სერიული რეზონანსის შეცდომის ტოკის ლიმიტერი სტანდარტული კომპონენტებზე დაფუძნებული: ეკონომიკური და ნადежი მცირე-წრედის ტოკის გადარჩენის გადაწყვეტა

1. შესავალი: კვლევის ფონი და ძირითადი მიზნები​

1. ​შორტ-ცირკუიტის ქარიშხლის პრობლემის სერიოზულობა​
   ელექტრო ქსელის სიდიდის და მისი საშუალებების უწყვეტ ზრდასთან ერთად, სისტემის შორტ-ცირკუიტის დენის დონე განულებრივ იზრდება, მიაღწევს ან dok აღემატება არსებული მოწყობილობების დამატებითი ზრდის ლიმიტებს.
   • ​მონაცემების დამხმარე მასალა:​​ მონიტორინგი ჩვენი ქვეყნის ზოგიერთი 500kV, 220kV და 乃至10kV变电站的预期短路电流已超过100 kA；主要电源的短路电流周期分量最大可达300 kA。
   • ​严重危害：​ 极高的短路电流导致缺乏合适的高压断路器型号，超过热和电动力限制导致电气设备损坏，并可能导致通信系统中的电磁干扰、地电位升高和跨步电压等安全问题。这已成为制约电网安全经济发展的关键技术瓶颈。
2. ​现有FCL技术的局限性​
   当前主流的故障电流限制器（FCL）技术存在固有缺陷，难以大规模应用：
   • ​超导FCL：​ 依赖于尚未成熟的超导材料技术，可靠性低，运行维护成本高，经济上不划算，短期内难以实现工程应用。
   • ​电力电子FCL：​ 受电力半导体器件耐压和载流能力的限制，在串联/并联电压和电流均流控制方面面临挑战，系统结构复杂（需要额外的限流元件和快速保护电路），成本高昂。
3. ​本研究的核心目标​
   为解决上述问题，本研究旨在提出基于常规电气元件的串联谐振故障电流限制器解决方案，该方案既非超导也非电力电子。具体研究两种拓扑结构：
4. 基于饱和电抗器的串联谐振FCL
5. 基于ZnO避雷器的串联谐振FCL
   本研究将使用电磁暂态程序（EMTP）仿真深入分析其暂态限流特性，进行比较，最终验证其在技术可行性、经济性和运行可靠性方面的显著优势。

​II. 基于饱和电抗器的串联谐振FCL​

1. ​电路拓扑和工作原理​
   • ​拓扑结构：​ 核心由饱和电抗器LB、电容器C和串联电抗器L组成。LB与C并联，然后与L串联接入系统。
   • ​工作原理：​
   o ​正常运行：​ 线路电流较小。LB工作在未饱和区域（其等效电感LB1非常大）。它与C的并联组合表现为电感性。与串联电抗器L一起满足工频串联谐振条件（ωL - 1/ωC ≈ 0）。装置呈现非常低的阻抗，使系统损耗最小。
   o ​故障状态：​ 短路电流激增迅速使LB饱和（其等效电感急剧下降到LB2）。其并联支路有效短接电容器C，从而破坏谐振条件。此时，串联电抗器L和饱和电抗器LB2同时插入系统，有效限制短路电流。
   o ​故障清除后：​ 故障清除后，电流减小。LB自动退出饱和，电容器重新投入，电路恢复到谐振状态，无需外部电源即可实现自触发切换。
   • ​参数选择原则：​
   o ω²LB1C >> 1（确保正常运行时并联支路表现为电感性）
   o ωL - 1/ωC ≈ 0（满足正常运行时的谐振条件）
   o ω²LB2C << 1（确保故障时并联支路表现为容性，有效短接电容器）
2. ​限流特性仿真分析（EMTP）​
   在220kV系统单相接地短路故障条件下进行了仿真，主要结论如下：

​III. 基于ZnO避雷器的串联谐振FCL​

1. ​电路拓扑和工作原理​
   • ​拓扑结构：​ 将饱和电抗器LB替换为ZnO避雷器。其余结构（并联C + 串联L）保持不变。
   • ​工作原理：​ 原理与饱和电抗器型相同。正常运行时，ZnO表现出高电阻，电路谐振。故障时，上升的电容器电压使ZnO导通（呈现低电阻），短接电容器并破坏谐振。串联电抗器L限制电流。故障清除后系统自动恢复。整个过程利用ZnO的非线性伏安特性实现自动切换。
2. ​限流特性仿真分析​
   在相同系统条件下进行仿真，得出关键结论：

​IV. 两种FCL方案的综合比较​

​V. 结论​

本研究提出了两种基于常规元件的创新串联谐振故障电流限制器解决方案，成功克服了传统超导和电力电子FCL的技术和经济瓶颈。

1. ​饱和电抗器FCL：​ 通过精细优化铁芯的磁滞回线特性，设置饱和电感值（LB2）约为容抗的1/3，并确保与电容器和串联电抗器参数的良好协调，可以有效抑制电容器过电压，实现优异的瞬态限流性能。特别适用于如110kV的中低电压等级电网。
2. ​ZnO避雷器FCL：​ 利用ZnO的非线性特性容易限制电容器过电压，其性能不受短路相角的影响。但需要注意避免因L值过大而导致串联电抗器本身过电压。更适用于对电容器安全性要求高且限流需求适中的场合。