Hệ thống Hạn chế Dòng Điện Cố Định dựa trên Thành Phần Truyền thống: Giải pháp Dòng Điện Dây Chuyền Kinh Tế và Tin cậy

1. Giới thiệu: Nền tảng nghiên cứu và Mục tiêu cốt lõi

1. Mức độ nghiêm trọng của vấn đề dòng điện ngắn mạch
   Với sự mở rộng liên tục của quy mô lưới điện và sự tăng trưởng không ngừng của công suất, mức độ dòng điện ngắn mạch hệ thống đã tăng mạnh, tiếp cận hoặc thậm chí vượt quá giới hạn chịu đựng của thiết bị hiện có.
   • Dữ liệu hỗ trợ: Giám sát cho thấy dòng điện ngắn mạch dự kiến tại một số trạm biến áp 500kV, 220kV và thậm chí 10kV trong nước đã vượt quá 100 kA; thành phần chu kỳ lớn nhất của dòng điện ngắn mạch tại các nguồn điện chính đạt tới 300 kA.
   • Tác hại nghiêm trọng: Dòng điện ngắn mạch cực kỳ cao dẫn đến thiếu các mẫu cầu chì điện áp cao phù hợp, gây hư hỏng thiết bị điện do vượt quá giới hạn nhiệt và lực điện từ, và cũng có thể dẫn đến các vấn đề an toàn như nhiễu điện từ trong hệ thống thông tin liên lạc, tăng điện thế đất và điện thế bước. Điều này đã trở thành nút thắt kỹ thuật quan trọng hạn chế sự phát triển an toàn và kinh tế của lưới điện.
2. Hạn chế của Công nghệ FCL Hiện hữu
   Công nghệ hạn chế dòng điện lỗi (FCL) chủ đạo hiện nay có những nhược điểm cố hữu, khiến việc ứng dụng trên quy mô lớn khó khăn:
   • FCL Siêu dẫn: Phụ thuộc vào vật liệu siêu dẫn, một công nghệ chưa chín muồi, có độ tin cậy thấp, chi phí vận hành và bảo dưỡng cao, và không kinh tế, ngăn chặn việc ứng dụng kỹ thuật trong ngắn và trung hạn.
   • FCL Điện tử công suất: Giới hạn bởi khả năng chịu điện áp và dòng điện của thiết bị bán dẫn công suất, gặp thách thức trong việc điều khiển chia sẻ điện áp và dòng điện song song/dọc, có cấu trúc hệ thống phức tạp (yêu cầu thêm các thành phần hạn chế dòng điện và mạch bảo vệ nhanh), và đắt đỏ.
3. Mục tiêu cốt lõi của Nghiên cứu này
   Để giải quyết các vấn đề trên, nghiên cứu này nhằm đề xuất giải pháp hạn chế dòng điện lỗi cộng hưởng dọc dựa trên các thành phần điện truyền thống, không siêu dẫn và không điện tử công suất. Cụ thể, hai sơ đồ được nghiên cứu:
4. FCL Cộng hưởng Dọc dựa trên Máy biến áp Bão hòa
5. FCL Cộng hưởng Dọc dựa trên Bộ chống sét ZnO
   Nghiên cứu này sẽ sử dụng mô phỏng Chương trình Tắc động Điện từ (EMTP) để phân tích sâu đặc tính hạn chế dòng điện tạm thời, so sánh và cuối cùng xác minh ưu điểm đáng kể về khả năng kỹ thuật, kinh tế và độ tin cậy hoạt động.

II. FCL Cộng hưởng Dọc Dựa trên Máy biến áp Bão hòa

1. Cấu trúc mạch và Nguyên lý hoạt động
   • Cấu trúc Sơ đồ: Lõi bao gồm máy biến áp bão hòa L_B, tụ điện C và cuộn cảm dọc L. L_B được kết nối song song với C, và tổ hợp này sau đó được kết nối dọc với L vào hệ thống.
   • Nguyên lý hoạt động:
   o Hoạt động Bình thường: Dòng điện đường dây nhỏ. L_B hoạt động trong vùng không bão hòa (độ tự cảm tương đương L_B1 rất lớn). Tổ hợp song song của nó với C có tính cảm. Cùng với cuộn cảm dọc L, chúng thỏa mãn điều kiện cộng hưởng dọc tần số công suất (ωL - 1/ωC ≈ 0). Thiết bị có trở kháng rất thấp, dẫn đến tổn thất hệ thống tối thiểu.
   o Trạng thái Lỗi: Sự tăng đột ngột của dòng điện ngắn mạch làm bão hòa nhanh chóng L_B (độ tự cảm tương đương giảm mạnh xuống L_B2). Nhánh song song của nó hiệu quả ngắn mạch tụ điện C, do đó phá vỡ điều kiện cộng hưởng. Tại thời điểm này, cuộn cảm dọc L và máy biến áp bão hòa L_B2 đều được đưa vào hệ thống, hiệu quả hạn chế dòng điện ngắn mạch.
   o Xóa Lỗi: Sau khi lỗi được xóa, dòng điện giảm. L_B tự động thoát khỏi trạng thái bão hòa, tụ điện được tái kích hoạt, và mạch trở lại trạng thái cộng hưởng, thực hiện chuyển mạch tự động mà không cần nguồn điện ngoài.
   • Nguyên tắc Chọn tham số:
   o ω²L_B1C >> 1 (Đảm bảo nhánh song song có tính cảm trong hoạt động bình thường)
   o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Thỏa mãn điều kiện cộng hưởng cho hoạt động bình thường)
   o ω²L_B2C << 1 (Đảm bảo nhánh song song có tính dung trong trường hợp lỗi, hiệu quả ngắn mạch tụ điện)
2. Phân tích mô phỏng Đặc tính hạn chế dòng điện (EMTP)
   Mô phỏng được thực hiện dưới điều kiện lỗi ngắn mạch một pha đối đất trong hệ thống 220kV (dòng điện ngắn mạch dự kiến đỉnh: 110kA). Kết luận chính như sau:

III. FCL Cộng hưởng Dọc Dựa trên Bộ chống sét ZnO

1. Cấu trúc mạch và Nguyên lý hoạt động
   • Cấu trúc Sơ đồ: Máy biến áp bão hòa L_B được thay thế bằng bộ chống sét ZnO. Cấu trúc còn lại (song song C + dọc L) không đổi.
   • Nguyên lý hoạt động: Nguyên lý giống như loại máy biến áp bão hòa. Trong hoạt động bình thường, ZnO có điện trở cao, và mạch cộng hưởng. Trong trường hợp lỗi, điện áp tụ tăng làm ZnO dẫn (có điện trở thấp), ngắn mạch tụ điện và phá vỡ cộng hưởng. Cuộn cảm dọc L hạn chế dòng điện. Hệ thống tự phục hồi sau khi xóa lỗi. Toàn bộ quá trình sử dụng đặc tính volt-ampere phi tuyến của ZnO để chuyển mạch tự động.
2. Phân tích mô phỏng Đặc tính hạn chế dòng điện
   Mô phỏng dưới cùng điều kiện hệ thống cho kết luận chính:

IV. So sánh Tổng hợp Hai phương án FCL

V. Kết luận

Nghiên cứu này đề xuất hai giải pháp hạn chế dòng điện lỗi cộng hưởng dọc sáng tạo dựa trên các thành phần truyền thống, thành công trong việc khắc phục các nút thắt kỹ thuật và kinh tế của FCL siêu dẫn và điện tử công suất truyền thống.

1. FCL Máy biến áp Bão hòa: Qua tối ưu hóa cẩn thận đặc tính vòng hysteresis lõi, đặt giá trị độ tự cảm bão hòa (L_B2) khoảng 1/3 của độ phản kháng dung, và đảm bảo phối hợp tốt với các tham số tụ điện và cuộn cảm dọc, nó có thể hiệu quả hạn chế điện áp dư tụ điện và đạt hiệu suất hạn chế dòng điện tạm thời xuất sắc. Nó đặc biệt phù hợp cho lưới điện mức điện áp trung bình-thấp như 110kV.
2. FCL Bộ chống sét ZnO: Sử dụng đặc tính phi tuyến của ZnO dễ dàng hạn chế điện áp dư tụ điện, và hiệu suất không bị ảnh hưởng bởi góc pha ngắn mạch. Tuy nhiên, cần chú ý tránh điện áp dư trên cuộn cảm dọc do giá trị L quá lớn. Nó phù hợp hơn cho các trường hợp có yêu cầu cao về an toàn tụ điện và nhu cầu hạn chế dòng điện vừa phải.