Серійний резонансний обмежувач відхилення струму на основі традиційних компонентів: економічне та надійне рішення для короткого замикання

1. Вступ: Дослідження та основні цілі

1. Складність проблеми короткозамкнувального струму
   З постійним розширенням масштабу електромереж та неперестанним зростанням їхньої потужності, рівень короткозамкнувального струму в системі дещо підвищився, наближаючись або навіть перевищуючи межі витривалості існуючого обладнання.
   • Дані підтримки: Моніторинг показує, що очікуваний короткозамкнувальний струм на деяких підстанціях 500 кВ, 220 кВ та навіть 10 кВ у країні перевищує 100 кА; максимальна періодична складова короткозамкнувального струму на основних джерелах енергії досягає 300 кА.
   • Помітні небезпеки: Екстремально високі короткозамкнувальні струми призводять до відсутності відповідних моделей високовольтних вимикачів, пошкодження електричного обладнання через перевищення термічних та електродинамічних сил, а також можуть спричинити безпекові питання, такі як електромагнітна інтерференція в системах зв'язку, підвищення потенціалу землі та крокове напруга. Це стало ключовою технічною узлівкою, що обмежує безпечне та економічне розвиток електромережі.
2. Обмеження існуючих технологій FCL
   Поточні головні технології обмежувачів короткозамкнувального струму (FCL) мають врождені недоліки, що роблять масштабне застосування важким:
   • Надпровідний FCL: Залежить від надпровідних матеріалів, технологія, яка ще не зріла, пропонує низьку надійність, включає високі витрати на експлуатацію та обслуговування, та є невигідною економічно, що запобігає його інженерному застосуванню в короткостроковій та середньостроковій перспективі.
   • FCL на базі електроніки: Обмежений відносно витривалості до напруги та провідності електронних напівпровідників, стикається з проблемами управління розподілом напруги та струму в паралельних/серійних схемах, має складну системну структуру (вимагає додаткових компонентів для обмеження струму та швидких захисних контурів), та є дорогим.
3. Основна мета цього дослідження
   Для вирішення вищевказаних проблем, це дослідження має на меті запропонувати рішення обмежувача короткозамкнувального струму на основі серійного резонансу, базованого на звичайних електричних компонентах, що не є надпровідними та не використовують електроніку. Специфічно, досліджуються дві топології:
4. Серійний резонансний FCL на основі насиченого реактора
5. Серійний резонансний FCL на основі ZnO-ограничувача
   Це дослідження буде використовувати програму моделювання електромагнітних переходних процесів (EMTP) для глибокого аналізу їхніх переходних характеристик обмеження струму, проведення порівняння та остаточної верифікації їх значних переваг у технічній можливості, економіці та надійності експлуатації.

II. Серійний резонансний FCL на основі насиченого реактора

1. Топологія схеми та принцип роботи
   • Структура топології: Ядро складається з насиченого реактора L_B, конденсатора C та серійного реактора L. L_B підключено паралельно до C, і цей комбінація підключена серійно до L у систему.
   • Принцип роботи:
   o Нормальна робота: Струм лінії невеликий. L_B працює в невисиченому регіоні (його еквівалентна індуктивність L_B1 дуже велика). Його паралельна комбінація з C поводиться індуктивно. Разом з серійним реактором L, вони задовольняють умову серійного резонансу при частоті мережі (ωL - 1/ωC ≈ 0). Прилад представляє дуже низьку імпеданс, що призводить до мінімальних втрат системи.
   o Стан аварії: Сприйняття короткозамкнувального струму швидко насичує L_B (його еквівалентна індуктивність швидко падає до L_B2). Його паралельна гілка ефективно замикати конденсатор C, таким чином, розриваючи умову резонансу. В цей момент, серійний реактор L та насичений реактор L_B2 вставляються в систему, ефективно обмежуючи короткозамкнувальний струм.
   o Ліквідація аварії: Після ліквідації аварії, струм зменшується. L_B автоматично виходить з насичення, конденсатор знову включається, і схема повертається до резонансного стану, досягаючи самопрошивання без зовнішнього джерела живлення.
   • Принципи вибору параметрів:
   o ω²L_B1C >> 1 (Забезпечує, що паралельна гілка поводиться індуктивно під час нормальної роботи)
   o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Задовольняє умову резонансу під час нормальної роботи)
   o ω²L_B2C << 1 (Забезпечує, що паралельна гілка поводиться капацитивно під час аварії, ефективно замикати конденсатор)
2. Аналіз характеристик обмеження струму (EMTP)
   Моделювання було проведено при умовах однофазної земельної короткозамкнувальної аварії в системі 220 кВ (очікуваний пік короткозамкнувального струму: 110 кА). Основні висновки наступні:

III. Серійний резонансний FCL на основі ZnO-ограничувача

1. Топологія схеми та принцип роботи
   • Структура топології: Насичений реактор L_B замінено на ZnO-ограничувач. Залишається незмінною решта структури (паралельний C + серійний L).
   • Принцип роботи: Принцип такий же, як і для насиченого реактора. Під час нормальної роботи, ZnO демонструє високий опір, і схема резонує. Під час аварії, підвищення напруги на конденсаторі призводить до провідності ZnO (представляє низький опір), замикання конденсатора та розриву резонансу. Серійний реактор L обмежує струм. Система автоматично відновлюється після ліквідації аварії. Весь процес використовує нелінійні вольт-амперні характеристики ZnO для автоматичного перемикання.
2. Аналіз характеристик обмеження струму
   Моделювання при тих самих умовах системи дав ключові висновки:

IV. Комплексне порівняння двох схем FCL

V. Висновок

Це дослідження запропонує два інноваційні рішення серійного резонансного обмежувача короткозамкнувального струму на основі стандартних компонентів, успішно подолавши технічні та економічні узлівки традиційних надпровідних та електронних FCL.

1. FCL на основі насиченого реактора: Шляхом докладної оптимізації гістерезисної петлі ядра, встановлення значення насиченої індуктивності (L_B2) приблизно 1/3 від капацитивної реактивної сили та забезпечення гармонійної взаємодії з параметрами конденсатора та серійного реактора, можна ефективно придушити наднапругу на конденсаторі та досягти відмінних переходних характеристик обмеження струму. Особливо придатний для середньо-низьких напруг, таких як 110 кВ.
2. FCL на основі ZnO-ограничувача: Використовуючи нелінійні характеристики ZnO, легко обмежити наднапругу на конденсаторі, і його характеристики не впливають на фазовий кут короткозамкнення. Однак, слід звернути увагу на те, щоб уникнути наднапруги на серійному реакторі, спричиненої занадто великими значеннями L. Більш придатний для ситуацій з високими вимогами до безпеки конденсатора та помірними вимогами до обмеження струму.