1 Brugtipe Supergeleidend Stroombeperker
1.1 Struktuur en Werkingsprinsip van die Brugtipe SFCL
Figuur 1 wys die enkelefase-sirkeldiagram van die brugtipe SFCL, wat bestaan uit vier diodes D₁ tot D₄, 'n DC-biasvoltagebron V_b, en 'n supergeleidende spoel L. 'n Sirkelbreker CB is in reeks met die beperker verbonden om die foute stroom na beperking te onderbreek. Die biasbron V_b verskaf 'n biasstroom i_b aan die supergeleidende spoel L. Die spanning van V_b word hoë genoeg gestel om die voorwaartse spanningsval van die diodepare (D₁ en D₃, of D₂ en D₄) te oorkom, en 'n biasstroom i₀ te vestig. Die waarde van i₀ word groter as die piekwaarde van die lynstroom i_max, met toelaatbaarheid vir oorbelastingstoestande.
Daarom bly die diodebrug kontinu geleidend onder normale toestande, en die SFCL vertoon geen impedansie teenoor die lynstroom i, die minore voorwaartse spanningsval oor die brug word genegeer. Gestel dat tydens normale operasie die strome deur diodes D₁ tot D₄ onderskeidelik iD1 tot iD4 is, dan is die lynstroom:
Dit word verkry volgens Kirchhoff se Stroomwet (KCL):
Wanneer 'n kortsluitfout op die lyn voorkom, styg die lynstroom vinnig na i₀. Tydens die positiewe en negatiewe halfrondes word een paar diodes omgekeerd gevoed en sluit af, waardoor die spoel L outomaties in die sirkel ingesluit word. Die kortsluitstroom word dus beperk deur die induktiewe reactans van die spoel.
Deur die kritieke stroom van die supergeleidende spoel passend te stel, bly die spoel in die supergeleidende toestand tydens die fout, en vermyd dit die effekte van reaksietyd en herstel na quenching. Echter, soos die fout voortduur, styg die stroom deur die supergeleidende induktor voortdurend, en nader uiteindelik die stasionêre kortsluitstroomwaarde sonder die beperker. Daarom moet die foutbron tydelik deur 'n sirkelbreker binne 'n gespesifiseerde tyd onderbreek. Vir eenvoud word daar aangeneem dat die kortsluitfout op die oomblik voorkom wanneer die bronspanning nul oorskry (t = t₀). Volgens Kirchhoff se Spanningswet (KVL) word die volgende vergelyking verkry:
Aanvanklike toestand I0, deur hierdie differensiaalvergelyking op te los, word verkry:
Figuur 2 wys die golfforme van die induktorstroom en lynstroom tydens normale operasie en nadat 'n fout voorgekom het, met die fout begin by t = 0.1 s. Simulasieresultate dui daarop dat die kortsluitstroom langsaam styg weens die stroombeperkende effek van die supergeleidende induktor. Die stroombeperkingsproses is in wezen die magnetisering van die supergeleidende induktor. Eenmaal die foutstroom stabiliseer, hou die beperker op om effektief te wees. Daarom moet die fout deur die sirkelbreker geklaar word voordat die kortsluitstroom sy stasionêre waarde bereik. In die figuur word die fout deur die sirkelbreker by t = 0.2 s geklaar.
1.2 Strukturele Verbetering van Brugtipe Supergeleidend Foutstroombeperkers
'n Konvensionele brugtipe supergeleidend foutstroombeperker (SFCL) kan slegs die tempo van toename van kortsluitstrome beperk, maar is ondoeltreffend in die beheer van hulle stasionêre waardes. Om die stasionêre waarde van kortsluitstrome te beperk, kombineer 'n hibriede SFCL die kenmerke van nul weerstand in die supergeleidende toestand en die vinnige toename in weerstand tydens 'n quench van supergeleiders. Dit word bereik deur resistiewe supergeleidend foutstroombeperkers met brugtipe SFCL's te integreer. Die skematiese diagram van hierdie hibriede benadering word in Figuur 3 getoon.
Onder normale bedryfsomstandighede is skakelaar K oop, sodat die resistiewe SFCL geen buite impedansie vertoon nie, wat stroom i_L sonder weerstand laat deurloop. Wanneer 'n fout voorkom, stel die resistiewe SFCL onmiddellik hoë impedansie en werk in reeks met die supergeleidende induktor om die foutstroom saam te beperk. Nadat die fout geklaar is, word skakelaar K toegeknip; op hierdie punt, as gevolg van sy eie hoë impedansie, word die resistiewe SFCL kortgesluit en keer vinnig terug na die supergeleidende toestand.
Aangesien skakelaar K on-toestandsweerstand het, sal dit deur die herstelde resistiewe SFCL kortgesluit word, wat die hele hibriede brugtipe beperker buite as lae impedansie laat verskyn. Op hierdie oomblik, deur K oop te maak, word die hele stroombeperkingsproses afgesluit. Om die kapasiteit van die resistiewe SFCL te verhoog, word reeks- en parallelverbinding van resistiewe SFCL-eenhede tipies gebruik om die spanning- en stroomspesifikasies van die toestel te verbeter. Figuur 4 illustreer die sirkelskematiese diagram van die resistiewe supergeleidende beperker, waar R₁ tot R₆ supergeleidende weerstande voorstel, en R as 'n omwegweerstand funksioneer wat die gelyktydige quenching van twee supergeleiders in dieselfde reeksarm kan bevorder tydens 'n kortsluitfout.
Die rol van die interfase-koppelingstransformer is om te verseker dat iL1 = iL2 = iL3, sodat SFCL-eenhede oor verskillende parallelarmme heen gelyktydig kan quench nadat 'n kortsluitfout voorgekom het. Die hibriede brugtipe SFCL beperk effektief die stasionêre waarde van kortsluitstrome deur die oorgangskenmerke van die supergeleider van supergeleidende na normale toestand (S/N) te gebruik, en sluit outomaties die stroombeperkende weerstand in wanneer 'n fout gedetekteer word, sonder dat addisionele foutdeteksie-meganismes nodig is. Echter, die byvoeging van die resistiewe supergeleidende foutbeperkende toestel verhoog algehele bedryfskoste en verleng die hersteltyd van quench, wat die koördinering met stelselheropening-operasies kompliseer.
2 Brugtipe Nie-Supergeleidend Foutstroombeperker
2.1 Vaste-Staat Stroombeperker
In die afgelope jare het snelle vooruitskoots in elektrontechnologie en hoekapas vermagssemiconductor-toestelle—soos SCR, GTO, GTR, en IGBT—met hul wye toepassing in praktiese stelsels, foutstroombeperkers wat bestaan uit induktors, weerstande, kondensators, en elektroniese komponente 'n navorsingswarmtepunt gemaak. Die nie-supergeleidende brugtipe foutstroombeperker is gebou uit konvensionele komponente, wat komplekse supergeleidende tegnologie vermy, en bied voordele van hoë betroubaarheid en goeie koste-effektiwiteit.
Figuur 5 wys die skematiese diagram van 'n ideale enkelefase brugtipe stroombeperker, wat bestaan uit 'n enkelefase brugsirkel en 'n stroombeperkende induktor L. Onder normale bedryfsomstandighede word kontinue triggerysbolletjies toegepas op die vier thyristors. Na 'n kort magnetiseringproses bereik die stroom in die induktor die piekwaarde van die belastingstroom. Wanneer die spanningsval oor thyristors T₁ tot T₄ genegeer word, vertoon die beperker geen buite impedansie nie.
Indien 'n kortsluitfout voorkom tydens die positiewe halfronde van die bronspanning, word T₃ gedwing om af te sluit, wat die stroombeperkende induktor in die sirkel insluit om die foutstroom te beperk. Deur die waarde van induktor L behoorlik in te stel, kan die kortsluitstroom beperk word tot enige gewense vlak. Bovendien het hierdie beperker die vermoë om die kortsluitstroom onmiddellik te onderbreek. Echter, as gevolg van die gebruik van vier beheerbare skakelaars, is die beheerlogika vir onmiddellijke onderbreking relatief kompleks. Tydens stroombeperking word beduidende harmoniese gegenereer; hierdie kan effektief geminder word deur omweginduktors parallels met die brugarme te verbind.
2.2 Semi-Beheerde Brug Kortsluit Foutstroombeperker
Figuur 6 illustreer die topologie van 'n enkelefase kortsluit foutstroombeperker gebaseer op 'n semi-beheerde brug en self-afsluitende toestelle. Hierdie stelsel bestaan uit diodes D₁ tot D₄, self-afsluitende toestelle T₁ en T₂, 'n supergeleidende induktor L, 'n stroombeperkende induktor Llim, en 'n ZnO oorspanningsabsorber, met us die AC-bronspanning voorstellend en CB as die lynsirkelbreker.
Onder normale bedryfsomstandighede word die twee self-afsluitende toestelle T₁ en T₂ kontinu getrig. By die eerste opstart neem die stroom in die supergeleidende induktor geleidelik toe tot die piekwaarde van die lynstroom onder die invloed van die spanningsbron. Eenmaal die belasting stabiliseer, bly iL konstant. Wanneer die voorwaartse spanningsval oor diodes D₁ tot D₄ en self-afsluitende toestelle T₁ en T₂ genegeer word, is die spanning oor die brug nul, en die spanning oor die stroombeperkende induktor Llim is ook nul. Gevolglik vertoon die stroombeperker geen buite impedansie en het geen impak op die stelsel nie.
Wanneer 'n kortsluitfout in die stelsel voorkom, neem die stroom iL in die supergeleidende induktor toe. Wanneer die kortsluitfout gedetekteer word, word T₁ en T₂ onmiddellik afgesluit, waardoor die brug die operasie verlaat. Die kortsluitstroom verplaas dan na die omwegstroombeperkende induktor Llim, terwyl die stroom in die supergeleidende induktor voortgaan om deur diodes D₁ en D₄ te vloei totdat dit nul wegneem. Figuur 7 wys die stasionêre en fouttoestand stroom- en spanningskurwes van 'n enkelefase kortsluit foutstroombeperker gebaseer op 'n semi-beheerde brug.
Die stelsel begin op t=0.02 sekondes en bereik 'n stasionêre toestand binne een siklus. 'n Kortsluitfout voorkom by t=0.1 sekondes, en T₁ word binne 'n kwart siklus na deteksie van die fout afgesluit. Die sirkelparameters wat vir die simulasie gebruik is, is as volg: die piekfasebronspanning is 100V/50Hz; die piekgerateerde belastingstroom is 10A; die belastingspanning is 10Ω; die supergeleidende DC-induktor L is 10mH; die voorwaartse spanningsval oor die diodes en beheerbare skakelaars is 0.8V; en die stroombeperkende induktor Llim is 10mH.
Een van die primêre doelwitte van die gebruik van supergeleidende foutstroombeperkers (SFCLs) in kragstelsels is om foutstrome te beperk sodat hulle nie die onmiddellijke onderbreekkapasiteit van lynsirkelbrekers oorskry nie. In analise word die foutstroomverminderingratio D (0<D<1) algemeen gebruik om die persentasievermindering in die piekfoutstroom voor te stel, en die uitdrukking vir D is:
is die piekinrushstroom tydens 'n kortsluitsonder SFCL, en sy waarde is verwant aan die stelsel se ekwivalente X/R-verhouding.
In Vergelyking (7), Ip dui op die amplitude van die periodieke komponent van die kortsluitstroom, en Ta is die tydskonstante. ilim voorstel die piekwaarde van die beperkte kortsluitstroom, wat afhang van die grootte van die stroombeperkende induktor Llim. Deur die waarde van Llim behoorlik te kies, kan die gewense persentasievermindering in die piekfoutstroom bereik word. Simulasies is uitgevoer met Llim ingestel op 10 mH, 15 mH, en 20 mH, en die resultate word in Figuur 8 getoon. Dit kan waargeneem word dat 'n groter Llim beter stroombeperkingsprestasie gee, maar dit lei ook tot hoër bedryfskoste.
2.3 Verbetering van die Semi-Beheerde Brug Kortsluit Foutstroombeperker
In die konfigurasie getoon in Figuur 6, word T₁ en T₂ kontinu getrig onder normale bedryfsomstandighede. Eenmaal 'n kortsluitfout gedetekteer word, sluit die beheersirkel beide T₁ en T₂ af. Deur 'n enkele beheerbare skakelaar T in die gemeenskaplike pad van die brug te plaas om T₁ en T₂ te vervang, kan soortgelyke stroombeperkingsdoeltreffendheid bereik word. Hierdie aanpassing verminder die aantal beheerbare skakelaarkomponente, verlaag koste, en vereenvoudig die sirkelkompleksiteit. Die skematiese diagram word in Figuur 9 getoon.
3 Gevolgtrekking
Hierdie artikel stel verskeie tipes brugtipe kortsluit stroombeperkers voor. Deur 'n konvensionele supergeleidende brugtipe foutstroombeperker met 'n resistiewe supergeleidende foutstroombeperker te kaskadeer, kan sowel die piek- as die stasionêre waardes van kortsluitstrome effektief beperk word. Bovendien, deur die S/N (supergeleidende-na-normale) oorgangskenmerke van supergeleidende materiaal te gebruik, integreer die stelsel foutdeteksie, triggering, en stroombeperking in 'n enkele eenheid, wat 'n vinnige reaksie en hoë betroubaarheid bied.
In die afgelope jare, met die vinnige ontwikkeling en praktiese toepassing van elektrontechnologie en hoekapas elektroniese toestelle, het nie-supergeleidende brugtipe kortsluit stroombeperkers—bestaande uit konvensionele elek