Сериески резонантен ограничувач на токот на грешка базиран на конвенционални компоненти: Економична и надежна решенија за краткосрочни токови

1. Вовед: Исследувачки позадина и основни цели

1. Сеериозност на проблемот со краткосрочниот ток
   Со непрекинато проширување на скалата на електропрометната мрежа и непрекинат растег на нејзината капацитет, нивото на краткосрочниот ток во системот се зголемува брзо, приближувајќи се или надминувајќи граните на постојните опреми.
   • Поддршка со податоци: Мониторингот покажува дека очекуваниот краткосрочен ток во некои 500кВ, 220кВ, а често и 10кВ преводници дома досегна повеќе од 100 кА; максималниот периодичен компонент на краткосрочниот ток во главните извори на енергија достигнува до 300 кА.
   • Сериозни опасности: Екстремно високи краткосрочни токови доведуваат до недостаток на соодветни модели на високонапонски прекинители, што предизвикува повреда на електричната опрема поради надминување на термички и електродинамички граници, како и до безбедносни проблеми како електромагнетна интерференција во комуникационите системи, повеќе потенцијал на земјата и корак напон. Ова стана клучен технички буталник кој ограничува безбедното и економско развој на електропрометната мрежа.
2. Ограничености на постојните технологии FCL
   Тековните主流故障电流限制器（FCL）技术存在固有缺点，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，运维成本高，经济性差，在短期内难以实现工程应用。
   • 电力电子FCL：受限于电力半导体器件的耐压和载流能力，面临串联/并联电压和电流均分控制的挑战，系统结构复杂（需要额外的限流元件和快速保护电路），且成本高昂。
3. 本研究的核心目标
   为解决上述问题，本研究旨在提出一种基于常规电气元件的串联谐振故障电流限制器解决方案，该方案既非超导型也非电力电子型。具体研究了两种拓扑结构：
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，并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，导致系统损耗极小。
   o 故障状态：短路电流激增使LB迅速饱和（其等效电感急剧下降至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，电容器重新接入，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，关键结论如下：

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：饱和电抗器LB被替换为ZnO避雷器。其余结构（并联C + 串联L）保持不变。
   • 工作原理：原理与饱和电抗器类型相同。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的非线性伏安特性进行自动切换。
2. 限流特性仿真分析
   在相同系统条件下进行仿真得出的关键结论如下：

IV. 两种FCL方案的综合比较

V. Заклучок

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型和电力电子型FCL的技术和经济瓶颈。

1. 基于饱和电抗器的FCL：通过仔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配合，可以有效抑制电容器过电压，实现优异的瞬态限流性能。特别适用于中低电压等级（如110kV）的电网。
2. 基于ZnO避雷器的FCL：利用ZnO的非线性特性可以轻松限制电容器过电压，且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出现过电压。更适用于对电容器安全要求较高且限流需求适中的场合。