Serija resonantnih omejevalcev za napako struje na osnovi konvencionalnih komponent: Ekonomično in zanesljivo rešitev za prekinitveno struja

1. Predstavitev: Raziskovalno ozadje in osnovni cilji​

1. ​Tежavnost problema kratkokrožnega toka​
   S stalnim razširjanjem merila električnih omrežij in nenehnim rastjo njihove zmogljivosti se je ravni kratkrokznega toka v sistemu bistveno povišale, pri čemer so se približale ali celo presegale trpeliške meje obstoječih naprav.
   • ​Podpora z podatki:​​ Nadzor kaže, da je pričakovani kratkrokzi tok na nekaterih 500 kV, 220 kV in celo 10 kV pretvorilnicah domače izvor presegel 100 kA; največja periodna komponenta kratkrokznega toka v glavnih virih energije dosega do 300 kA.
   • ​Zelo hudi posledice:​​ Zelo visoki kratkrokzi toki povzročajo pomanjkanje primerenih modelov visokonapetostnih preklopnikov, poškodbe električnih naprav zaradi preseženja termalnih in elektrodinamičnih sil, ter lahko tudi vodijo do varnostnih težav, kot so elektromagnetska motnja v komunikacijskih sistemih, višanje potenciala tla in korakovo napetost. To je postalo ključna tehnična grla, ki omejujejo varno in ekonomsko razvoj električnega omrežja.
2. ​Omejitve obstoječih FCL tehnologij​
   Trenutne mainstreamne tehnologije za omejevanje nepopravljivih tokov (FCL) imajo notranje pomanjkljivosti, kar težava njihov masovni uporab:
   • ​Nadkonduktivni FCL:​​ Zanese na nadkonduktivne material, tehnologija, ki še ni zrelo, ponuja nizko pouzdanost, vključuje visoke stroške delovanja in vzdrževanja, ter je ekonomsko neugodna, kar preprečuje njeno inženirska uporaba v kratkem in srednjem obdobju.
   • ​FCL na osnovi močnih elektronik:​​ Omejen z učinkom prevzemljanja napetosti in nosilnosti toka močnih polprevodnikov, sooča se z izzivi v kontroli delitve napetosti in toka v zaporedju/paraleli, ima kompleksno strukturo sistema (zahteva dodatne komponente za omejevanje toka in hitre zaščitne obroki), in je drag.
3. ​Osnovni cilj te raziskave​
   Za reševanje zgornjih problemov ta raziskava namenja predlagati rešitev omejevalnika kratkrokznega toka na osnovi serijne resonanci, temelječi na konvencionalnih električnih komponentah, ki ni nadkonduktivna ali močna elektronska. Specifično se proučujeta dve topologiji:
4. Serijni resonantni FCL na osnovi nasiti reaktorja
5. Serijni resonantni FCL na osnovi ZnO zaščitnega naprave
   Ta raziskava bo uporabila program za simulacijo elektromagnetnih prehodnih stanj (EMTP) za globoko analizo njihovih prehodnih lastnosti omejevanja toka, izvedbo primerjave in končno preverilo njihove pomembne prednosti v tehnični izvedljivosti, ekonomiji in operativni zanesljivosti.

​II. Serijski resonantni FCL na osnovi nasiti reaktorja​

1. ​Struktura vezja in načelo delovanja​
   • ​Topološka struktura:​​ Jezero sestavlja nasiti reaktor L_B, kondenzator C in serijni reaktor L. L_B je povezan v paralelo z C, in ta kombinacija je nato povezana v serijo z L v sistem.
   • ​Načelo delovanja:​​
   o ​Normalno delovanje:​​ Tok v črti je majhen. L_B deluje v regiji nenasitenosti (njegova enakovredna induktanca L_B1 je zelo velika). Njegov paralelni spoj z C se obnaša induktivno. Skupaj z serijnim reaktorjem L zadostujejo pogojem za serijno resonanco na frekvenci strma (ωL - 1/ωC ≈ 0). Naprava predstavlja zelo nizko impedanco, kar povzroča minimalne izgube v sistemu.
   o ​Stanje odpovedi:​​ Hitra povečava kratkrokznega toka hitro nasiti L_B (njegova enakovredna induktanca padne dramatično na L_B2). Njegov paralelni odvod efektivno zaključi kondenzator C, tako da se prekine resonančni pogoj. V tem trenutku sta serijni reaktor L in nasiti reaktor L_B2 vstavljena v sistem, kar učinkovito omejuje kratkrokzi tok.
   o ​Konec odpovedi:​​ Po koncu odpovedi se tok zmanjša. L_B samodejno izstopi iz stanja nasitenosti, kondenzator se ponovno vključi, in vezje se vrne v rezonančno stanje, kar omogoča samodejno preklop brez zunanje napajalne naprave.
   • ​Principi izbire parametrov:​​
   o ω²L_B1C >> 1 (Zaradi zagotavljanja, da paralelni odvod obnaša induktivno med normalnim delovanjem)
   o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Zadostuje pogojem za rezonanco med normalnim delovanjem)
   o ω²L_B2C << 1 (Zaradi zagotavljanja, da paralelni odvod obnaša kapacitivno med odpovedjo, efektivno zaključi kondenzator)
2. ​Simulacijska analiza lastnosti omejevanja toka (EMTP)​​
   Simulacija je bila izvedena pod pogoji enofazne odpovedi na zemlji v 220 kV sistemu (pričakovani vrhovni tok kratkrokzi odpovedi: 110 kA). Ključni sklepi so naslednji:

​III. Serijski resonantni FCL na osnovi ZnO zaščitnega naprave​

1. ​Struktura vezja in načelo delovanja​
   • ​Topološka struktura:​​ Nasiti reaktor L_B je zamenjan z ZnO zaščitnim napravo. Ostala struktura (paralelni C + serijni L) ostane nespremenjena.
   • ​Načelo delovanja:​​ Načelo je enako kot pri nasiti reaktorju. Med normalnim delovanjem ZnO kaže visoko uporno, in vezje resonira. Med odpovedjo se poveča napetost kondenzatorja, kar povzroči, da ZnO prevede (ponuja nizko uporno), zaključi kondenzator in prekine rezonanco. Serijski reaktor L omejuje tok. Sistem se samodejno obnovi po koncu odpovedi. Celoten proces izkorišča nelinearne voltamperne lastnosti ZnO za avtomatsko preklopitev.
2. ​Simulacijska analiza lastnosti omejevanja toka​
   Simulacija pod istimi pogoji sistema je prinesla ključne sklepe:

​IV. Komprehensivno primerjava dveh FCL shem​

​V. Zaključek​

Ta raziskava predlaga dve inovativni rešitvi za serijni resonantni omejevalnik kratkrokznega toka na osnovi konvencionalnih komponent, ki uspešno premočujejo tehnične in ekonomske grle tradicionalnih nadkonduktivnih in močnih elektronskih FCL-jev.

1. ​FCL na osnovi nasiti reaktorja:​​ Skozi natančno optimizacijo histeretskega cikla jezera, nastavitev vrednosti nasite induktance (L_B2) približno 1/3 kapacitivne reaktivne in zagotavljanje dobre koordinacije z parametri kondenzatorja in serijskega reaktorja, lahko učinkovito omeji prepričljivo napetost kondenzatorja in doseže odlične prehodne lastnosti omejevanja toka. Še posebej je primerna za srednje-nizke napetosti, kot je 110 kV.
2. ​FCL na osnovi ZnO zaščitnega naprava:​​ Uporabljanje nelinearnih lastnosti ZnO lahko enostavno omeji prepričljivo napetost kondenzatorja, njegove lastnosti pa niso vplivane na fazni kot kratkrokzi odpovedi. Vendar pa je treba paziti, da se izogne prekomerni napetosti na samem serijskem reaktorju, ki jo povzročajo previsoke vrednosti L. Ustrezen je za priložnosti z visokimi zahtevami glede varnosti kondenzatorja in umernimi potrebami glede omejevanja toka.