složenog upravljanja; |
V. Zaključak
Ovo istraživanje predlaže dvije inovativne rješenja serijalnog rezonantnog ograničitelja struje prekida temeljena na konvencionalnim komponentama, uspješno premošćujući tehnička i ekonomska grla tradicionalnih superprovođačkih i elektroničkih FCL-a.
- Nositljivi reaktor FCL: Kroz pažljivu optimizaciju karakteristika histereza jezgra, postavljanje vrijednosti nasitljive induktivnosti (LB2) na otprilike 1/3 kapacitivnog reaktansa, i osiguravanje dobre koordinacije s parametrima kondenzatora i serijalnog reaktora, može efektivno supresirati prenapon kondenzatora i postići izvrsnu transijentnu performansu ograničenja struje. Posebno je prikladan za srednje-niske naponske razine mreže poput 110 kV.
- ZnO zaštita FCL: Koristeći nelinearne karakteristike ZnO lako ograničava prenapon kondenzatora, a njegova performansa ne ovisi o faznom kutu prekida. Međutim, treba paziti na previsoki napon na samom serijalnom reaktoru koji može nastati zbog prevelikih vrijednosti L. Više je prikladan za prilike sa visokim zahtjevima za sigurnošću kondenzatora i umjereno ograničenim potrebama za ograničenjem struje.
