Soros rezgő áramkorlátító szabványos alkatrészek alapján: Gazdaságos és megbízható rövidzárléki áram megoldás

1. Bevezetés: Kutatási háttér és alapvető célkitűzések​

1. ​A rövidzárláti áramerősség problémájának súlyossága​
   A hálózatok folyamatos kiterjesztése és a kapacitásuk növekedése miatt a rendszer rövidzárláti áramerőssége jelentősen emelkedett, megközelítve vagy meghaladva a meglévő berendezések tűrhetőségi határértékét.
   • ​Adatok:​​ A figyelés eredményei szerint néhány 500kV, 220kV, akár 10kV alakváltóban a várható rövidzárláti áramerősség elérte vagy túllépte a 100 kA-ot; a nagyobb energiaforrásoknál a rövidzárláti áramerősség periódikus összetevője magasabb, mint 300 kA.
   • ​Súlyos kockázatok:​​ Az extrém magas rövidzárláti áramerősségek olyan megfelelő magfeszültségű átkötő modelljek hiányát okozzák, amelyek meghaladják az elektromos berendezések hőmérsékleti és elektrodinamikai erőtűrő határértékét, valamint biztonsági problémákat is okozhatnak, mint például az elektromágneses interferencia a kommunikációs rendszerekben, a földpotenciál emelkedése és a lépcsőzetes feszültség. Ez a technológiai üdehajtó lett a hálózat biztonságos és gazdaságos fejlődésének korlátozójává.
2. ​A jelenlegi FCL technológiák korlátai​
   A jelenlegi főbb hibajáradatkorlátozó (FCL) technológiák természetes hátrányokkal bírnak, ami nehézséget okoz a nagy léptékű alkalmazásukhoz:
   • ​Szupravezető FCL:​​ Szupravezető anyagokra támaszkodik, egy még nem teljesen fejlett technológia, alacsony megbízhatósággal, magas üzemeltetési és karbantartási költségekkel, gazdaságilag kedvezőtlenebb, ami azt jelenti, hogy a középtávon sem lesz mérnöki alkalmazása.
   • ​Energiaelektronikai FCL:​​ Az energiaelektronikai szemilettek feszültségtűrő és áramerősség képességeinek korlátja, a soros/párhuzamos feszültség- és áramerősség-osztás elleni kihívások, összetett rendszerstruktúrával (további áramerősség-korlátozó elemekkel és gyors védelmi körrel), ami drágábbá teszi őket.
3. ​A kutatás alapvető célja​
   A fenti problémák megoldása érdekében ebben a tanulmányban egy soros rezgőáramú hibajáradatkorlátozó megoldást javasolunk hagyományos elektromos komponenseken alapulva, ami nem szupravezető és nem energiaelektronikai. Két topológia kerül vizsgálatra:
4. Soros rezgőáramú FCL szättelt reaktor alapján
5. Soros rezgőáramú FCL ZnO védőelem alapján
   Ez a kutatás elektromágneses transzienst program (EMTP) szimuláció segítségével mélyrehatóan elemezni fogja ezek átkötő jellemzőit, összehasonlítja őket, és végül ellenőrzi, hogy technikailag, gazdaságilag és üzemeltetési megbízhatóság tekintetében jelentős előnyökkel bírnak-e.

​II. Soros rezgőáramú FCL szättelt reaktor alapján​

1. ​Kör topológia és működési elv​
   • ​Topológiai struktúra:​​ A legfontosabb részei egy szättelt reaktor L_B, egy kondenzátor C, és egy soros reaktor L. L_B párhuzamosan van kapcsolva C-vel, és ez a kombináció sorban van L-vel a rendszerbe.
   • ​Működési elv:​​
   o ​Normális működés:​​ A vonaláramerősség kicsi. L_B működik a nemszättelt tartományban (egyenértékű induktanciája, L_B1 nagyon nagy). Párhuzamosan C-vel viselkedik induktívan. Ezzel a soros reaktor L együtt elérték a hőmérsékleti soros rezonancia feltételét (ωL - 1/ωC ≈ 0). Az eszköz nagyon alacsony ellenállást mutat, így minimális a rendszer veszteségei.
   o ​Hiba állapot:​​ A rövidzárláti áramerősség hirtelen szätteli L_B-t (egyenértékű induktanciája drámai módon csökken L_B2-re). Párhuzamos ágja hatékonyan shortolja a kondenzátort, így felbontja a rezonancia feltételt. Ekkor a soros reaktor L és a szättelt reaktor L_B2 is bekerül a rendszerbe, hatékonyan korlátozva a rövidzárláti áramerősséget.
   o ​Hiba törlése:​​ A hiba után, amikor az áramerősség csökken, L_B automatikusan kilép a szättelésből, a kondenzátor újra bekapcsolódik, és a kör visszaáll a rezonancia állapotba, kiváltva a külső energiaszolgáltatás nélküli önismereti váltást.
   • ​Paraméterek kiválasztási elvei:​​
   o ω²L_B1C >> 1 (Biztosítja, hogy a párhuzamos ág induktívan viselkedjen normális működés közben)
   o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Kielégíti a normális működéshez szükséges rezonancia feltételt)
   o ω²L_B2C << 1 (Biztosítja, hogy a párhuzamos ág kapacitívan viselkedjen a hiba esetén, hatékonyan shortolva a kondenzátort)
2. ​Átkötő jellemzők szimulációs elemzése (EMTP)​​
   Szimuláció volt végzett egy 220kV rendszerben (várható rövidzárláti áramerősség csúcspontja: 110kA) egy fázis-föld közötti rövidzárlat esetén. A fő következtetések a következők:

​III. Soros rezgőáramú FCL ZnO védőelem alapján​

1. ​Kör topológia és működési elv​
   • ​Topológiai struktúra:​​ A szättelt reaktor L_B helyettesítése ZnO védőelemmel. A maradék struktúra (párhuzamos C + soros L) változatlan marad.
   • ​Működési elv:​​ Ugyanaz, mint a szättelt reaktor típusnál. Normális működés közben a ZnO nagy ellenállást mutat, és a kör rezonál. Hiba esetén a kondenzátor feszültségének emelkedése okozza, hogy a ZnO vezetővé váljon (kis ellenállással), shortolva a kondenzátort, és felbontva a rezonanciát. A soros reaktor L korlátozza az áramerősséget. A rendszer automatikusan helyreáll a hiba után. A teljes folyamat a ZnO nemlineáris feszültség-áramerősség karakterisztikáján alapszik, automatikus váltás nélkül külső energiaszolgáltatás nélkül.
2. ​Átkötő jellemzők szimulációs elemzése​
   Ugyanazon rendszerfeltételek mellett végzett szimuláció fő következtetései a következők:

​IV. A két FCL megoldás összehasonlítása​

​V. Összefoglalás​

Ez a tanulmány két innovatív soros rezgőáramú hibajáradatkorlátozó megoldást javasol hagyományos komponenseken alapulva, sikeresen túllépve a hagyományos szupravezető és energiaelektronikai FCL technikai és gazdasági üdehajtóin.

1. ​Szättelt reaktor FCL:​​ A mag hysteresis ciklus jellemzőinek gondos optimalizálásával, a szättelt induktancia (L_B2) beállításával körülbelül 1/3-a a kapacitív ellenállásnak, valamint a kondenzátor és a soros reaktor paramétereinek jó koordinációjával hatékonyan korlátozható a kondenzátor túlfeszültsége, és kiváló tranziensteljesítmény érhető el. Különösen alkalmas közepes és alacsony feszültségű hálózatokhoz, mint például 110kV.
2. ​ZnO védőelem FCL:​​ A ZnO nemlineáris jellemzőinek felhasználásával könnyű korlátozni a kondenzátor túlfeszültségét, és a teljesítménye nem befolyásolódik a rövidzárlat fázisszögétől. Viszont figyelemre méltó, hogy a túl nagy L értékek miatt a soros reaktoron jelentős túlfeszültség keletkezhet. Inkább alkalmas arra a helyzetekre, ahol a kondenzátor biztonságra nagy hangsúlyt fektetnek, és közepes átkötő igények vannak.