Serijski rezonantni ograničivač strujnog prekida na osnovu konvencionalnih komponenti: Ekonomično i pouzdano rešenje za strujni prekid

Uvod: Istraživački pozadina i ključni ciljevi

Težina problema strujnog prekida
Sa kontinuiranim proširenjem mreže i stalnim rastom njene kapacitete, nivo strujnog prekida u sistemu se drastično povećao, približavši se ili čak premašivši opstanak postojeće opreme.
• Podaci kao potpora: Monitoring pokazuje da je očekivana struja prekida na nekim 500kV, 220kV, i čak 10kV transformatornicama u zemlji premašila 100 kA; maksimalna periodična komponenta struje prekida kod glavnih izvora energije dostiže do 300 kA.
• Značajne opasnosti: Ekstremno visoke struje prekida dovode do nedostatka odgovarajućih modela visokonaponskih prekidnika, oštećenja električne opreme zbog prekoračenja termalnih i elektrodinamičkih ograničenja, te mogu dovesti do bezbednosnih problema kao što su elektromagnetska interferencija u komunikacionim sistemima, povišenje potencijala tla i korak napona. Ovo je postalo ključni tehnički grlo koji ograničava sigurno i ekonomično razvoj mreže.
Ograničenja postojećih FCL tehnologija
Trenutne mainstream FCL (Fault Current Limiter) tehnologije imaju inherentne mane, čime se teško ostvaruje široka primena:
• Superprovodni FCL: Zavisi od superprovodnih materijala, tehnologija koja još nije zrelova, pruža nisku pouzdanost, zahteva visoke troškove održavanja i radnje, ekonomski nepovoljan, što sprečava njegov inženjerski primerak u kratkom do srednjem roku.
• FCL baziran na elektronskoj tehnici: Ograničen kapacitet otpornosti na napon i nosivosti struje elektronskih poluprovodnika, predstavlja izazove u kontrolisanju serije/paralelnog deljenja napona i struje, složeni sistem (zahteva dodatne komponente za ograničavanje struje i brze zaštitne krugove), skup.
Ključni cilj ovog istraživanja
Da bi se rešili gornji problemi, ovo istraživanje ima za cilj da predloži rešenje serijskog rezonantnog ograničioca struje prekida bazirano na konvencionalnim električnim komponentama, koje nisu superprovodni ni elektronički. Konkretno, proučavane su dve topologije:
Serijski rezonantni FCL baziran na nasitljivom reaktoru
Serijski rezonantni FCL baziran na ZnO aparatu
Ovo istraživanje će koristiti EMTP (Electromagnetic Transients Program) simulaciju kako bi duboko analiziralo njihove transijentne karakteristike ograničavanja struje, vršio poređenje, i konačno verifikovao njihove značajne prednosti u pogledu tehničke izvodljivosti, ekonomije i operativne pouzdanosti.

II. Serijski rezonantni FCL baziran na nasitljivom reaktoru

Topologija kruga i princip rada
• Struktura topologije: Jezgra se sastoji od nasitljivog reaktora L_B, kondenzatora C, i serijskog reaktora L. L_B je spojen paralelno sa C, a ova kombinacija je onda spojena serijski sa L u sistem.
• Princip rada:
o Normalna operacija: Struja u liniji je mala. L_B radi u regionu bez nasitljivosti (njegova ekvivalentna induktivnost L_B1 je veoma velika). Njegova paralelna kombinacija sa C ponaša se induktivno. Zajedno sa serijskim reaktorom L, zadovoljavaju uslove serijskog rezonansa frekvencije struje (ωL - 1/ωC ≈ 0). Uređaj predstavlja veoma niski impedans, što dovodi do minimalnih gubitaka sistema.
o Stanje greške: Brzo porast struje prekida brzo nasitjava L_B (njegova ekvivalentna induktivnost brzo pada na L_B2). Njegov paralelni granac efektivno krati kondenzator C, time ruši uslov rezonansa. U tom trenutku, serijski reaktor L i nasitljivi reaktor L_B2 su ubačeni u sistem, efektivno ograničavajući struju prekida.
o Izbacivanje greške: Nakon izbacivanja greške, struja opada. L_B automatski izlazi iz stanja nasitljivosti, kondenzator se ponovo uključuje, i krug se vraća u rezonantno stanje, ostvarujući samopokretanje bez vanjskog izvora energije.
• Principi izbora parametara:
o ω²L_B1C >> 1 (Osigurava da paralelni granac ponaša se induktivno tokom normalne operacije)
o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Zadovoljava uslove rezonansa za normalnu operaciju)
o ω²L_B2C << 1 (Osigurava da paralelni granac ponaša se kapacitivno tokom greške, efektivno krtajući kondenzator)
Simulacija karakteristika ograničavanja struje (EMTP)
Simulacija je izvršena pod uslovima jednofaznog prekida na zemlju u 220kV sistemu (očekivani vrh struje prekida: 110kA). Ključni zaključci su sledeći:

Faktor uticaja	Ključni zaključak	Tipični simulacioni podaci (primer)
1. Nenasitljiva induktivnost L_B1	Povećanje L_B1 značajno smanjuje prenapon kondenzatora, ali malo utiče na struju prekida; efekat nasitjava.	L_B1=1317mH: Napon kondenzatora 270kV; L_B1=1321mH: Napon kondenzatora 157kV (42% smanjenje)
2. Nasitljiva induktivnost L_B2	Postoji optimalan opseg (1-7mH). Preveliki je loš za ograničavanje; preveliki dovodi do ozbiljnog prenapona kondenzatora.	L_B2=7mH (C=507μF, L=20mH): Struja prekida 25kA, napon kondenzatora 157kV
3. Koordinacija C/L parametara	Postoji optimalna kombinacija za kontrolu struje prekida i prenapona kondenzatora.	Optimalna kombinacija (C=406μF, L=25mH): Struja prekida 22kA, napon kondenzatora 142kV
4. Ugao početka prekida	Tranzijentne karakteristike su visoko uticane faznim uglom; najozbiljniji prenapon na 0°/180°; dizajn mora uzeti u obzir najgori slučaj.	0° faza: Struja prekida 18kA, napon kondenzatora 201kV; 90° faza: Struja prekida 22kA, napon kondenzatora 142kV

III. Serijski rezonantni FCL baziran na ZnO aparatu

Topologija kruga i princip rada
• Struktura topologije: Nositljivi reaktor L_B je zamenjen ZnO aparatom. Ostatak strukture (paralelni C + serijski L) ostaje nepromenjen.
• Princip rada: Princip je isti kao kod nasitljivog reaktora. Tijekom normalne operacije, ZnO prikazuje visok otpor, a krug rezonira. Tijekom greške, porast napona kondenzatora dovodi do provodljivosti ZnO (prikazuje niski otpor), krtajući kondenzator i ruši rezonans. Serijski reaktor L ograničava struju. Sistem se automatski oporavi nakon izbacivanja greške. Čitav proces koristi nelinearne voltamperne karakteristike ZnO za automatizovan prekid.
Simulacija karakteristika ograničavanja struje
Simulacija pod istim sistemskim uslovima je donela ključne zaključke:

Faktor uticaja	Ključni zaključak	Tipični simulacioni podaci (primer)
1. Residualni napon aparat & koordinacija C/L	Lako ograničiti prenapon kondenzatora, ali povećanje L za potragu za nižom strujom prekida dovodi do prekomernog napona na serijskom reaktoru.	C=254μF, L=40mH: Struja prekida 20kA, napon reaktora 246kV; C=507μF, L=20mH: Struja prekida 35kA, napon reaktora 173kV
2. Ugao početka prekida	Tranzijentne karakteristike su neosjetljive na fazni ugao prekida, samo utiču na magnitudu struje; maksimalna struja na 90°.	90° faza (C=507μF, L=20mH): Struja prekida 35kA; 0° faza: Struja prekida 28kA

IV. Kompleksno upoređivanje dva FCL rešenja

Dimenzija upoređivanja	FCL baziran na nasitljivom reaktoru	FCL baziran na ZnO aparatu
Ključna prednost	Izvanredan efekat ograničavanja struje; dobar balans između struje prekida i prenapona komponenti može se dostići kroz optimizaciju parametara.	Lako ograničavanje prenapona kondenzatora; tranzijentne karakteristike nisu uticane faznim uglom prekida; jednostavniji dizajn.
Ključna ograničenja	Zahteva preciznu optimizaciju histeretskih karakteristika jezgra i C/L parametara; teško kontrolisati prenapon kondenzatora; značajno utičeno faznim uglom prekida.	Izražen problem prenapona na serijskom reaktoru kada se traži niska struja prekida; zahteva strogu kontrolu vrednosti L.
Ključni zahtevi za parametre	Optimalna ekvivalentna nasitljiva induktivnost L_B2 ≈ 1/3 kapacitivnog reaktansa.	Vrednost induktivnosti serijskog reaktora ne bi trebalo da bude prevelika.
Preferencija za primenu	Primljen za srednje-niske naponske nivoe (npr. 110kV) u visokonaponskim mrežama, gde je potrebna visoka performansa ograničavanja struje.	Primljen za scenarije osjetljive na prenapon kondenzatora sa umjereno zahtevima za ograničavanje struje prekida.
Zajedničke karakteristike	1. Jednostavna struktura: Sastoji se isključivo od konvencionalnih električnih komponenti, bez složenih kontrola; 2. Dobra ekonomija: Troškovi su daleko niži od superprovodnih i elektroničkih tipova; 3. Visoka pouzdanost: Automatski rad temeljen na fizičkim karakteristikama, bez potrebe za vanjskom kontrolom; 4. Automatsko prekid: Instantano oporavak nakon izbacivanja greške.

V. Zaključak

Ovo istraživanje predlaže dva inovativna rešenja serijskog rezonantnog ograničioca struje prekida bazirana na konvencionalnim komponentama, uspešno prevazilazeći tehničke i ekonomske grlo tradicionalnih superprovodnih i elektroničkih FCL-a.

Nositljivi reaktor FCL: Kroz pažljivu optimizaciju histeretskih karakteristika jezgra, postavljanje vrednosti nasitljive induktivnosti (L_B2) na približno 1/3 kapacitivnog reaktansa, i osiguranje dobre koordinacije sa parametrima kondenzatora i serijskog reaktora, može efikasno supritisiti prenapon kondenzatora i dostići izvanredne tranzijentne performanse ograničavanja struje. Posebno je primljen za srednje-niske naponske nivoe mreže kao što je 110kV.
ZnO aparat FCL: Koristeći nelinearne karakteristike ZnO lako ograničava prenapon kondenzatora, a njegove performanse nisu uticane faznim uglom prekida. Međutim, treba paziti da se izbegne prekomeran napon na serijskom reaktoru samom izazvan visokim vrednostima L. Više je primljen za prilike sa visokim zahtevima za sigurnošću kondenzatora i umjereno potrebnim ograničavanjem struje.

08/26/2025