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

Predstavitev: Raziskovalno ozadje in osnovni cilji

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.
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.
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:
Serijni resonantni FCL na osnovi nasiti reaktorja
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

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)
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:

Vplivni faktor	Osnutni sklep	Tipični simulacijski podatki (primer)
1. Nenasita induktanca L_B1	Povečanje L_B1 bistveno zmanjša prepričljivo napetost kondenzatorja, vendar ima malo vpliva na kratkrokzi tok; učinek nasiti.	L_B1=1317mH: Napetost kondenzatorja 270kV; L_B1=1321mH: Napetost kondenzatorja 157kV (42% zmanjšanje)
2. Nasita induktanca L_B2	Obstoje optimalni obseg (1-7mH). Preveliko omejuje slabo, premajhno povzroča resno prepričljivo napetost kondenzatorja.	L_B2=7mH (C=507μF, L=20mH): Kratkrokzi tok 25kA, Napetost kondenzatorja 157kV
3. Koordinacija parametrov C/L	Obstoje optimalna kombinacija za kooperativno kontroliranje kratkrokznega toka in prepričljive napetosti kondenzatorja.	Optimalna kombinacija (C=406μF, L=25mH): Kratkrokzi tok 22kA, Napetost kondenzatorja 142kV
4. Kot začetka kratkrokzi odpovedi	Prehodne lastnosti so močno vplivane na fazni kot; najhujša prepričljiva napetost pri 0°/180°; oblikovanje mora upoštevati najslabši primer.	0° faza: Kratkrokzi tok 18kA, Napetost kondenzatorja 201kV; 90° faza: Kratkrokzi tok 22kA, Napetost kondenzatorja 142kV

III. Serijski resonantni FCL na osnovi ZnO zaščitnega naprave

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.
Simulacijska analiza lastnosti omejevanja toka
Simulacija pod istimi pogoji sistema je prinesla ključne sklepe:

Vplivni faktor	Osnutni sklep	Tipični simulacijski podatki (primer)
1. Ostanek napetosti zaščitnega naprava & Koordinacija C/L	Lahko je omejiti prepričljivo napetost kondenzatorja, vendar povečanje L za dosego nižjega kratkrokznega toka vodi do prekomerne napetosti na serijskem reaktorju.	C=254μF, L=40mH: Kratkrokzi tok 20kA, Napetost reaktorja 246kV; C=507μF, L=20mH: Kratkrokzi tok 35kA, Napetost reaktorja 173kV
2. Kot začetka kratkrokzi odpovedi	Prehodne lastnosti so netrgljive na fazni kot kratkrokzi odpovedi, le vplivajo na velikost toka; največji tok pri 90°.	90° faza (C=507μF, L=20mH): Kratkrokzi tok 35kA; 0° faza: Kratkrokzi tok 28kA

IV. Komprehensivno primerjava dveh FCL shem

Dimenzija primerjave	FCL na osnovi nasiti reaktorja	FCL na osnovi ZnO zaščitnega naprava
Glavna prednost	Izjemno omejevanje toka; dobra ravnovesje med kratkrokznim tokom in prepričljivo napetostjo komponent doseženo z optimizacijo parametrov.	Enostavno omejevanje prepričljive napetosti kondenzatorja; prehodne lastnosti niso vplivane na fazni kot kratkrokzi odpovedi; preprostejše oblikovanje.
Glavna omejitev	Zahteva natančno optimizacijo histeretskih lastnosti jezera in parametrov C/L; težko kontroli prepričljive napetosti kondenzatorja; bistveno vplivana na fazni kot kratkrokzi odpovedi.	Izstopajoč problem prepričljive napetosti na serijskem reaktorju, kadar se teče za nizkim kratkrokznim tokom; zahteva strog nadzor vrednosti L.
Ključni parameter zahtev	Optimalna enakovredna nasita induktanca L_B2 ≈ 1/3 kapacitivne reaktivne.	Vrednost indukcije serijskega reaktorja ne sme biti previsoka.
Upravičen scenarij uporabe	Ustrezen za srednje-nizke napetosti (npr. 110 kV) v visokonapetostnih omrežjih, kjer je potrebno visoko omejevanje toka.	Ustrezen za scene, ki so občutljive na prepričljivo napetost kondenzatorja z umernimi zahtevami glede omejevanja kratkrokznega toka.
Skupne značilnosti	1. Preprosta struktura: Sestavljena iz popolnoma konvencionalnih električnih komponent, brez kompleksne kontrole; 2. Dobra ekonomija: Stroški so daleč nižji od nadkonduktivnih in močnih elektronskih tipov; 3. Visoka zanesljivost: Samodejno delovanje na osnovi fizikalnih lastnosti, brez potrebe za zunanjo kontrolno napravo; 4. Samodejno preklopitev: Trenutno obnavljanje po koncu odpovedi.

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.

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.
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.

08/26/2025