Seryjny ogranicznik prądu uszkodzeniowego oparty na konwencjonalnych komponentach: ekonomiczne i niezawodne rozwiązanie do ograniczania prądu przewodowego

1. Wprowadzenie: Tło badawcze i główne cele

1. Poważność problemu prądu zwarciowego
   Z ciągłym rozszerzaniem się skali sieci energetycznej i nieustannym wzrostem jej pojemności, poziom prądu zwarciowego w systemie gwałtownie wzrósł, zbliżając się lub nawet przekraczając granice wytrzymałości istniejącego sprzętu.
   • Dane potwierdzające: Monitorowanie wskazuje, że prognozowany prąd zwarciowy w niektórych stacjach transformatorowych 500kV, 220kV, a nawet 10kV w kraju przekroczył 100 kA; maksymalna składowa okresowa prądu zwarciowego w głównych źródłach energii osiąga nawet 300 kA.
   • Poważne zagrożenia: Ekstremalnie wysokie prądy zwarciowe powodują brak odpowiednich modeli obrotowych wyłączników wysokiego napięcia, uszkodzenia sprzętu elektrycznego przez przekroczenie granic cieplnych i elektrodynamiki, a także prowadzą do problemów bezpieczeństwa takich jak zakłócenia elektromagnetyczne w systemach komunikacyjnych, podnoszenie potencjału gruntu i napięcie krokowe. Stało się to kluczowym technicznym butelkowym gardłem ograniczającym bezpieczny i ekonomiczny rozwój sieci energetycznej.
2. Ograniczenia istniejących technologii ograniczania prądu zwarciowego (FCL)
   Obecne dominujące technologie ograniczania prądu zwarciowego (FCL) mają wrodzone wady, co utrudnia ich szeroką aplikację:
   • Nadprzewodnikowy FCL: Opiera się na materiałach nadprzewodzących, technologia ta nie jest jeszcze dojrzała, oferuje niską niezawodność, wiąże się z wysokimi kosztami eksploatacji i konserwacji, a także jest nieopłacalna, co uniemożliwia jej stosowanie inżynieryjne w krótko- i średnioterminowej perspektywie.
   • FCL oparty na elementach półprzewodnikowych: Ograniczony przez wytrzymałość napięciową i przenikalność prądową elementów półprzewodnikowych, staje przed wyzwaniami kontrolowania podziału napięcia i prądu w szeregowych i równoległych konfiguracjach, ma skomplikowaną strukturę systemu (wymaga dodatkowych elementów ograniczających prąd i szybkich obwodów ochrony), a także jest kosztowny.
3. Główny cel niniejszych badań
   Aby rozwiązać powyższe problemy, niniejsze badanie ma na celu zaproponowanie rozwiązania ograniczania prądu zwarciowego opartego na szeregowym rezonansie, korzystając z konwencjonalnych elementów elektrycznych, które nie są ani nadprzewodnikowe, ani oparte na elementach półprzewodnikowych. Dokładniej, badane są dwie topologie:
4. Szeregowy rezonansowy FCL oparty na nasycanym reaktorze
5. Szeregowy rezonansowy FCL oparty na zabezpieczaniu ZnO
   Niniejsze badanie wykorzysta symulację programu EMTP (Electromagnetic Transients Program) do głębokiej analizy ich przejściowych cech ograniczania prądu, porównania, a następnie ostatecznego zweryfikowania ich znaczących zalet w kwestii technicznej wykonalności, ekonomii i niezawodności operacyjnej.

II. Szeregowy rezonansowy FCL oparty na nasycanym reaktorze

1. Topologia obwodu i zasada działania
   • Struktura topologiczna: Jądro składa się z nasycanego reaktora L_B, kondensatora C i szeregowego reaktora L. L_B jest połączony równolegle z C, a ta kombinacja jest następnie podłączona szeregowo z L do systemu.
   • Zasada działania:
   o Normalna praca: Prąd linii jest mały. L_B działa w regionie nienasyconym (jego równoważna indukcyjność L_B1 jest bardzo duża). Jego połączenie równoległe z C zachowuje się indukcyjnie. Razem z szeregowym reaktorem L spełniają warunek szeregowego rezonansu częstotliwości sieciowej (ωL - 1/ωC ≈ 0). Urządzenie prezentuje bardzo niską impedancję, co powoduje minimalne straty w systemie.
   o Stan awaryjny: Nagły wzrost prądu zwarciowego szybko nasyci L_B (jego równoważna indukcyjność spada drastycznie do L_B2). Jego gałąź równoległa efektywnie shortuje kondensator C, tym samym łamiąc warunek rezonansu. W tym momencie szeregowy reaktor L i nasycany reaktor L_B2 są wprowadzone do systemu, efektywnie ograniczając prąd zwarciowy.
   o Usunięcie awarii: Po usunięciu awarii, prąd maleje. L_B automatycznie wychodzi z nasycenia, kondensator ponownie jest włączany, a obwód wraca do stanu rezonansowego, osiągając automatyczne przełączanie bez zewnętrznego źródła zasilania.
   • Zasady wyboru parametrów:
   o ω²L_B1C >> 1 (Zapewnia, że gałąź równoległa zachowuje się indukcyjnie podczas normalnej pracy)
   o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Spełnia warunek rezonansu dla normalnej pracy)
   o ω²L_B2C << 1 (Zapewnia, że gałąź równoległa zachowuje się pojemnościowo podczas awarii, efektywnie shortując kondensator)
2. Analiza symulacji charakterystyk ograniczania prądu (EMTP)
   Symulacja została przeprowadzona w warunkach jednofazowego zwarć do ziemi w systemie 220kV (prognozowany szczytowy prąd zwarciowy: 110kA). Kluczowe wnioski są następujące:

III. Szeregowy rezonansowy FCL oparty na zabezpieczaniu ZnO

1. Topologia obwodu i zasada działania
   • Struktura topologiczna: Nasycany reaktor L_B jest zastąpiony zabezpieczeniem ZnO. Pozostała struktura (równoległy C + szeregowy L) pozostaje bez zmian.
   • Zasada działania: Zasada jest taka sama jak dla typu nasycanego reaktora. W normalnym trybie pracy ZnO wykazuje wysoką oporność, a obwód rezonuje. W przypadku awarii, wzrost napięcia kondensatora powoduje przewodzenie ZnO (ma niską oporność), shortując kondensator i łamiąc rezonans. Szeregowy reaktor L ogranicza prąd. System automatycznie odzyskuje się po usunięciu awarii. Cały proces wykorzystuje nieliniowe cechy napięcie-prąd ZnO do automatycznego przełączania.
2. Analiza symulacji charakterystyk ograniczania prądu
   Symulacja w tych samych warunkach systemowych dała kluczowe wnioski:

IV. Kompleksowe porównanie dwóch schematów FCL

V. Podsumowanie

Ten artykuł proponuje dwa innowacyjne rozwiązania ograniczania prądu zwarciowego oparte na szeregowym rezonansie, korzystając z konwencjonalnych elementów, które pomyślnie pokonują techniczne i ekonomiczne butelkowe gardła tradycyjnych superprzewodzących i opartych na elementach półprzewodnikowych FCL.

1. FCL oparty na nasycanym reaktorze: Poprzez staranne optymalizowanie charakterystyk hysteresis rdzenia, ustawienie wartości indukcyjności nasyconej (L_B2) na około 1/3 reaktancji pojemnościowej oraz zapewnienie dobrej koordynacji z parametrami kondensatora i szeregowego reaktora, można efektywnie supresować przewrotkę kondensatora i osiągnąć doskonałą wydajność ograniczania prądu zwarciowego. Jest szczególnie odpowiedni dla sieci średniego i niskiego napięcia, takich jak 110kV.
2. FCL oparty na zabezpieczaniu ZnO: Wykorzystując nieliniowe cechy ZnO, łatwo ograniczyć przewrotkę kondensatora, a jego wydajność nie jest wpływowana przez fazę zwarć. Jednak należy zwrócić uwagę na uniknięcie przewrotki samego szeregowego reaktora spowodowanej zbyt dużą wartością L. Jest bardziej odpowiedni dla okazji z wysokimi wymaganiami bezpieczeństwa kondensatora i umiarkowanymi potrzebami ograniczania prądu.