Серийный резонансный ограничитель тока короткого замыкания на основе традиционных компонентов: экономичное и надежное решение для ограничения тока короткого замыкания
- Введение: Исследовательский фон и основные цели
- Серьезность проблемы короткого замыкания
С постоянным расширением масштаба электрической сети и неуклонным ростом ее мощности уровень короткого замыкания в системе значительно возрос, приближаясь или даже превышая допустимые пределы существующего оборудования.
• Данные: Мониторинг показывает, что ожидаемый ток короткого замыкания на некоторых подстанциях 500 кВ, 220 кВ и даже 10 кВ в стране превысил 100 кА; максимальная периодическая составляющая тока короткого замыкания на основных источниках питания достигает 300 кА.
• Серьезные последствия: Чрезвычайно высокие токи короткого замыкания приводят к отсутствию подходящих моделей высоковольтных выключателей, повреждению электрооборудования из-за превышения тепловых и электродинамических ограничений, а также к таким проблемам безопасности, как электромагнитные помехи в системах связи, повышение потенциала земли и шаговое напряжение. Это стало ключевым техническим препятствием, ограничивающим безопасное и экономически эффективное развитие электрической сети. - Ограничения существующих технологий FCL
Текущие主流故障电流限制器（FCL）技术存在固有缺陷，难以大规模应用： • **超导FCL**：依赖于尚未成熟的超导材料，可靠性低，运维成本高，经济性差，在中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/并联电压和电流分配控制的挑战，系统结构复杂（需要额外的限流元件和快速保护电路），成本高昂。 3. **本研究的核心目标** 为了解决上述问题，本研究旨在提出基于常规电气元件的串联谐振故障电流限制器解决方案，该方案既非超导也非电力电子。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. 埆于ZnO避雷器的串联谐振FCL 本研究将使用电磁暂态程序（EMTP）仿真深入分析其瞬态限流特性，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处于未饱和区域（其等效电感LB1非常大）。它与C的并联组合呈现感性。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）。其并联支路有效短路电容器C，从而破坏谐振条件。此时，串联电抗器L和饱和电抗器LB2都插入系统，有效限制短路电流。 o **故障清除**：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呈感性） 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呈容性，有效短路电容器） 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（预期短路电流峰值：110kA）。主要结论如下： | 影响因素 | 核心结论 | 典型仿真数据（示例） | | --- | --- | --- | | 1. 未饱和电感LB1 | 增加LB1可显著降低电容器过电压，但对短路电流影响不大；效果趋于饱和。 | LB1=1317mH：电容器电压270kV；LB1=1321mH：电容器电压157kV（减少42%） | | 2. 饱和电感LB2 | 存在一个最优范围（1-7mH）。太小限流效果差；太大导致严重电容器过电压。 | LB2=7mH（C=507μF, L=20mH）：短路电流25kA，电容器电压157kV | | 3. C/L参数协调 | 存在一个最优组合，协同控制短路电流和电容器过电压。 | 最优组合（C=406μF, L=25mH）：短路电流22kA，电容器电压142kV | | 4. 短路起始角 | 暂态特性受相位角高度影响；0°/180°时过电压最严重；设计必须考虑最坏情况。 | 0°相位：短路电流18kA，电容器电压201kV；90°相位：短路电流22kA，电容器电压142kV | **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ZnO避雷器取代。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），短路电容器并破坏谐振。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的非线性伏安特性实现自动切换。 2. **限流特性仿真分析** 在相同系统条件下进行仿真得出的主要结论如下： | 影响因素 | 核心结论 | 典型仿真数据（示例） | | --- | --- | --- | | 1. 避雷器残压 & C/L 协调 | 容易限制电容器过电压，但增加L以追求更低的短路电流会导致串联电抗器上的电压过高。 | C=254μF, L=40mH：短路电流20kA，电抗器电压246kV；C=507μF, L=20mH：短路电流35kA，电抗器电压173kV | | 2. 短路起始角 | 暂态特性对短路相位角不敏感，仅影响电流大小；最大电流出现在90°。 | 90°相位（C=507μF, L=20mH）：短路电流35kA；0°相位：短路电流28kA | **IV. 两种FCL方案的综合比较** | 比较维度 | 基于饱和电抗器的FCL | 基于ZnO避雷器的FCL | | --- | --- | --- | | **核心优势** | 优异的限流效果；通过参数优化可以很好地平衡短路电流和元件过电压。 | 容易限制电容器过电压；暂态特性不受短路相位角影响；设计简单。 | | **核心局限** | 需要精确优化铁芯磁滞特性和C/L参数；难以控制电容器过电压；受短路相位影响较大。 | 在追求低短路电流时，串联电抗器上会出现显著过电压；需要严格控制L值。 | | **关键参数要求** | 最佳等效饱和电感LB2约等于容抗的1/3。 | 串联电抗器的电感值不应过大。 | | **适用场景偏好** | 适用于高压电网中的中低压水平（如110kV），需要高限流性能。 | 适用于对电容器过电压敏感且对短路电流限制要求适中的场合。 | | **共同特点** | 1. 结构简单：完全由常规电气元件组成，无复杂控制；
2. 经济性好：成本远低于超导和电力电子类型；
3. 可靠性高：基于物理特性自动运行，无需外部控制；
4. 自动切换：故障清除后立即恢复。 | | **V. 结论** 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和电力电子FCL的技术和经济瓶颈。 1. **饱和电抗器FCL**：通过精心优化铁芯磁滞回线特性，将饱和电感值（LB2）设置为约为容抗的1/3，并确保与电容器和串联电抗器参数的良好协调，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110kV等中低压电网。 2. **ZnO避雷器FCL**：利用ZnO的非线性特性容易限制电容器过电压，且性能不受短路相位角的影响。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。更适合对电容器安全要求高且限流需求适中的场合。
08/26/2025
Рекомендуемый
Интегрированное гибридное решение для ветро-солнечной энергии на удаленных островах
АннотацияДанное предложение представляет собой инновационное интегрированное энергетическое решение, которое глубоко объединяет ветровую энергию, фотоэлектрическую генерацию, накопление энергии с помощью насосно-аккумуляторных станций и технологии опреснения морской воды. Оно направлено на систематическое решение ключевых проблем, с которыми сталкиваются удаленные острова, включая сложности покрытия сетью, высокие затраты на генерацию электроэнергии дизельными генераторами, ограничения традицион
Интеллектуальная гибридная система ветро-солнечного типа с управлением Fuzzy-PID для улучшенного управления аккумуляторами и МППТ
АннотацияДанное предложение представляет собой гибридную систему ветро-солнечной генерации электроэнергии на основе передовых технологий управления, направленную на эффективное и экономичное удовлетворение потребностей в энергии удаленных районов и специфических сценариев применения. Сердцем системы является интеллектуальная система управления, основанная на микропроцессоре ATmega16. Эта система выполняет отслеживание точки максимальной мощности (MPPT) для ветровой и солнечной энергии и использу
Экономичное гибридное решение на основе ветро-солнечной энергии: Buck-Boost преобразователь и интеллектуальная зарядка снижают стоимость системы
АннотацияЭто решение предлагает инновационную высокоэффективную гибридную систему ветро-солнечной генерации электроэнергии. Обращаясь к основным недостаткам существующих технологий, таким как низкая эффективность использования энергии, короткий срок службы аккумуляторов и нестабильность системы, система использует полностью цифровые контролируемые понижающе-повышающие DC/DC преобразователи, параллельную интерлированную технологию и интеллектуальный трехступенчатый алгоритм зарядки. Это позволяе
Гибридная ветро-солнечная энергетическая система оптимизации: комплексное решение по проектированию для автономных применений
Введение и предыстория1.1 Проблемы систем генерации электроэнергии с одним источникомТрадиционные автономные фотоэлектрические (ФЭ) или ветроэнергетические системы имеют врожденные недостатки. Генерация ФЭ-энергии зависит от суточных циклов и погодных условий, а генерация ветровой энергии основана на нестабильных ветровых ресурсах, что приводит к значительным колебаниям выходной мощности. Для обеспечения непрерывного питания необходимы аккумуляторные батареи большой емкости для хранения и баланс
