Limitatore di Corrente di Cortocircuito a Risonanza Seriale Basato su Componenti Convenzionali: Una Soluzione Economica e Affidabile per la Corrente di Cortocircuito

1. Introduzione: Contesto di Ricerca e Obiettivi Principali

1. Gravità del Problema della Corrente di Cortocircuito
   Con l'espansione continua della scala della rete elettrica e la crescita costante della sua capacità, il livello di corrente di cortocircuito del sistema è aumentato drasticamente, avvicinandosi o superando i limiti di resistenza delle attrezzature esistenti.
   • Dati a Supporto: Il monitoraggio indica che la corrente di cortocircuito prospettiva in alcune sottostazioni a 500kV, 220kV e persino 10kV all'interno del paese ha superato i 100 kA; il componente periodico massimo della corrente di cortocircuito nelle principali fonti di energia raggiunge fino a 300 kA.
   • Rischi Gravi: Correnti di cortocircuito estremamente elevate portano alla mancanza di modelli di interruttori ad alta tensione adeguati, causano danni alle apparecchiature elettriche a causa del superamento dei limiti termici e delle forze elettrodinamiche, e possono anche portare a problemi di sicurezza come l'interferenza elettromagnetica nei sistemi di comunicazione, l'aumento del potenziale di terra e la tensione passo. Questo è diventato un collo di bottiglia tecnico chiave che limita lo sviluppo sicuro ed economico della rete elettrica.
2. Limiti delle Tecnologie FCL Esistenti
   Le tecnologie di limitatori di corrente di guasto (FCL) attualmente mainstream presentano intrinseci difetti, rendendo difficile l'applicazione su larga scala:
   • FCL Superconduttore: Si basa su materiali superconduttori, una tecnologia non ancora matura, con bassa affidabilità, elevati costi di operatività e manutenzione, e vantaggi economici sfavorevoli, impedendo la sua applicazione ingegneristica nel breve-medio termine.
   • FCL Elettronico di Potenza: Limitato dalla capacità di resistere alla tensione e alla corrente degli elementi semiconduttori di potenza, affronta sfide nel controllo della condivisione di tensione e corrente in serie/parallelo, presenta una struttura di sistema complessa (richiede componenti aggiuntivi per il limite di corrente e circuiti di protezione rapida), e è costoso.
3. Obiettivo Principale di Questa Ricerca
   Per risolvere questi problemi, questo studio mira a proporre una soluzione di limitatore di corrente di guasto a risonanza seriale basata su componenti elettrici convenzionali, non superconduttore e non elettronico di potenza. In particolare, vengono studiate due topologie:
4. Limitatore di Corrente di Guasto a Risonanza Seriale basato su Reactore Saturabile
5. Limitatore di Corrente di Guasto a Risonanza Seriale basato su Parafuoco ZnO
   Questa ricerca utilizzerà la simulazione del Programma di Transitori Elettromagnetici (EMTP) per analizzare approfonditamente le loro caratteristiche transitorie di limitazione della corrente, effettuare un confronto e verificare infine i loro significativi vantaggi in termini di fattibilità tecnica, economia e affidabilità operativa.

II. Limitatore di Corrente di Guasto a Risonanza Seriale Basato su Reactore Saturabile

1. Topologia del Circuito e Principio di Funzionamento
   • Struttura Topologica: Il nucleo consiste in un reactore saturabile L_B, un condensatore C e un reactore seriale L. L_B è collegato in parallelo con C, e questa combinazione è poi collegata in serie con L nel sistema.
   • Principio di Funzionamento:
   o Operazione Normale: La corrente della linea è piccola. L_B opera nella regione non saturata (la sua induttanza equivalente L_B1 è molto grande). La sua combinazione in parallelo con C si comporta induttivamente. Insieme al reactore seriale L, soddisfano la condizione di risonanza seriale a frequenza di rete (ωL - 1/ωC ≈ 0). Il dispositivo presenta una impedenza molto bassa, risultando in perdite minime del sistema.
   o Stato di Guasto: Un aumento repentino della corrente di cortocircuito satura rapidamente L_B (la sua induttanza equivalente diminuisce drasticamente a L_B2). Il suo ramo parallelo short-circuita efficacemente il condensatore C, rompendo così la condizione di risonanza. A questo punto, il reactore seriale L e il reactore saturato L_B2 sono entrambi inseriti nel sistema, limitando efficacemente la corrente di cortocircuito.
   o Rimozione del Guasto: Dopo la rimozione del guasto, la corrente diminuisce. L_B esce automaticamente dalla saturazione, il condensatore viene riattivato, e il circuito torna allo stato di risonanza, realizzando un commutazione self-triggered senza fonte di alimentazione esterna.
   • Principi di Selezione dei Parametri:
   o ω²L_B1C >> 1 (Garantisce che il ramo parallelo si comporti induttivamente durante l'operazione normale)
   o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Soddisfa la condizione di risonanza per l'operazione normale)
   o ω²L_B2C << 1 (Garantisce che il ramo parallelo si comporti capacitivamente durante un guasto, short-circuitando efficacemente il condensatore)
2. Analisi Simulativa delle Caratteristiche di Limitazione della Corrente (EMTP)
   La simulazione è stata condotta in condizioni di guasto monofase-terra in un sistema a 220kV (corrente di cortocircuito prospettiva picco: 110kA). Le conclusioni chiave sono le seguenti:

III. Limitatore di Corrente di Guasto a Risonanza Seriale Basato su Parafuoco ZnO

1. Topologia del Circuito e Principio di Funzionamento
   • Struttura Topologica: Il reactore saturabile L_B è sostituito da un parafuoco ZnO. La struttura rimanente (parallelo C + serie L) rimane invariata.
   • Principio di Funzionamento: Il principio è lo stesso del tipo a reactore saturabile. Durante l'operazione normale, il ZnO presenta una resistenza elevata, e il circuito risona. Durante un guasto, l'aumento della tensione del condensatore fa condurre il ZnO (presentando una resistenza bassa), short-circuitando il condensatore e rompendo la risonanza. Il reactore seriale L limita la corrente. Il sistema si ripristina automaticamente dopo la rimozione del guasto. L'intero processo utilizza le caratteristiche non lineari volt-ampere del ZnO per la commutazione automatica.
2. Analisi Simulativa delle Caratteristiche di Limitazione della Corrente
   La simulazione nelle stesse condizioni di sistema ha fornito le seguenti conclusioni chiave:

IV. Confronto Complessivo tra i Due Schema FCL

V. Conclusione

Questo studio propone due soluzioni innovative di limitatori di corrente di guasto a risonanza seriale basate su componenti convenzionali, superando con successo i collo di bottiglia tecnici ed economici dei tradizionali FCL superconduttori e elettronici di potenza.

1. FCL a Reactore Saturabile: Attraverso un'accurata ottimizzazione delle caratteristiche dell'anello d'isteresi del nucleo, impostando il valore di induttanza saturata (L_B2) a circa 1/3 della reattività capacitiva, e assicurando una buona coordinazione con i parametri del condensatore e del reactore seriale, può limitare efficacemente la sovratensione del condensatore e ottenere un'eccellente prestazione di limitazione della corrente transitoria. È particolarmente adatto per reti a livello medio-basso come 110kV.
2. FCL a Parafuoco ZnO: Utilizzando le caratteristiche non lineari del ZnO, limita facilmente la sovratensione del condensatore, e le sue prestazioni non sono influenzate dall'angolo di fase del cortocircuito. Tuttavia, è necessario prestare attenzione per evitare la sovratensione sul reactore seriale stesso causata da valori eccessivi di L. È più adatto per occasioni con requisiti elevati di sicurezza del condensatore e necessità moderate di limitazione della corrente.