Serieresonansbaseret feilstrøm begrenser basert på konvensjonelle komponenter En økonomisk og pålitelig kortslutningsstrømløsning

1. Introduksjon: Forskningsbakgrunn og kjernemål

1. Alvorligheten av kortslutningsstrømproblemet
   Med den kontinuerlige utvidelsen av strømnets skala og den konstante veksten i kapasiteten, har systemets kortslutningsstrømnivå økt markant, nærmer seg eller overskrider til og med eksisterende utstyr sin tålmodighet.
   • Datastøtte: Overvåking viser at forventet kortslutningsstrøm ved noen 500kV, 220kV, og selv 10kV transformatorstasjoner innenlands har overskredet 100 kA; den maksimale periodiske komponenten av kortslutningsstrømmen ved de største kraftkildene når opptil 300 kA.
   • Serius farer: Ekstremt høye kortslutningsstrømmer fører til mangel på passende høyspenningsbrytere, skader elektrisk utstyr på grunn av overgått termisk og elektrodynamisk kreftsgrense, og kan også føre til sikkerhetsmessige problemer som elektromagnetisk støy i kommunikasjonssystemer, jordpotensialheving, og trinnspenn. Dette har blitt en nøkkeltknapp som begrenser strømnets sikker og økonomisk utvikling.
2. Begrensninger av eksisterende FCL-teknologier
   Nåværende hovedstrøm av feilstrømbegrenser (FCL) teknologier har innebygde ulemper, som gjør store anvendelsesområder vanskelige:
   • Superledende FCL: Avhenger av superledende materialer, en teknologi som ikke er moden ennå, gir lav pålitelighet, involverer høye drifts- og vedlikeholdsutfgifter, og er økonomisk ugunstig, som forhindrer dens ingeniøranvendelse i det nære fremtidige.
   • Kraftelktronisk FCL: Begrenset av spenningsutholdelig kapasitet og strømføringsevne av kraftsemikonduktormaterialer, møter utfordringer i serie-/parallell spenning- og strømdelingkontroll, har et komplekst systemoppsett (krever ekstra strømbegrensende komponenter og hurtig beskyttelseskretser), og er kostbart.
3. Kjerneobjektiv for denne forskningen
   For å løse de nevnte problemene, skal denne studien foreslå en serie-resonansbasert feilstrømbegrenserløsning basert på konvensjonelle elektriske komponenter, som ikke er superledende eller kraftelktronisk. Spesielt blir to topologier studert:
4. Serie-resonans FCL basert på en mettet reaktor
5. Serie-resonans FCL basert på en ZnO lynnedslukker
   Denne forskningen vil bruke Elektromagnetiske Transienter Program (EMTP) simulering for å dypeanalyse deres midlertidige strømbegrensende karakteristika, utføre en sammenligning, og til slutt verifisere deres betydelige fordeler i teknisk mulighet, økonomi, og driftsrelativitet.

II. Serie-resonans FCL basert på mettet reaktor

1. Kretstopologi og arbeidsprinsipp
   • Topologistruktur: Kjernen består av en mettet reaktor L_B, en kondensator C, og en serie reaktor L. L_B er koblet parallelt med C, og denne kombinasjonen er deretter koblet i serie med L inn i systemet.
   • Arbeidsprinsipp:
   o Normal drift: Linjestruken er liten. L_B fungerer i usatt region (dens ekvivalente induktans L_B1 er veldig stor). Dens parallelle kombinasjon med C oppfører seg induktivt. Sammen med serie reaktor L, de tilfredsstiller nettfrekvens serie resonansbetingelsen (ωL - 1/ωC ≈ 0). Enheten presenterer veldig lav impedans, resulterer i minimal systemtap.
   o Feilstilling: En økning i kortslutningsstrøm raskt satter L_B i saturasjon (dens ekvivalente induktans faller skarpt til L_B2). Dens parallelle gren effektivt kortslutter kondensator C, dermed bryter resonansbetingelsen. I dette punktet, serie reaktor L og den sattete reaktoren L_B2 er begge sett inn i systemet, effektivt begrenser kortslutningsstrømmen.
   o Feiltjenestenettet: Etter at feilen er ryddet, synker strømmen. L_B automatisk forlater saturasjon, kondensatoren er inkludert igjen, og kretten returnerer til resonanstilstand, oppnår selvtriggeret skifting uten eksternt strømkilde.
   • Parametrevalgsprinsipper:
   o ω²L_B1C >> 1 (Sikrer at parallelle gren oppfører seg induktivt under normal drift)
   o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Tilfredsstiller resonansbetingelsen for normal drift)
   o ω²L_B2C << 1 (Sikrer at parallelle gren oppfører seg kapasitivt under en feil, effektivt kortslutter kondensatoren)
2. Strømbegrensende karakteristikk simulering analyse (EMTP)
   Simulering ble gjennomført under en enefase til jord kortslutningsfeiltilstand i et 220kV system (forventet kortslutningsstrøm topp: 110kA). Nøkkelkonklusjoner er som følger:

III. Serie-resonans FCL basert på ZnO lynnedslukker

1. Kretstopologi og arbeidsprinsipp
   • Topologistruktur: Mettelte reaktor L_B erstattes av en ZnO lynnedslukker. Resten av strukturen (parallell C + serie L) forbli uendret.
   • Arbeidsprinsipp: Prinsippet er det samme som for mettelte reaktortypen. Under normal drift viser ZnO høy motstand, og kretten resonerer. Under en feil, den økende kondensatorspenning får ZnO til å lede (viser lav motstand), kortslutter kondensatoren og bryter resonansen. Seriereaktoren L begrenser strømmen. Systemet gjenoppretter seg automatisk etter feilrydding. Hele prosessen bruker den ikkelineære volt-ampere karakteristika av ZnO for automatisk skifting.
2. Strømbegrensende karakteristikk simulering analyse
   Simulering under samme systembetingelser ga nøkkelkonklusjoner:

IV. Helhetlig sammenligning av de to FCL-løsningene

V. Konklusjon

Denne studien foreslår to innovative serie-resonans feilstrømbegrenserløsninger basert på konvensjonelle komponenter, suksessfullt overkommer tekniske og økonomiske knutpunkter av tradisjonelle superledende og kraftelktroniske FCL-er.

1. Mettelte reaktor FCL: Gjennom omhyggelig optimering av kjernes hysteresiske løkkeegenskaper, sette sattet induktansverdi (L_B2) til omtrent 1/3 av kapasitiv reaktans, og sikre god koordinering med kondensator- og seriereaktorparametre, kan den effektivt undertrykke kondensatorovervoltage og oppnå utmerket midlertidig strømbegrensende ytelse. Den er spesielt egnet for mediumlav spenningsnivå nett som 110kV.
2. ZnO lynnedslukker FCL: Ved hjelp av den ikkelineære egenskapene av ZnO begrenses lett kondensatorovervoltage, og dens ytelse er uforandret av kortslutningsfasevinkel. Men oppmerksomhet må rettes mot unngåelse av overvoltage på selve seriereaktoren som forårsakes av for høye L-verdier. Den er mer egnet for anledninger med høye krav til kondensatorsikkerhet og moderate strømbegrensningsbehov.