Sērijveida rezonācijas strāvas ierobežotājs balstīts uz parastiem komponentiem: Ekonomiska un uzticība īsā gājiena strāvas risinājuma

1. Ievads: Pētījuma fons un galvenie mērķi​

1. ​Kortikālā strāvas problēmas smarts​
   Ar elektrotīkla mēroga nepārtrauktu paplašināšanos un tā spējas pastāvīgu pieaugumu, sistēmas kortikālā strāva ir strauji palielinājusies, tuvojoties vai pat pārsniedzot esošo iekārtu izturības robežas.
   • ​Datu atbalsts:​​ Monitoringa datus liecina, ka dažos 500 kV, 220 kV un pat 10 kV transformatoru centrālos valstī prognozējamā kortikālā strāva ir pārsniegusi 100 kA; lielāko enerģijas avotu kortikālās strāvas periodiskā sastāvdaļa sasniedz līdz pat 300 kA.
   • ​Serious Hazards:​​ Ārkārtīgi augstās kortikālās strāvas rezultātā trūkst piemērotu augsprieguma šķērsošanas iekārtu modeļu, kas var izraisīt elektriskās iekārtas bojājumus, pārsniedzot termisko un elektrodinamisko spēka robežas, un arī var izraisīt drošības jautājumus, piemēram, elektromagnētisku interferenci sakaru sistēmās, zemes potenciāla paaugstināšanos un solispanele. Tas kļuvuši par būtisku tehnisku grūtību, kas ierobežo elektrotīkla drošu un ekonomisku attīstību.
2. ​Esošo FCL tehnoloģiju ierobežojumi​
   Pašreizējās galvenās defektu strāvas ierobežotāju (FCL) tehnoloģijas ir inerentas trūkumi, kas padara tos plašu mēroga pielietojumu grūtiem:
   • ​Superconducting FCL:​​ Atkarīgs no superstrāvas materiāliem, tehnoloģija, kas vēl nav pilnībā izstrādāta, piedāvā zemu uzticamību, saistītas ar augstu darbības un uzturēšanas izmaksām, un ekonomiski neierasts, kas novērš tā inženierzinātnisku pielietojumu vidēja termiņā.
   • ​Power Electronic FCL:​​ Ierobežots ar enerģijas semiprovadītāju iekārtu izturību pret spriegumu un strāvas nesēja spēju, saskaras ar grūtībām savienojuma/vienā laikā sprieguma un strāvas dalīšanā, ietver sarežģītu sistēmas struktūru (nepieciešamas papildu strāvas ierobežojošas komponentes un ātri aizsardzības shēmas), un ir dārgs.
3. ​Šī pētījuma galvenais mērķis​
   Lai risinātu minētās problēmas, šajā pētījumā tiek piedāvāts serijas rezonanses defektu strāvas ierobežotāja risinājums, balstoties uz parastiem elektriskajiem komponentiem, kas nav superstrāvas un nav enerģijas elektroniski. Konkrēti, tiek pētītas divas topoloģijas:
4. Sērijveida rezonanses FCL, balstoties uz satura reaktoru
5. Sērijveida rezonanses FCL, balstoties uz ZnO aizsargdiodu
   Šis pētījums izmantos Elektromagnētisko momentānu procesu (EMTP) simulāciju, lai ganiem analizētu tos momentānos strāvas ierobežošanas raksturojumus, veiktu salīdzinājumu un beidzot apstiprinātu tos būtiskos priekšrocības tehniskā iespējamībā, ekonomikā un darbības uzticamībā.

​II. Sērijveida rezonanses FCL, balstoties uz satura reaktoru​

1. ​Shēmas topoloģija un darbības princips​
   • ​Topoloģijas struktūra:​​ Šķērsošanas reaktors L_B, kondensators C un sērijas reaktors L. L_B ir savienots paralēli ar C, un šī kombinācija tad tiek savienota sērijā ar L sistēmā.
   • ​Darbības princips:​​
   o ​Normālā darbība:​​ Līnijas strāva ir maza. L_B darbojas nesaturā reģionā (tā ekvivalentā inductance L_B1 ir ļoti liela). Tā paralēlā kombinācija ar C uzvedas induktīvi. Kopā ar sērijas reaktoru L, tie apmierina stratā frekvences sērijas rezonancijas nosacījumu (ωL - 1/ωC ≈ 0). Ierīce rāda ļoti zemu impedanci, ko rezultātā sistēmas zudējumi ir minimāli.
   o ​Defekts stāvoklis:​​ Kortikālā strāvas pieauga strauji saturā L_B (tā ekvivalentā inductance samazināsies drīzāk līdz L_B2). Tā paralēlā šķērsošana efektīvi saīsinās kondensatoru C, tādējādi pārtraucot rezonancijas nosacījumu. Šajā brīdī, sērijas reaktors L un saturā reaktors L_B2 tiek ievietoti sistēmā, efektīvi ierobežojot kortikālo strāvu.
   o ​Defekta novēršana:​​ Pēc defekta novēršanas, strāva samazinās. L_B automātiski iziet no saturā, kondensators tiek atkal iejaukts, un shēma atgriežas rezonancijas stāvoklī, sasniedzot automātisku pārslēgšanos bez ārējas enerģijas avota.
   • ​Parametru izvēles principi:​​
   o ω²L_B1C >> 1 (Garantē, ka paralēlā šķērsošana uzvedas induktīvi normālā darbībā)
   o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Apmierina rezonancijas nosacījumu normālā darbībā)
   o ω²L_B2C << 1 (Garantē, ka paralēlā šķērsošana uzvedas kapacitīvi defektā, efektīvi saīsinot kondensatoru)
2. ​Strāvas ierobežošanas raksturojuma simulācijas analīze (EMTP)​​
   Simulācija tika veikta 220 kV sistēmā (prognozējamā kortikālā strāvas virsotne: 110 kA) vienkārša fāzes uz zemi defekta stāvoklī. Galvenie secinājumi ir šādi:

​III. Sērijveida rezonanses FCL, balstoties uz ZnO aizsargdiodu​

1. ​Shēmas topoloģija un darbības princips​
   • ​Topoloģijas struktūra:​​ Saturā reaktors L_B tiek aizstāts ar ZnO aizsargdiodu. Atlikušā struktūra (paralēlā C + sērijas L) paliek nemainīga.
   • ​Darbības princips:​​ Princips ir tas pats, kas saturā reaktora tips. Normālā darbībā ZnO parāda augstu pretestību, un shēma rezonē. Defektā kondensatora sprieguma pieaugums izraisa ZnO vedību (parādot zemu pretestību), saīsinot kondensatoru un pārtraucot rezonanci. Sērijas reaktors L ierobežo strāvu. Sistēma automātiski atdzīvo pēc defekta novēršanas. Vesels process izmanto ZnO nelīnijveido volt-amperes raksturojumu automatiskai pārslēgšanai.
2. ​Strāvas ierobežošanas raksturojuma simulācijas analīze​
   Simulācija tika veikta tādā pašā sistēmā, radot galvenos secinājumus:

​IV. Abu FCL shēmu visaptverošs salīdzinājums​

​V. Secinājumi​

Šajā pētījumā tiek piedāvātas divas inovatīvas sērijveida rezonanses defektu strāvas ierobežotāja shēmas, balstoties uz parastiem komponentiem, veiksmīgi pārvarot tradicionālo superstrāvas un enerģijas elektroniskajām FCL tehnoloģiju tehniskos un ekonomiskos grūtības.

1. ​Saturā reaktora FCL:​​ Ar rūpīgu kodolu histerēzes cikla raksturojumu optimizāciju, saturā inductance vērtības (L_B2) iestatīšanu aptuveni 1/3 no kapacitīvā reaktances un nodrošinot labu koordināciju ar kondensatoru un sērijas reaktora parametriem, tā var efektīvi ierobežot kondensatora pārsprādzeni un sasniegt labu momentāno strāvas ierobežošanas veiktspēju. Tā ir īpaši piemērota medium-lower voltage level grids, piemēram, 110 kV.
2. ​ZnO aizsargdioda FCL:​​ Izmantojot ZnO nelīnijveido raksturojumu, viegli ierobežot kondensatora pārsprādzeni, un tā veiktspēja nav atkarīga no defekta fāzes leņķa. Tomēr, jāpievērš uzmanība, lai izvairītos no pārmērīga sērijas reaktora pārsprādzeni, kas izriet no pārāk liela L vērtības. Tā ir vairāk piemērota situācijām, kur ir augsti drošības prasības kondensatoram un vidējas strāvas ierobežošanas vajadzības.