Reeksserieschakeling gebaseerd op conventionele componenten: Een economische en betrouwbare korte-sluitstroomoplossing

1. Inleiding: Onderzoeksachtergrond en Kerndoelstellingen​

1. ​Zwaarte van het Probleem met Kortsluitstroom​
   Met de continue uitbreiding van de schaal van elektriciteitsnetwerken en de constante groei van de capaciteit, is het niveau van de systeemkortsluitstroom sterk gestegen, waardoor het de verdraagzaamheid van bestaande apparatuur benadert of zelfs overtreft.
   • ​Gegevensondersteuning:​​ Monitoring toont aan dat de voorziene kortsluitstroom op sommige 500kV, 220kV en zelfs 10kV stations in China boven de 100 kA ligt; de maximale periodieke component van de kortsluitstroom bij belangrijke energiebronnen bereikt zelfs 300 kA.
   • ​Serieuze Risico's:​​ Uiterst hoge kortsluitstromen leiden tot een gebrek aan geschikte hoogspanningsklemmen, schade aan elektrische apparatuur door overschrijding van thermische en elektrodynamische krachtsgrenzen, en kunnen ook veiligheidsproblemen veroorzaken zoals elektromagnetische storing in communicatiesystemen, potentiaalverhoging in de grond en stapspanning. Dit is een cruciale technische flessemer die de veilige en economische ontwikkeling van het elektriciteitsnet beperkt.
2. ​Beperkingen van Bestaande FCL-technologieën​
   Huidige mainstream foutstroombeperker (FCL) technologieën hebben inherente nadelen, waardoor grootschalige toepassing moeilijk is:
   • ​Supergeleidende FCL:​​ Verwijst op supergeleidende materialen, een technologie die nog niet volledig gerijpt is, biedt weinig betrouwbaarheid, heeft hoge exploitatie- en onderhoudskosten, en is economisch ongunstig, waardoor de toepassing in de korte tot middellange termijn niet mogelijk is.
   • ​Krachtige Elektronische FCL:​​ Beperkt door de spanningverdraging en stroombelasting van krachtige halfgeleiderapparatuur, staat voor uitdagingen in serie/parallel spanning- en stroomverdelingscontrole, heeft een complex systeem (vereist extra stroombeperkende componenten en snelle beschermingscircuits), en is kostbaar.
3. ​Kerndoel van Dit Onderzoek​
   Om bovenstaande problemen te tackelen, streeft dit onderzoek naar een serie-resonante foutstroombeperkeroplossing gebaseerd op conventionele elektrische componenten, die niet-supergeleidend en niet-krachtig elektronisch is. Specifiek worden twee topologieën bestudeerd:
4. Serie Resonante FCL gebaseerd op een verzadigbare reactor
5. Serie Resonante FCL gebaseerd op een ZnO Arrester
   Dit onderzoek zal gebruik maken van Elektromagnetische Transienten Program (EMTP) simulatie om hun tijdelijke stroombeperkende kenmerken diepgaand te analyseren, een vergelijking te maken, en uiteindelijk hun aanzienlijke voordelen in technische haalbaarheid, economie en operationele betrouwbaarheid te verifiëren.

​II. Serie Resonante FCL Gebaseerd op Verzadigbare Reactor​

1. ​Circuittopologie en Werkingsprincipe​
   • ​Topologiestructuur:​​ Het kernbestanddeel bestaat uit een verzadigbare reactor L_B, een condensator C, en een serie-reactor L. L_B is parallel verbonden met C, en deze combinatie is vervolgens in serie verbonden met L in het systeem.
   • ​Werkingsprincipe:​​
   o ​Normale Bedrijfsvoering:​​ De lijnstroom is klein. L_B werkt in de onverzadigde regio (zijn equivalente inductie L_B1 is zeer groot). Zijn parallelle combinatie met C gedraagt zich inductief. Samen met de serie-reactor L voldoen ze aan de reeksseriesresonantieconditie (ωL - 1/ωC ≈ 0). Het apparaat presenteert zeer lage impedantie, wat minimaal systeemverlies oplevert.
   o ​Fouttoestand:​​ Een plotselinge stijging van de kortsluitstroom zorgt ervoor dat L_B snel verzadigt (zijn equivalente inductie daalt drastisch naar L_B2). Zijn parallelle tak short-circuite effectief de condensator C, waardoor de resonantieconditie wordt verbroken. Op dat moment worden de serie-reactor L en de verzadigde reactor L_B2 beide in het systeem ingevoegd, wat effectief de kortsluitstroom beperkt.
   o ​Foutopruiming:​​ Na het oplossen van de fout neemt de stroom af. L_B treedt automatisch uit de verzadigde toestand, de condensator wordt heractief, en het circuit keert terug naar de resonantietoestand, waardoor zelf-triggerend schakelen zonder externe energiebron plaatsvindt.
   • ​Principes voor Parameterselectie:​​
   o ω²L_B1C >> 1 (Zorgt ervoor dat de parallelle tak inductief gedraagt tijdens normale bedrijfsvoering)
   o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Voldoet aan de resonantieconditie voor normale bedrijfsvoering)
   o ω²L_B2C << 1 (Zorgt ervoor dat de parallelle tak capaciteitsgedrag vertoont tijdens een fout, waardoor de condensator effectief wordt geshorteerd)
2. ​Simulatieanalyse van Stroombeperkend Kenmerk (EMTP)​​
   Simulatie werd uitgevoerd onder een enkele fase-aarde kortsluitfout in een 220kV systeem (voorziene piek kortsluitstroom: 110kA). Belangrijkste conclusies zijn als volgt:

​III. Serie Resonante FCL Gebaseerd op ZnO Arrester​

1. ​Circuittopologie en Werkingsprincipe​
   • ​Topologiestructuur:​​ De verzadigbare reactor L_B wordt vervangen door een ZnO arrester. De resterende structuur (parallel C + serie L) blijft ongewijzigd.
   • ​Werkingsprincipe:​​ Het principe is hetzelfde als het type met verzadigbare reactor. Tijdens normale bedrijfsvoering vertoont ZnO hoge weerstand, en het circuit resoneert. Tijdens een fout veroorzaakt de stijgende condensatorspanning dat ZnO geleidt (presenteert lage weerstand), waardoor de condensator wordt geshorteerd en de resonantie wordt verbroken. De serie-reactor L beperkt de stroom. Het systeem herstelt zich automatisch na het oplossen van de fout. Het hele proces maakt gebruik van de niet-lineaire volt-ampère kenmerken van ZnO voor automatische schakeling.
2. ​Simulatieanalyse van Stroombeperkend Kenmerk​
   Simulatie onder dezelfde systeomomstandigheden leverde belangrijke conclusies op:

​IV. Algemene Vergelijking van de Twee FCL Schema's​

​V. Conclusie​

Dit onderzoek stelt twee innovatieve serie-resonante foutstroombeperkeroplossingen voor op basis van conventionele componenten, die de technische en economische flessenekken van traditionele supergeleidende en krachtige elektronische FCL's succesvol overwinnen.

1. ​Verzadigbare Reactor FCL:​​ Door zorgvuldige optimalisatie van de kernhysteresisloopkenmerken, instellen van de verzadigde inductiewaarde (L_B2) op ongeveer 1/3 van de capacitaire reactie, en goede coördinatie met de condensator- en serie-reactorparameters, kan het effectief condensatoroverspanning onderdrukken en uitstekende tijdelijke stroombeperkende prestaties bereiken. Het is bijzonder geschikt voor medium-laag voltage netwerken zoals 110kV.
2. ​ZnO Arrester FCL:​​ Door gebruik te maken van de niet-lineaire kenmerken van ZnO, kan condensatoroverspanning gemakkelijk worden beperkt, en de prestaties worden niet beïnvloed door de kortsluitfasehoek. Echter, er moet rekening mee worden gehouden dat te hoge L-waarden leiden tot overspanning op de serie-reactor zelf. Het is meer geschikt voor situaties met hoge eisen aan condensatorsafety en matige stroombeperkingsbehoeften.