Limitator Currentus Defectus in Serie Basatus super Componentibus Conventionalibus Solutio Economica et Fidelis pro Currentu Defectus Circuitus Brevis

1. Introducere: Fundalul Cercetării și Obiectivele Principale

1. Gravitatea Problemei Curentului de Scurt-Circuit
   Cu expansiunea continuă a scării rețelei electrice și creșterea constantă a capacității sale, nivelul curentului de scurt-circuit al sistemului a crescut brusc, apropiindu-se sau chiar depășind limitele de rezistență ale echipamentelor existente.
   • Susținerea prin date: Monitorizarea indică că curentul de scurt-circuit prevăzut la unele substații de 500kV, 220kV și chiar 10kV din țară a depășit 100 kA; componenta periodică maximă a curentului de scurt-circuit la principalele surse de energie atinge până la 300 kA.
   • Riscuri grave: Curente de scurt-circuit extrem de mari duc la lipsa unor modele adecvate de întrerupătoare de tensiune ridicată, cauzează deteriorarea echipamentelor electrice prin depășirea limitelor termice și forței electrodinamice, și pot duce la probleme de siguranță precum interferența electromagnetică în sistemele de comunicații, creșterea potențialului de sol și tensiunea de pas. Acest lucru a devenit o sticlă de gât tehnologică cheie care restricționează dezvoltarea sigură și economică a rețelei electrice.
2. Limitările Tehnologiilor FCL Existente
   Tehnologiile actuale mainstream de limitare a curentului de defect (FCL) au deficiențe inerente, făcând aplicarea pe scară largă dificilă:
   • FCL Supraconductoare: Se bazează pe materiale supraconductoare, o tehnologie încă neîntemeiată, oferă o fiabilitate redusă, implică costuri ridicate de operare și întreținere, și este nefavorabilă economic, prevenind aplicarea sa ingineristică pe termen scurt și mediu.
   • FCL Electronice de Putere: Limitate de capacitatea de suportare a tensiunii și a transportării curentului a dispozitivelor semiconductoare de putere, se confruntă cu provocări în controlul de împărțire a tensiunii și curentului în serie/paralel, prezintă o structură de sistem complexă (necesită componente suplimentare de limitare a curentului și circuite de protecție rapide), și sunt costisitoare.
3. Obiectivul Principal al Acestei Cercetări
   Pentru a aborda aceste probleme, acest studiu urmărește să propună o soluție de limitare a curentului de defect prin rezonanță serie bazată pe componente electrice convenționale, care nu sunt supraconductoare și nici electronice de putere. În mod specific, sunt studiate două topologii:
4. FCL prin Rezonanță Serie bazat pe un Reactor Saturabil
5. FCL prin Rezonanță Serie bazat pe un Arrester ZnO
   Această cercetare va utiliza simularea programului Electromagnetic Transients (EMTP) pentru a analiza adânc caracteristicile transitorii de limitare a curentului, efectua o comparație, și în cele din urmă, a verifica avantajele lor semnificative în ceea ce privește fezabilitatea tehnică, economia, și fiabilitatea operațională.

II. FCL prin Rezonanță Serie Bazat pe Reactor Saturabil

1. Topologia Circuitului și Principiul de Funcționare
   • Structura Topologiei: Nucleul constă dintr-un reactor saturabil L_B, un condensator C, și un reactor serie L. L_B este conectat în paralel cu C, iar această combinație este apoi conectată în serie cu L în sistem.
   • Principiul de Funcționare:
   o Funcționare Normală: Curentul liniei este mic. L_B funcționează în regiunea nesaturată (inductanța sa echivalentă L_B1 este foarte mare). Combinarea sa în paralel cu C se comportă inductiv. Împreună cu reactorul serie L, satisfac condiția de rezonanță serie la frecvența de rețea (ωL - 1/ωC ≈ 0). Dispozitivul prezintă o impedanță foarte mică, rezultând în pierderi minime ale sistemului.
   o Stare de Defect: O creștere bruscă a curentului de scurt-circuit satură rapid L_B (inductanța sa echivalentă scade brusc la L_B2). Ramura sa în paralel efectuează practic un scurt-circuit al condensatorului C, astfel încât condiția de rezonanță este ruptă. În acest moment, reactorul serie L și reactorul saturat L_B2 sunt ambele inserate în sistem, limitând eficient curentul de scurt-circuit.
   o Eliminarea Defectului: După eliminarea defectului, curentul scade. L_B iese automat din stare de saturație, condensatorul este reintrodus, și circuitul revine în stare de rezonanță, realizând comutarea auto-trigerată fără necesitatea unei surse externe de alimentare.
   • Principii de Selectare a Parametrilor:
   o ω²L_B1C >> 1 (Asigură că ramura în paralel se comportă inductiv în timpul funcționării normale)
   o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Satisfac condiția de rezonanță pentru funcționarea normală)
   o ω²L_B2C << 1 (Asigură că ramura în paralel se comportă capacitiv în timpul unui defect, efectuând practic scurt-circuitarea condensatorului)
2. Analiza Simulării Caracteristicilor de Limitare a Curentului (EMTP)
   Simularea a fost efectuată în condiții de defect unifazat la sol într-un sistem de 220kV (curent de scurt-circuit prevăzut: vârf 110kA). Concluziile cheie sunt următoarele:

III. FCL prin Rezonanță Serie Bazat pe Arrester ZnO

1. Topologia Circuitului și Principiul de Funcționare
   • Structura Topologiei: Reactorul saturabil L_B este înlocuit de un arrester ZnO. Restul structurii (C paralel + L serie) rămâne neschimbat.
   • Principiul de Funcționare: Principiul este același ca la tipul cu reactor saturabil. În timpul funcționării normale, ZnO prezintă o rezistență ridicată, iar circuitul rezonă. În timpul unui defect, creșterea tensiunii condensatorului determină conductarea ZnO (prezentând o rezistență scăzută), scurt-circuitând condensatorul și rupeți rezonanța. Reactorul serie L limitează curentul. Sistemul se recuperează automat după eliminarea defectului. Întregul proces utilizează caracteristicile non-liniare volt-ampere ale ZnO pentru comutarea auto-trigerată.
2. Analiza Simulării Caracteristicilor de Limitare a Curentului
   Simularea în aceleași condiții de sistem a furnizat concluzii cheie:

IV. Comparare Comprehensivă a Celei Două Soluții FCL

V. Concluzie

Acest studiu propune două soluții inovatoare de limitare a curentului de defect prin rezonanță serie bazate pe componente convenționale, reușind să depășească gâtul de sticlă tehnologic și economic al FCL-urilor tradiționale supraconductoare și electronice de putere.

1. FCL cu Reactor Saturabil: Prin optimizarea meticuloasă a caracteristicilor buclei de histeresis a nucleului, setarea valorii inductanței saturate (L_B2) la aproximativ 1/3 din reactanța capacitivă, și asigurarea unei coordonări bune cu parametrii condensatorului și ai reactorului serie, poate suprime eficient supra-tensiunea condensatorului și poate atinge o performanță excelentă de limitare a curentului transitor. Este potrivit în special pentru rețele de tensiune medie-scazută, cum ar fi 110kV.
2. FCL cu Arrester ZnO: Utilizând caracteristicile non-liniare ale ZnO, poate limita ușor supra-tensiunea condensatorului, iar performanța sa nu este afectată de unghiul de fază al scurt-circuitului. Cu toate acestea, trebuie să se aibă grijă de a evita supra-tensiunea excesivă pe reactorul serie cauzată de valori excesive ale lui L. Este mai potrivit pentru ocazii cu cerințe ridicate de siguranță a condensatorului și nevoi moderate de limitare a curentului.