Penahan Arus Kortikal Berdasarkan Komponen Konvensional: Penyelesaian Arus Kortikal yang Ekonomik danboleh Dipercayai

1. Perkenalan: Latar Belakang Penyelidikan dan Objektif Utama

1. Ketumpatan Masalah Arus Pendek Sambungan
   Dengan peningkatan berterusan skala grid kuasa dan pertumbuhan kapasitinya, tahap arus pendek sambungan sistem telah meningkat dengan mendadak, hampir atau bahkan melebihi had tahanan peralatan yang sedia ada.
   • Sokongan Data: Pemantauan menunjukkan bahawa arus pendek sambungan yang dijangka pada beberapa substasiun 500kV, 220kV, dan bahkan 10kV dalam negara telah melebihi 100 kA; komponen berkala maksimum arus pendek sambungan pada sumber kuasa utama mencapai setinggi 300 kA.
   • Hazards Serius: Arus pendek sambungan yang sangat tinggi menyebabkan kekurangan model pemutus litar tegangan tinggi yang sesuai, kerusakan peralatan elektrik akibat melebihi had daya panas dan daya elektrodinamik, dan juga boleh menyebabkan isu keselamatan seperti gangguan elektromagnetik dalam sistem komunikasi, peningkatan potensial tanah, dan voltan langkah. Ini telah menjadi botol leher teknikal utama yang menghalang pembangunan selamat dan ekonomi grid kuasa.
2. Had Teknologi FCL Sedia Ada
   Teknologi pembatas arus ralat (FCL) mainstream semasa mempunyai kelemahan bawaan, membuat aplikasi berskala besar sukar:
   • FCL Superkonduktor: Bergantung pada bahan superkonduktor, teknologi yang belum matang, menawarkan kebolehpercayaan rendah, melibatkan kos operasi dan penyelenggaraan yang tinggi, dan tidak ekonomi, mencegah penggunaannya dalam projek enjinering jangka pendek hingga sederhana.
   • FCL Elektron Kuasa: Terhad oleh keupayaan tahanan voltan dan muatan arus peranti semikonduktor kuasa, menghadapi cabaran dalam kawalan perkongsian voltan dan arus siri/sejajar, struktur sistem yang rumit (memerlukan komponen pembatas arus tambahan dan litar perlindungan pantas), dan mahal.
3. Objektif Utama Penyelidikan Ini
   Untuk menangani isu-isu di atas, kajian ini bertujuan untuk mencadangkan penyelesaian pembatas arus ralat resonans siri berdasarkan komponen elektrik konvensional, yang bukan superkonduktor dan bukan elektron kuasa. Secara spesifik, dua topologi dipelajari:
4. Pembatas Arus Ralat Resonans Siri berdasarkan Reaktor Saturable
5. Pembatas Arus Ralat Resonans Siri berdasarkan Penyelamat ZnO
   Penyelidikan ini akan menggunakan simulasi Program Transien Elektromagnetik (EMTP) untuk menganalisis ciri-ciri pembatasan arus transien mereka secara mendalam, melakukan perbandingan, dan akhirnya mengesahkan kelebihan signifikan mereka dalam kelayakan teknikal, ekonomi, dan kebolehpercayaan operasi.

II. Pembatas Arus Ralat Resonans Siri Berdasarkan Reaktor Saturable

1. Topologi Litar dan Prinsip Kerja
   • Struktur Topologi: Inti terdiri daripada reaktor saturable L_B, kapasitor C, dan reaktor siri L. L_B disambungkan secara selari dengan C, dan gabungan ini kemudian disambungkan secara siri dengan L ke dalam sistem.
   • Prinsip Kerja:
   o Operasi Normal: Arus litar adalah kecil. L_B beroperasi dalam wilayah tidak tersatur (keinduktan setara L_B1 sangat besar). Gabungan selarinya dengan C bertindak induktif. Bersama-sama dengan reaktor siri L, mereka memenuhi syarat resonans siri frekuensi kuasa (ωL - 1/ωC ≈ 0). Peranti menunjukkan impedansi sangat rendah, menghasilkan kehilangan sistem minimal.
   o Keadaan Ralat: Lonjakan arus pendek sambungan dengan cepat mensatur L_B (keinduktan setaranya merosot dengan mendadak ke L_B2). Dahan selarinya secara efektif menghubung singkat kapasitor C, sehingga memecah syarat resonans. Pada titik ini, reaktor siri L dan reaktor tersatur L_B2 kedua-duanya dimasukkan ke dalam sistem, secara efektif membatasi arus pendek sambungan.
   o Pembersihan Ralat: Setelah ralat dibersihkan, arus berkurang. L_B keluar dari keadaan tersatur secara automatik, kapasitor dinyalakan semula, dan litar kembali ke keadaan resonans, mencapai penukaran tanpa sumber kuasa luaran.
   • Prinsip Pilihan Parameter:
   o ω²L_B1C >> 1 (Memastikan dahan selari bertindak induktif semasa operasi normal)
   o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Memenuhi syarat resonans untuk operasi normal)
   o ω²L_B2C << 1 (Memastikan dahan selari bertindak kapasitif semasa ralat, menghubung singkat kapasitor secara efektif)
2. Analisis Simulasi Ciri-Ciri Pembatasan Arus (EMTP)
   Simulasi dijalankan di bawah keadaan ralat pendek sambungan fasa tunggal-ke-tanah dalam sistem 220kV (puncak arus pendek sambungan yang dijangka: 110kA). Kesimpulan utama adalah sebagai berikut:

III. Pembatas Arus Ralat Resonans Siri Berdasarkan Penyelamat ZnO

1. Topologi Litar dan Prinsip Kerja
   • Struktur Topologi: Reaktor saturable L_B digantikan oleh penyelamat ZnO. Struktur selebihnya (selari C + siri L) tetap tidak berubah.
   • Prinsip Kerja: Prinsipnya sama dengan jenis reaktor saturable. Semasa operasi normal, ZnO menunjukkan rintangan tinggi, dan litar beresonans. Semasa ralat, peningkatan voltan kapasitor menyebabkan ZnO mengalir (menunjukkan rintangan rendah), menghubung singkat kapasitor dan memecah resonans. Reaktor siri L membatasi arus. Sistem pulih secara automatik selepas ralat dibersihkan. Proses keseluruhan menggunakan ciri volt-ampere non-linear ZnO untuk penukaran automatik.
2. Analisis Simulasi Ciri-Ciri Pembatasan Arus
   Simulasi di bawah keadaan sistem yang sama menghasilkan kesimpulan utama:

IV. Perbandingan Komprehensif Dua Skema FCL

V. Kesimpulan

Kajian ini mencadangkan dua penyelesaian pembatas arus ralat resonans siri inovatif berdasarkan komponen konvensional, berjaya mengatasi botol leher teknikal dan ekonomi FCL superkonduktor dan elektron kuasa tradisional.

1. FCL Reaktor Saturable: Melalui pengoptimuman teliti ciri histeresis loop inti, menetapkan nilai keinduktan tersatur (L_B2) kepada kira-kira 1/3 reaktansi kapasitif, dan memastikan koordinasi yang baik dengan parameter kapasitor dan reaktor siri, ia dapat menekan overvoltan kapasitor dengan efektif dan mencapai prestasi pembatasan arus transien yang unggul. Ia sangat sesuai untuk grid voltan sederhana-rendah seperti 110kV.
2. FCL Penyelamat ZnO: Menggunakan ciri-ciri non-linear ZnO dengan mudah membatasi overvoltan kapasitor, dan prestasinya tidak dipengaruhi oleh sudut fasa pendek sambungan. Namun, perhatian harus diberikan untuk mengelakkan overvoltan pada reaktor siri sendiri akibat nilai L yang berlebihan. Ia lebih sesuai untuk acara dengan keperluan keselamatan kapasitor yang tinggi dan keperluan pembatasan arus sederhana.