วงจรป้อนอนุกรมที่เกิดการสั่นสะเทือนตามองค์ประกอบทั่วไป: ทางออกที่ประหยัดและเชื่อถือได้สำหรับปัญหากระแสไฟฟ้าลัดวงจร

บทนำ: ภูมิหลังการวิจัยและเป้าหมายหลัก

ความรุนแรงของปัญหากระแสไฟฟ้าลัดวงจร
ด้วยการขยายตัวอย่างต่อเนื่องของขนาดและกำลังของระบบส่งไฟฟ้า ระดับกระแสไฟฟ้าลัดวงจรในระบบได้เพิ่มขึ้นอย่างมาก ใกล้เคียงหรือเกินขีดจำกัดที่อุปกรณ์ที่มีอยู่สามารถทนทานได้
• ข้อมูลสนับสนุน: การตรวจสอบแสดงให้เห็นว่า กระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่คาดการณ์ไว้ที่บางสถานีไฟฟ้าแรงสูง 500kV, 220kV และแม้กระทั่ง 10kV ในประเทศได้เกิน 100 kA; ส่วนประกอบตามรอบเวลาของกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่แหล่งพลังงานหลักสูงถึง 300 kA.
• อันตรายร้ายแรง: กระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่สูงมากทำให้ขาดแคลนโมเดลสวิตช์ตัดวงจรแรงสูงที่เหมาะสม ทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าเสียหายเนื่องจากเกินขีดจำกัดของความร้อนและความดันไฟฟ้า รวมถึงอาจนำไปสู่ปัญหาด้านความปลอดภัย เช่น การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าในระบบสื่อสาร การเพิ่มศักยภาพพื้นดิน และแรงไฟฟ้าแบบขั้นตอน ซึ่งกลายเป็นข้อจำกัดทางเทคนิคสำคัญที่ขัดขวางการพัฒนาที่ปลอดภัยและประหยัดของระบบส่งไฟฟ้า.
ข้อจำกัดของเทคโนโลยี FCL ที่มีอยู่
เทคโนโลยีตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจร (FCL) ที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันมีข้อเสียที่ทำให้การใช้งานอย่างกว้างขวางยาก:
• FCL แบบซูเปอร์คอนดักเตอร์: อาศัยวัสดุซูเปอร์คอนดักเตอร์ ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่ยังไม่สมบูรณ์ มีความน่าเชื่อถือน้อย ค่าใช้จ่ายในการดำเนินการและการบำรุงรักษาสูง และไม่คุ้มค่าทางเศรษฐกิจ ทำให้ไม่สามารถนำมาใช้งานในทางวิศวกรรมได้ในระยะสั้นถึงกลาง.
• FCL แบบอิเล็กทรอนิกส์: จำกัดโดยความสามารถในการทนแรงดันและกระแสไฟฟ้าของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ เผชิญกับความท้าทายในการควบคุมการแบ่งแรงดันและกระแสไฟฟ้าในแบบอนุกรม/ขนาน มีโครงสร้างระบบซับซ้อน (ต้องการส่วนประกอบเพิ่มเติมสำหรับการจำกัดกระแสและวงจรป้องกันเร็ว) และมีค่าใช้จ่ายสูง.
เป้าหมายหลักของการวิจัยนี้
เพื่อแก้ไขปัญหาดังกล่าว การวิจัยนี้มีเป้าหมายในการเสนอโซลูชันตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรแบบอนุกรมที่มีความสอดคล้องบนพื้นฐานของอุปกรณ์ไฟฟ้าทั่วไป ซึ่งไม่ใช่ซูเปอร์คอนดักเตอร์และไม่ใช่อิเล็กทรอนิกส์ โดยเฉพาะสองโทโพโลยีที่ได้รับการศึกษา:
ตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรแบบอนุกรมที่มีรีแอคเตอร์ที่อิ่มตัว
ตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรแบบอนุกรมที่มี ZnO แอร์เรสเตอร์
การวิจัยนี้จะใช้โปรแกรมจำลองการเปลี่ยนแปลงแม่เหล็กไฟฟ้าชั่วขณะ (EMTP) เพื่อวิเคราะห์ลักษณะการจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรชั่วขณะอย่างลึกซึ้ง ทำการเปรียบเทียบ และสุดท้ายยืนยันข้อได้เปรียบที่สำคัญในด้านความเป็นไปได้ทางเทคนิค เศรษฐกิจ และความน่าเชื่อถือในการทำงาน.

II. ตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรแบบอนุกรมที่มีรีแอคเตอร์ที่อิ่มตัว

โทโพโลยีวงจรและหลักการทำงาน
• โครงสร้างโทโพโลยี: ประกอบด้วยรีแอคเตอร์ที่อิ่มตัว L_B คาปาซิเตอร์ C และรีแอคเตอร์อนุกรม L. L_B ต่อขนานกับ C และการผสมผสานนี้ต่ออนุกรมกับ L ลงในระบบ.
• หลักการทำงาน:
o การทำงานปกติ: กระแสไฟฟ้าในสายเล็ก L_B ทำงานในบริเวณที่ไม่อิ่มตัว (ความเหนี่ยวนำเทียบเท่า L_B1 มาก) การผสมผสานขนานกับ C แสดงพฤติกรรมเหมือนอินดักเตอร์ ร่วมกับรีแอคเตอร์อนุกรม L พวกเขาตอบสนองเงื่อนไขการสอดคล้องอนุกรมที่ความถี่ของระบบ (ωL - 1/ωC ≈ 0). อุปกรณ์มีความต้านทานต่ำมาก ทำให้มีการสูญเสียของระบบน้อย.
o สถานะความผิดพลาด: กระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วทำให้ L_B อิ่มตัว (ความเหนี่ยวนำเทียบเท่าลดลงอย่างรวดเร็วถึง L_B2). แขนขนานของเขาสั้นวงจรคาปาซิเตอร์ C ทำลายเงื่อนไขการสอดคล้อง. ณ จุดนี้ รีแอคเตอร์อนุกรม L และรีแอคเตอร์ที่อิ่มตัว L_B2 ถูกใส่เข้าไปในระบบ จำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรได้อย่างมีประสิทธิภาพ.
o การเคลียร์ความผิดพลาด: หลังจากความผิดพลาดถูกเคลียร์ กระแสไฟฟ้าลดลง L_B ออกจากภาวะอิ่มตัวโดยอัตโนมัติ คาปาซิเตอร์ถูกใส่เข้ามาใหม่ และวงจรกลับสู่สภาพการสอดคล้อง ทำให้การสลับโดยไม่ต้องใช้แหล่งพลังงานภายนอก.
• หลักการเลือกพารามิเตอร์:
o ω²L_B1C >> 1 (รับประกันว่าแขนขนานแสดงพฤติกรรมเหมือนอินดักเตอร์ระหว่างการทำงานปกติ)
o ωL - 1/ωC ≈ 0 (ตอบสนองเงื่อนไขการสอดคล้องระหว่างการทำงานปกติ)
o ω²L_B2C << 1 (รับประกันว่าแขนขนานแสดงพฤติกรรมเหมือนคาปาซิเตอร์ระหว่างความผิดพลาด ทำให้คาปาซิเตอร์สั้นวงจรได้อย่างมีประสิทธิภาพ)
การวิเคราะห์จำลองลักษณะการจำกัดกระแส (EMTP)
การจำลองภายใต้สภาพความผิดพลาดลัดวงจรเฟสเดียวถึงพื้นในระบบ 220kV (กระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่คาดการณ์ไว้สูงสุด: 110kA). ข้อสรุปหลักคือดังนี้:

ปัจจัยที่มีผล	ข้อสรุปหลัก	ข้อมูลจำลองตัวอย่าง (ตัวอย่าง)
1. ความเหนี่ยวนำที่ไม่อิ่มตัว L_B1	การเพิ่ม L_B1 ลดแรงดันสูงสุดของคาปาซิเตอร์อย่างมาก แต่มีผลกระทบน้อยต่อกระแสไฟฟ้าลัดวงจร; ผลกระทบอิ่มตัว.	L_B1=1317mH: แรงดันคาปาซิเตอร์ 270kV; L_B1=1321mH: แรงดันคาปาซิเตอร์ 157kV (ลดลง 42%)
2. ความเหนี่ยวนำที่อิ่มตัว L_B2	มีช่วงค่าที่เหมาะสม (1-7mH). ค่าน้อยเกินไปทำให้จำกัดไม่ดี; ค่ามากเกินไปทำให้แรงดันสูงสุดของคาปาซิเตอร์สูงมาก.	L_B2=7mH (C=507μF, L=20mH): กระแสไฟฟ้าลัดวงจร 25kA, แรงดันคาปาซิเตอร์ 157kV
3. การประสานกันของพารามิเตอร์ C/L	มีการผสมผสานที่เหมาะสมในการควบคุมกระแสไฟฟ้าลัดวงจรและแรงดันสูงสุดของคาปาซิเตอร์ร่วมกัน.	การผสมผสานที่เหมาะสม (C=406μF, L=25mH): กระแสไฟฟ้าลัดวงจร 22kA, แรงดันคาปาซิเตอร์ 142kV
4. มุมเริ่มต้นของความผิดพลาดลัดวงจร	ลักษณะชั่วขณะมีความไวต่อเฟส; แรงดันสูงสุดที่รุนแรงที่สุดที่ 0°/180°; การออกแบบต้องพิจารณากรณีที่รุนแรงที่สุด.	เฟส 0°: กระแสไฟฟ้าลัดวงจร 18kA, แรงดันคาปาซิเตอร์ 201kV; เฟส 90°: กระแสไฟฟ้าลัดวงจร 22kA, แรงดันคาปาซิเตอร์ 142kV

III. ตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรแบบอนุกรมที่มี ZnO แอร์เรสเตอร์

โทโพโลยีวงจรและหลักการทำงาน
• โครงสร้างโทโพโลยี: รีแอคเตอร์ที่อิ่มตัว L_B ถูกแทนที่ด้วย ZnO แอร์เรสเตอร์. โครงสร้างที่เหลือ (C ขนาน + L อนุกรม) ยังคงเหมือนเดิม.
• หลักการทำงาน: หลักการทำงานเหมือนกับประเภทรีแอคเตอร์ที่อิ่มตัว. ระหว่างการทำงานปกติ ZnO แสดงความต้านทานสูง และวงจรสอดคล้อง. ระหว่างความผิดพลาด แรงดันที่เพิ่มขึ้นของคาปาซิเตอร์ทำให้ ZnO นำไฟฟ้า (แสดงความต้านทานต่ำ) ทำให้คาปาซิเตอร์สั้นวงจรและทำลายการสอดคล้อง. รีแอคเตอร์อนุกรม L จำกัดกระแส. ระบบกลับคืนโดยอัตโนมัติหลังจากความผิดพลาดถูกเคลียร์. กระบวนการทั้งหมดใช้คุณสมบัติโวลต์-แอมแปร์ที่ไม่เชิงเส้นของ ZnO สำหรับการสลับโดยอัตโนมัติ.
การวิเคราะห์จำลองลักษณะการจำกัดกระแส
การจำลองภายใต้สภาพระบบเดียวกันได้ข้อสรุปหลักดังนี้:

ปัจจัยที่มีผล	ข้อสรุปหลัก	ข้อมูลจำลองตัวอย่าง (ตัวอย่าง)
1. แรงดันตกค้างของแอร์เรสเตอร์ & การประสานกันของ C/L	ง่ายต่อการจำกัดแรงดันสูงสุดของคาปาซิเตอร์ แต่การเพิ่ม L เพื่อไล่ตามกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่ต่ำลงทำให้แรงดันบนรีแอคเตอร์อนุกรมสูงเกินไป.	C=254μF, L=40mH: กระแสไฟฟ้าลัดวงจร 20kA, แรงดันรีแอคเตอร์ 246kV; C=507μF, L=20mH: กระแสไฟฟ้าลัดวงจร 35kA, แรงดันรีแอคเตอร์ 173kV
2. มุมเริ่มต้นของความผิดพลาดลัดวงจร	ลักษณะชั่วขณะไม่ไวต่อเฟสของความผิดพลาดลัดวงจร แต่ส่งผลต่อขนาดของกระแส; กระแสสูงสุดที่ 90°.	เฟส 90° (C=507μF, L=20mH): กระแสไฟฟ้าลัดวงจร 35kA; เฟส 0°: กระแสไฟฟ้าลัดวงจร 28kA

IV. การเปรียบเทียบแบบครอบคลุมของทั้งสองแผน FCL

มิติการเปรียบเทียบ	FCL บนพื้นฐานของรีแอคเตอร์ที่อิ่มตัว	FCL บนพื้นฐานของ ZnO แอร์เรสเตอร์
ข้อได้เปรียบหลัก	ประสิทธิภาพการจำกัดกระแสที่ดี; สามารถทำให้เกิดความสมดุลระหว่างกระแสไฟฟ้าลัดวงจรและแรงดันสูงสุดของส่วนประกอบได้ผ่านการปรับแต่งพารามิเตอร์.	ง่ายต่อการจำกัดแรงดันสูงสุดของคาปาซิเตอร์; ลักษณะชั่วขณะไม่ไวต่อเฟสของความผิดพลาดลัดวงจร; การออกแบบที่ง่าย.
ข้อจำกัดหลัก	ต้องการการปรับแต่งที่แม่นยำของคุณสมบัติของวงจรแม่เหล็กและพารามิเตอร์ C/L; ควบคุมแรงดันสูงสุดของคาปาซิเตอร์ยาก; ได้รับผลกระทบอย่างมากจากเฟสของความผิดพลาดลัดวงจร.	ปัญหาระดับแรงดันสูงสุดที่รุนแรงบนรีแอคเตอร์อนุกรมเมื่อไล่ตามกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่ต่ำลง; ต้องการควบคุมค่า L อย่างเข้มงวด.
ความต้องการพารามิเตอร์หลัก	ความเหนี่ยวนำเทียบเท่าที่อิ่มตัวที่เหมาะสม L_B2 ≈ 1/3 ของความต้านทานของคาปาซิเตอร์.	ค่าความเหนี่ยวนำของรีแอคเตอร์อนุกรมไม่ควรใหญ่เกินไป.
ความชอบด้านสถานการณ์ที่เหมาะสม	เหมาะสมสำหรับระดับแรงดันปานกลาง-ต่ำ (เช่น 110kV) ในระบบส่งไฟฟ้าแรงสูง ที่ต้องการประสิทธิภาพการจำกัดกระแสสูง.	เหมาะสมสำหรับสถานการณ์ที่ไวต่อแรงดันสูงสุดของคาปาซิเตอร์พร้อมความต้องการจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรปานกลาง.
ลักษณะร่วมกัน	1. โครงสร้างที่ง่าย: ประกอบด้วยอุปกรณ์ไฟฟ้าทั่วไปทั้งหมด ไม่มีการควบคุมที่ซับซ้อน; 2. เศรษฐกิจที่ดี: ค่าใช้จ่ายต่ำกว่าประเภทซูเปอร์คอนดักเตอร์และอิเล็กทรอนิกส์อย่างมาก; 3. ความน่าเชื่อถือสูง: ทำงานโดยอัตโนมัติบนพื้นฐานของคุณสมบัติทางกายภาพ ไม่ต้องการการควบคุมภายนอก; 4. การสลับโดยอัตโนมัติ: ฟื้นฟูทันทีหลังจากความผิดพลาดถูกเคลียร์.

V. สรุป

การวิจัยนี้เสนอโซลูชันตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรแบบอนุกรมที่มีความสอดคล้องสองแบบบนพื้นฐานของอุปกรณ์ทั่วไป ประสบความสำเร็จในการ客服似乎在处理过程中被截断了，以下是完整翻译的继续：

การวิจัยนี้เสนอโซลูชันตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรแบบอนุกรมที่มีความสอดคล้องสองแบบบนพื้นฐานของอุปกรณ์ทั่วไป ประสบความสำเร็จในการแก้ไขข้อจำกัดทางเทคนิคและเศรษฐกิจของ FCL แบบซูเปอร์คอนดักเตอร์และอิเล็กทรอนิกส์ที่มีอยู่.

FCL บนพื้นฐานของรีแอคเตอร์ที่อิ่มตัว: ผ่านการปรับแต่งอย่างละเอียดของวงจรแม่เหล็ก ตั้งค่าความเหนี่ยวนำที่อิ่มตัว (L_B2) ประมาณ 1/3 ของความต้านทานของคาปาซิเตอร์ และรับรองว่ามีการประสานกันที่ดีกับพารามิเตอร์ของคาปาซิเตอร์และรีแอคเตอร์อนุกรม สามารถลดแรงดันสูงสุดของคาปาซิเตอร์และบรรลุประสิทธิภาพการจำกัดกระแสชั่วขณะที่ดีเยี่ยม. เหมาะสำหรับระบบส่งไฟฟ้าแรงสูงระดับปานกลาง-ต่ำ เช่น 110kV.
FCL บนพื้นฐานของ ZnO แอร์เรสเตอร์: ใช้คุณสมบัติที่ไม่เชิงเส้นของ ZnO ทำให้ง่ายต่อการจำกัดแรงดันสูงสุดของคาปาซิเตอร์ และประสิทธิภาพไม่ได้รับผลกระทบจากเฟสของความผิดพลาดลัดวงจร. แต่ต้องระวังแรงดันสูงสุดบนรีแอคเตอร์อนุกรมที่เกิดจากค่า L ที่สูงเกินไป. เหมาะสำหรับโอกาสที่ต้องการความปลอดภัยของคาปาซิเตอร์สูงและมีความต้องการจำกัดกระแสปานกลาง.

08/26/2025