Serie-resonant ström begränsare baserad på konventionella komponenter: En ekonomisk och tillförlitlig lösning för kortslutningsström
- Introduktion: Forskningsbakgrund och kärnobjektiv
- Gravitet av problemet med kortslutningsström
Med den kontinuerliga utvidgningen av elnätets skala och dess konstanta tillväxt i kapacitet har systemets nivå av kortslutningsström ökat drastiskt, nästan eller överstigit uthållighetsgränserna för befintlig utrustning.
• Datastöd: Övervakning visar att den förväntade kortslutningsströmmen vid vissa 500kV, 220kV och även 10kV-stationer inom landet har överskridit 100 kA; den maximala periodiska komponenten av kortslutningsströmmen vid stora kraftkällor når upp till 300 kA.
• Allvarliga risker: Extremt höga kortslutningsströmmar leder till brist på lämpliga modeller av högspänningsbrytare, skador på elektrisk utrustning på grund av överstigande av termiska och elektrodynamiska krafter, samt kan också leda till säkerhetsproblem som elektromagnetisk interferens i kommunikationssystem, jordpotentialshöjning och stegspänning. Detta har blivit en viktig teknisk flaskhals som begränsar det säkra och ekonomiska utvecklandet av elnätet. - Begränsningar hos existerande FCL-teknologier
Nuvarande huvudströms tekniker för felströmbegränsare (FCL) har inbyggda nackdelar, vilket gör storskaligt användande svårt:
• Superledande FCL: Beror på superledande material, en teknik som ännu inte är mogna, erbjuder låg tillförlitlighet, innebär höga drift- och underhållskostnader, och är ekonomiskt oönskad, vilket förhindrar dess ingenjörsmässiga användning i kort- till medellång sikt.
• Kraftel FCL: Begränsad av spänningsuthållighet och strömhanteringskapaciteten hos kraftsemikonduktorer, står inför utmaningar i serie-/parallell spännings- och strömdelning, har ett komplext systemstruktur (kräver ytterligare strömbegränsande komponenter och snabba skyddskretsar), och är kostsamt. - Kärnobjektiv för denna forskning
För att hantera de ovan nämnda frågorna syftar denna studie till att föreslå en serie-resonansbaserad felströmbegränsarlösning baserad på konventionella elektriska komponenter, som är icke-superledande och icke-kraftel. Specifikt studeras två topologier: - Serie-resonans FCL baserat på en mättnadsreaktor
- Serie-resonans FCL baserat på en ZnO-varnare
Denna forskning kommer att använda Electromagnetic Transients Program (EMTP)-simulering för att djupt analysera deras transienta strömbegränsande egenskaper, utföra en jämförelse, och slutligen verifiera deras betydande fördelar i teknisk genomförbarhet, ekonomi och driftsäkerhet.
II. Serie-resonans FCL baserat på mättnadsreaktor
- Kretstopologi och arbetsprincip
• Topologistruktur: Kärnan består av en mättnadsreaktor LB, en kondensator C, och en seriereaktor L. LB är ansluten parallellt med C, och denna kombination är sedan ansluten i serie med L till systemet.
• Arbetsprincip:
o Normal drift: Linjeströmmen är liten. LB fungerar i det omättade området (dess ekvivalentinduktans LB1 är mycket stor). Dess parallellkombination med C beter sig induktivt. Tillsammans med seriereaktorn L uppfyller de serie-resonansvillkoret för nätspänning (ωL - 1/ωC ≈ 0). Enheten presenterar mycket låg impedans, vilket resulterar i minimala systemförluster.
o Fel tillstånd: En plötslig ökning av kortslutningsströmmen mättnar snabbt LB (dess ekvivalentinduktans sjunker drastiskt till LB2). Dess parallellgren kortsluter effektivt kondensatorn C, vilket bryter resonansvillkoret. I detta tillstånd är både seriereaktorn L och den mättnade reaktorn LB2 infogade i systemet, vilket effektivt begränsar kortslutningsströmmen.
o Felborttagning: Efter felborttagning minskar strömmen. LB går automatiskt ur mättnad, kondensatorn återkopplas, och kretsen återgår till resonanstillståndet, vilket uppnår självgenererad växling utan extern ström.
• Principer för parameterväljande:
o ω²LB1C >> 1 (Säkerställer att parallellgren beter sig induktivt under normal drift)
o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Uppfyller resonansvillkoret under normal drift)
o ω²LB2C << 1 (Säkerställer att parallellgren beter sig kapacitivt under fel, vilket effektivt kortsluter kondensatorn) - Simuleringsanalys av strömbegränsande egenskaper (EMTP)
Simulering utfördes under ett ensidigt jordfelstillstånd i ett 220kV-system (förväntad kortslutningsström topp: 110kA). Viktiga slutsatser är följande:
|
Påverkande faktor |
Kärnslutsats |
Typiska simuleringsdata (exempel) |
|
1. Omättad induktans LB1 |
Ökning av LB1 minskar signifikant kondensatoröverspänning men har lite effekt på kortslutningsströmmen; effekten mättnar. |
LB1=1317mH: Kondensatorspänning 270kV; LB1=1321mH: Kondensatorspänning 157kV (42% minskning) |
|
2. Mättnad induktans LB2 |
Det finns ett optimalt intervall (1-7mH). För litet ger dåligt begränsande; för stort orsakar allvarlig kondensatoröverspänning. |
LB2=7mH (C=507μF, L=20mH): Kortslutningsström 25kA, Kondensatorspänning 157kV |
|
3. C/L-parametern koordinering |
Det finns en optimal kombination för att samarbete styra kortslutningsström och kondensatoröverspänning. |
Optimal kombination (C=406μF, L=25mH): Kortslutningsström 22kA, Kondensatorspänning 142kV |
|
4. Vinkel för kortslutningsstart |
Transienta egenskaper är starkt påverkade av fasvinkel; mest allvarlig överspänning vid 0°/180°; design måste ta hänsyn till värsta fallet. |
0° fas: Kortslutningsström 18kA, Kondensatorspänning 201kV; 90° fas: Kortslutningsström 22kA, Kondensatorspänning 142kV |
III. Serie-resonans FCL baserat på ZnO-varnare
- Kretstopologi och arbetsprincip
• Topologistruktur: Mättnadsreaktorn LB ersätts av en ZnO-varnare. Resten av strukturen (parallell C + serie L) förblir oförändrad.
• Arbetsprincip: Principen är densamma som för mättnadsreaktorstypen. Under normal drift visar ZnO hög resistans, och kretsen resonerar. Vid fel, ökar kondensatorspänningen vilket gör att ZnO börjar leda (visar låg resistans), kortsluter kondensatorn och bryter resonansen. Seriereaktorn L begränsar strömmen. Systemet återhämtar sig automatiskt efter felborttagning. Hela processen använder den icke-linjära volt-ampere-egenskapen hos ZnO för automatisk växling. - Simuleringsanalys av strömbegränsande egenskaper
Simulering under samma systemvillkor gav viktiga slutsatser:
|
Påverkande faktor |
Kärnslutsats |
Typiska simuleringsdata (exempel) |
|
1. Varnares restspänning & C/L-koordinering |
Lätt att begränsa kondensatoröverspänning, men ökning av L för att sträva efter lägre kortslutningsström leder till överdriven spänning på seriereaktorn. |
C=254μF, L=40mH: Kortslutningsström 20kA, Reaktorspänning 246kV; C=507μF, L=20mH: Kortslutningsström 35kA, Reaktorspänning 173kV |
|
2. Vinkel för kortslutningsstart |
Transienta egenskaper är okänsliga för kortslutningsfasvinkel, påverkar endast strömmens magnitud; maximal ström vid 90°. |
90° fas (C=507μF, L=20mH): Kortslutningsström 35kA; 0° fas: Kortslutningsström 28kA |
IV. Sammanställande jämförelse av de två FCL-lösningarna
|
Jämförelsedimension |
FCL baserat på mättnadsreaktor |
FCL baserat på ZnO-varnare |
|
Kärnfördel |
Utöverlägsen strömbegränsande effekt; bra balans mellan kortslutningsström och komponentöverspänning möjlig genom parametertoptimering. |
Lätt begränsning av kondensatoröverspänning; transienta egenskaper okänsliga för kortslutningsfasvinkel; enklare design. |
|
Kärnbegränsning |
Kräver noggrann optimering av kärnens hysteresisegenskaper och C/L-parametrar; svår kontroll av kondensatoröverspänning; betydande påverkan av kortslutningsfas. |
Markant överspänningsproblem på seriereaktorn vid strävan efter låg kortslutningsström; kräver strikt kontroll av L-värde. |
|
Viktigt parameterkrav |
Optimal ekvivalent mättnad induktans LB2 ≈ 1/3 av kapacitiv reaktans. |
Induktansvärdet för seriereaktorn bör inte vara för stort. |
|
Lämplig scenariopreferens |
Lämpligt för medel-låg spänningsnivåer (t.ex. 110kV) i högspänningsnät, där hög strömbegränsande prestanda krävs. |
Lämpligt för scenarion som är känsliga för kondensatoröverspänning med moderata krav på kortslutningsströmbegränsning. |
|
Gemensamma egenskaper |
1. Enkel struktur: Består helt av konventionella elektriska komponenter, inga komplexa kontroller; |
V. Slutsats
Denna studie föreslår två innovativa serie-resonansbaserade felströmbegränsarlösningar baserade på konventionella komponenter, vilka framgångsrikt övervinner de tekniska och ekonomiska flaskhalssituationerna hos traditionella superledande och kraftel FCL:er.
- Mättnadsreaktor FCL: Genom noggrann optimering av kärnens hysteresisloopsegenskaper, inställning av mättnad induktansvärde (LB2) till ungefär 1/3 av kapacitiv reaktans, och säkerställande av god koordinering med kondensator- och seriereaktorparametrar, kan den effektivt begränsa kondensatoröverspänning och uppnå utmärkt transient strömbegränsande prestanda. Den är särskilt lämplig för medel-låg spänningsnivåer i nät som 110kV.
- ZnO-varnare FCL: Genom att utnyttja de icke-linjära egenskaperna hos ZnO begränsar den enkelt kondensatoröverspänning, och dess prestanda påverkas inte av kortslutningsfasvinkeln. Dock måste man vara uppmärksam på att undvika överspänning på seriereaktorn själv på grund av för stora L-värden. Den är mer lämplig för tillfällen med höga krav på kondensatorsäkerhet och moderata strömbegränsningsbehov.
