Serye ng Resonant Fault Current Limiter Batay sa mga Konbensiyonal na Komponente: Isang Ekonomikal at Matatag na Solusyon sa Short-Circuit Current

1. Pagkakatawan: Background ng Pagsasaliksik at mga Pangunahing Layunin​

1. ​Gravedad ng Problema ng Short-Circuit Current​
   Sa patuloy na paglaki ng saklaw at kapasidad ng grid ng kuryente, ang antas ng short-circuit current ng sistema ay tumaas nang masigla, lumapit o kahit na lumampas sa limitasyon ng kakayahan ng umiiral na mga kagamitan.
   • ​Suporrt ng Data:​​ Ang monitoring ay nagpapakita na ang inaasahang short-circuit current sa ilang 500kV, 220kV, at kahit na 10kV substations sa bansa ay lumampas sa 100 kA; ang pinakamataas na periodiko na bahagi ng short-circuit current sa pangunahing mga pinagmulan ng kuryente ay umabot sa 300 kA.
   • ​Mga Malubhang Banta:​​ Ang napakataas na short-circuit currents ay nagresulta sa kakulangan ng angkop na modelo ng high-voltage circuit breaker, nagdulot ng pinsala sa mga kagamitang elektrikal dahil sa paglalampas sa limitasyon ng thermal at electrodynamic force, at maaari rin magresulta sa mga isyung kaligtasan tulad ng electromagnetic interference sa mga sistema ng komunikasyon, pagtaas ng ground potential, at step voltage. Ito ay naging isang pangunahing teknikal na boteng na nangangailangan ng safe at ekonomikal na pag-unlad ng grid ng kuryente.
2. ​Kahinaan ng Umiiral na Mga Teknolohiya ng FCL​
   Ang kasalukuyang mainstream fault current limiter (FCL) technologies ay may inherent na kahinaan, nagpapahirap sa malaking sakop ng aplikasyon:
   • ​Superconducting FCL:​​ Umaasa sa superconducting materials, isang teknolohiya na hindi pa ganap, may mababang reliabilidad, may mataas na gastos sa operasyon at pagmamaneho, at ekonomikal na hindi favorable, nagpapahintulot sa engineering application sa maikling hanggang medium term.
   • ​Power Electronic FCL:​​ Limitado sa voltage withstand at current-carrying capacity ng power semiconductor devices, nakakaranas ng hamon sa series/parallel voltage at current sharing control, may komplikadong sistema ng struktura (nangangailangan ng karagdagang current-limiting components at mabilis na protection circuits), at mahal.
3. ​Pangunahing Layunin ng Pagsasaliksik na Ito​
   Upang tugunan ang mga isyung ito, ang pag-aaral na ito ay layuning ipropose ang isang series resonant fault current limiter solution batay sa conventional electrical components, na hindi superconducting at hindi power electronic. Partikular, dalawang topologies ang pinag-aaralan:
4. Series Resonant FCL batay sa Saturable Reactor
5. Series Resonant FCL batay sa ZnO Arrester
   Ang pagsasaliksik na ito ay gagamit ng Electromagnetic Transients Program (EMTP) simulation upang malalim na analisin ang kanilang transient current-limiting characteristics, gumawa ng paghahambing, at huli na patunayan ang kanilang significant advantages sa technical feasibility, ekonomiya, at operational reliability.

​II. Series Resonant FCL Batay sa Saturable Reactor​

1. ​Struktura ng Circuit at Working Principle​
   • ​Topology Structure:​​ Ang core ay binubuo ng saturable reactor L_B, capacitor C, at series reactor L. L_B ay konektado sa parallel kay C, at ang kombinasyong ito ay pagkatapos ay konektado sa series kay L sa sistema.
   • ​Working Principle:​​
   o ​Normal Operation:​​ Ang line current ay maliit. L_B ay gumagana sa unsaturated region (ang equivalent inductance L_B1 ay napakalaki). Ang parallel combination nito kay C ay gumagana bilang inductive. Magkasama ng series reactor L, sila ay sumasapat sa power frequency series resonance condition (ωL - 1/ωC ≈ 0). Ang device ay nagpapakita ng napakababang impedance, nagreresulta sa minimal na system losses.
   o ​Fault State:​​ Ang pagtaas ng short-circuit current ay mabilis na nagsasaturate sa L_B (ang equivalent inductance ay bumaba nang malaki hanggang L_B2). Ang parallel branch nito ay effectively short-circuits capacitor C, kaya nabubuwag ang resonant condition. Sa puntong ito, ang series reactor L at ang saturated reactor L_B2 ay parehong naka-insert sa sistema, effectively limiting the short-circuit current.
   o ​Fault Clearance:​​ Pagkatapos malutas ang fault, ang current ay bumaba. L_B ay automatic na lumalabas sa saturation, ang capacitor ay muli na naka-engage, at ang circuit ay bumabalik sa resonant state, achieving self-triggered switching without an external power source.
   • ​Parameter Selection Principles:​​
   o ω²L_B1C >> 1 (Ensures the parallel branch behaves inductively during normal operation)
   o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Satisfies the resonance condition for normal operation)
   o ω²L_B2C << 1 (Ensures the parallel branch behaves capacitively during a fault, effectively shorting the capacitor)
2. ​Current-Limiting Characteristic Simulation Analysis (EMTP)​​
   Ang simulation ay ginawa sa ilalim ng single-phase-to-ground short-circuit fault condition sa 220kV system (prospective short-circuit current peak: 110kA). Ang mga pangunahing konklusyon ay sumusunod:

​III. Series Resonant FCL Batay sa ZnO Arrester​

1. ​Struktura ng Circuit at Working Principle​
   • ​Topology Structure:​​ Ang saturable reactor L_B ay pinapalitan ng ZnO arrester. Ang natitirang struktura (parallel C + series L) ay hindi nagbabago.
   • ​Working Principle:​​ Ang prinsipyong ito ay pareho sa saturable reactor type. Sa normal operation, ang ZnO ay nagpapakita ng mataas na resistance, at ang circuit ay resonates. Sa panahon ng fault, ang pagtaas ng capacitor voltage ay nagdudulot ng ZnO na mag-conduct (presenting low resistance), shorting the capacitor and breaking the resonance. Ang series reactor L limits the current. Ang sistema ay automatically recovers after fault clearance. Ang buong proseso ay utilizes the nonlinear volt-ampere characteristics ng ZnO para sa automatic switching.
2. ​Current-Limiting Characteristic Simulation Analysis​
   Ang simulation sa parehong kondisyon ng sistema ay nagresulta sa key conclusions:

​IV. Comprehensive Comparison ng Dalawang FCL Schemes​

​V. Conclusion​

Ang pagsasaliksik na ito ay nagpropose ng dalawang innovative series resonant fault current limiter solutions batay sa conventional components, matagumpay na nangangampanya sa technical at economic bottlenecks ng traditional superconducting at power electronic FCLs.

1. ​Saturable Reactor FCL:​​ Sa pamamagitan ng meticulous optimization ng core hysteresis loop characteristics, setting the saturated inductance value (L_B2) to approximately 1/3 of the capacitive reactance, at ensuring good coordination with the capacitor and series reactor parameters, it can effectively suppress capacitor overvoltage and achieve excellent transient current-limiting performance. Ito ay partikular na suitable para sa medium-low voltage level grids tulad ng 110kV.
2. ​ZnO Arrester FCL:​​ Utilizing the nonlinear characteristics of ZnO easily limits capacitor overvoltage, at ang performance nito ay hindi affected sa short-circuit phase angle. Ngunit, dapat bantayan upang iwasan ang overvoltage sa series reactor itself na dulot ng excessive L values. Ito ay mas suitable para sa occasions na may mataas na requirements para sa capacitor safety at moderate current-limiting needs.