1 محدد التيار الفائق للعطل من نوع الجسر
1.1 البنية ومبادئ العمل لمحدد التيار الفائق للعطل من نوع الجسر
يوضح الشكل 1 مخطط الدائرة الأحادية الطور لمحدد التيار الفائق للعطل من نوع الجسر، والذي يتكون من أربعة دايودات D₁ إلى D₄، مصدر تغذية كهربائية مستمرة V_b، ولفة فائقة التوصيل L. يتم ربط قاطع دارة CB بالتوازي مع المحدد لقطع التيار العابر بعد أن يتم تحديده. يوفر مصدر التغذية V_b تياراً ابتدائياً i_b للفة الفائقة التوصيل L. يتم ضبط جهد V_b بحيث يكون كافياً للتغلب على الهبوط الجهد الأمامي للزوجين من الدايودات (D₁ و D₃، أو D₂ و D₄)، مما ينشأ تيار ابتدائي i₀. يتم ضبط قيمة i₀ لتكون أكبر من القيمة القصوى للتيار الخطي i_max، مع مراعاة ظروف الحمل الزائد.
وبالتالي، في الظروف الطبيعية، يظل الجسر من الدايودات متصلًا بشكل مستمر، ولا يظهر محدد التيار الفائق أي مقاومة للتيار الخطي i، مع إهمال الهبوط الجهد الأمامي الصغير عبر الجسر. بفرض أن التيارات التي تمر عبر الدايودات D₁ إلى D₄ هي iD1 إلى iD4 على التوالي، فإن التيار الخطي هو:
ويتم الحصول عليها وفقًا لقانون كيرشوف للتيارات (KCL):
عند حدوث عطل قصير الدائرة في الخط، يرتفع التيار الخطي بسرعة إلى i₀. خلال نصف الدورة الإيجابية والسالبة، يصبح زوج من الدايودات معاكس القطبية ويقوم بإيقاف التشغيل، مما يؤدي إلى إدخال اللفة L تلقائيًا في الدائرة. وبالتالي يتم تحديد التيار القصير الدائرة بواسطة التفاعل الاستقرائي لللفة.
عن طريق ضبط التيار الحرجة للفة الفائقة التوصيل بشكل صحيح، تظل اللفة في حالة التوصيل الفائق أثناء العطل، مما يتجنب آثار وقت الاستجابة والتعافي من الانطفاء. ومع ذلك، مع استمرار العطل، يستمر التيار عبر اللولب الفائق التوصيل في الارتفاع، حتى يصل في النهاية إلى قيمة التيار القصير الدائرة الثابتة التي كانت موجودة بدون المحدد. لذا يجب قطع مصدر العطل بواسطة قاطع دارة في الوقت المحدد. وبشكل مبسط، يُفترض أن يحدث العطل القصير الدائرة عند اللحظة التي يمر فيها جهد المصدر بالصفر (t = t₀). وفقًا لقانون كيرشوف للجهد (KVL)، يتم الحصول على المعادلة التالية:
الحالة الأولية I0، حل هذه المعادلة التفاضلية يعطي:
يوضح الشكل 2 موجات التيار في اللولب والخط أثناء التشغيل الطبيعي وبعد حدوث العطل، حيث يتم بدء العطل عند t = 0.1 ثانية. تشير نتائج المحاكاة إلى أن التيار القصير الدائرة يرتفع ببطء بسبب تأثير تحديد التيار لللولب الفائق التوصيل. عملية تحديد التيار هي أساساً تغناطيس اللولب الفائق التوصيل. بمجرد استقرار تيار العطل، يتوقف المحدد عن العمل. لذلك، يجب قطع العطل بواسطة قاطع الدائرة قبل أن يصل التيار القصير الدائرة إلى قيمته الثابتة. في الشكل، يتم قطع العطل بواسطة قاطع الدائرة عند t = 0.2 ثانية.
1.2 تحسين بنية محدد التيار الفائق للعطل من نوع الجسر
محدد التيار الفائق للعطل من نوع الجسر التقليدي يمكنه فقط تقليل معدل ارتفاع التيارات القصيرة الدائرة ولكنه غير فعال في السيطرة على قيمها الثابتة. لتحديد القيمة الثابتة للتيارات القصيرة الدائرة، يتم الجمع بين خصائص المقاومة الصفرية في الحالة الفائقة للموصل والتزايد السريع للمقاومة أثناء انطفاء الموصل الفائق. يتم تحقيق هذا من خلال دمج محددات التيار الفائقة المقاومة مع محددات التيار الفائقة من نوع الجسر. يوضح الشكل 3 مخطط هذا النهج الهجين.
في الظروف التشغيلية الطبيعية، يكون المفتاح K مفتوحًا، وبالتالي لا يظهر محدد التيار الفائق المقاوم أي مقاومة خارجية، مما يسمح للتيار i_L بالمرور عبره دون مقاومة. عند حدوث عطل، يقدم محدد التيار الفائق المقاوم مقاومة عالية ويعمل بالتزامن مع اللولب الفائق التوصيل لتقليل تيار العطل. بعد تلاشي العطل، يتم إغلاق المفتاح K؛ وفي هذه المرحلة، بسبب مقاومته العالية، يتم قصر محدد التيار الفائق المقاوم ويستعيد حالتة الفائقة بسرعة.
نظرًا لأن المفتاح K له مقاومة في حالة التشغيل، سيتم قصره بواسطة محدد التيار الفائق المقاوم المسترد، مما يجعل المحدد الهجين من نوع الجسر يبدو كمقاومة خارجية منخفضة. في هذه اللحظة، يتم إنهاء عملية تحديد التيار عن طريق فتح K. لتعزيز قدرة محدد التيار الفائق المقاوم، يتم استخدام التوصيل المتسلسل والمتوازي لوحدات محدد التيار الفائق المقاوم لتحسين تصنيفات الجهد والتيار للجهاز. يوضح الشكل 4 مخطط الدائرة لمحدد التيار الفائق المقاوم، حيث تمثل R₁ إلى R₆ مقاومات فائقة التوصيل، وتعمل R كمقاوم تجاوز يمكنه تشجيع انطفاء متزامن لاثنين من الموصلات الفائقة في نفس الفرع المتسلسل أثناء حدوث عطل قصير الدائرة.
دور المحول بين الطور هو ضمان أن iL1 = iL2 = iL3، بحيث يمكن لوحدات محدد التيار الفائق التوصيل عبر الفروع المتوازية أن تنطفئ بشكل متزامن بعد حدوث عطل قصير الدائرة. يعمل محدد التيار الفائق للعطل الهجين من نوع الجسر على تحديد القيمة الثابتة للتيارات القصيرة الدائرة عن طريق استخدام خصائص انتقال الموصل الفائق من الحالة الفائقة إلى الحالة العادية (S/N)، وتشغيل مقاومة تحديد التيار تلقائيًا عند اكتشاف العطل دون الحاجة إلى آليات اكتشاف العطل الإضافية. ومع ذلك، فإن إضافة محدد التيار الفائق المقاوم يزيد من تكاليف التشغيل العامة ويطول وقت التعافي من الانطفاء، مما يعقد التنسيق مع عمليات إعادة الغلق في النظام.
2 محدد التيار غير الفائق من نوع الجسر
2.1 محدد التيار الصلب
في السنوات الأخيرة، ساهم التقدم السريع في تقنية الإلكترونيات الكهربائية وأجهزة الإلكترونية الكهربائية ذات السعة العالية مثل SCR و GTO و GTR و IGBT، بالإضافة إلى تطبيقها الواسع في الأنظمة العملية، في جعل محددات التيار المكونة من المكثفات والمكثفات والمكثفات ومكونات الإلكترونيات الكهربائية نقطة ساخنة للبحث. يتم بناء محدد التيار غير الفائق من نوع الجسر من المكونات التقليدية، مما يتجنب التكنولوجيا الفائقة المعقدة، ويوفر مزايا عالية من حيث الموثوقية وتوفير التكاليف.
يوضح الشكل 5 مخطط الدائرة المثالي لمحدد التيار الأحادي الطور من نوع الجسر، والذي يتكون من دائرة جسر أحادية الطور ومكثف تحديد التيار L. تحت الظروف التشغيلية الطبيعية، يتم تطبيق نبضات تشغيل مستمرة على الأربعة ترايسترونات. بعد عملية تغناطيس قصيرة، يصل التيار في المكثف إلى القيمة القصوى لتيار الحمل. عندما يتم تجاهل الهبوط الجهد عبر الترايسترونات T₁ إلى T₄، لا يظهر المحدد أي مقاومة خارجية.
إذا حدث عطل قصير الدائرة خلال نصف الدورة الإيجابية لجهد التغذية، يتم إجبار T₃ على الإغلاق، مما يدخل المكثف المحدد للتيار في الدائرة لمنع تيار العطل. من خلال ضبط قيمة المكثف L بشكل صحيح، يمكن تقييد تيار القصر إلى أي مستوى مطلوب. بالإضافة إلى ذلك، يتمتع هذا المحدد بقدرة على قطع تيار القصر فوراً. ومع ذلك، بسبب استخدام أربعة مفاتيح قابلة للتحكم، تكون منطقية التحكم في القطع الفوري أكثر تعقيدًا. أثناء تحديد تيار العطل، يتم إنتاج توافقيات كبيرة يمكن تخفيفها بشكل فعال عن طريق توصيل مكثفات تجاوز بالتوازي عبر ذراعي الجسر.
2.2 محدد التيار القصير الدائرة شبه المتحكم به من نوع الجسر
يوضح الشكل 6 طوبولوجياً لمحدد التيار القصير الدائرة الأحادي الطور المستند إلى جسر شبه متحكم به وأجهزة ذات قطع ذاتي. يتكون هذا النظام من الدايودات D₁ إلى D₄، والأجهزة ذات القطع الذاتي T₁ و T₂، واللولب الفائق التوصيل L، ومحدد التيار Llim، وممتص الجهد الزائد ZnO، مع us كمصدر للطاقة المتناوبة و CB كقاطع دارة الخط.
تحت الظروف التشغيلية الطبيعية، يتم تشغيل الأجهزة ذات القطع الذاتي T₁ و T₂ باستمرار. عند بدء التشغيل الأولي، يزداد التيار في اللولب الفائق التوصيل تدريجياً إلى القيمة القصوى لتيار الخط تحت تأثير مصدر الجهد. بمجرد استقرار الحمل، يبقى iL ثابتاً. مع إهمال الهبوط الجهد الأمامي عبر الدايودات D₁ إلى D₄ والأجهزة ذات القطع الذاتي T₁ و T₂، يكون الجهد عبر الجسر صفرًا، وكذلك الجهد عبر محدد التيار Llim. وبالتالي، لا يظهر محدد التيار أي مقاومة خارجية وليس له تأثير على النظام.
عند حدوث عطل قصير الدائرة في النظام، يزداد التيار iL في اللولب الفائق التوصيل. عند اكتشاف العطل القصير الدائرة، يتم إيقاف T₁ و T₂ على الفور، مما يؤدي إلى خروج الجسر من التشغيل. ثم ينتقل التيار القصير الدائرة إلى محدد التيار الاحتياطي Llim، بينما يستمر التيار في اللولب الفائق التوصيل في التدفق عبر الدايودات D₁ و D₄ حتى ينخفض إلى الصفر. يوضح الشكل 7 منحنيات التيار والجهد الثابتة والحالة العطلية لمحدد التيار القصير الدائرة الأحادي الطور المستند إلى الجسر شبه المتحكم به.
يبدأ النظام بالتشغيل عند t=0.02 ثانية ويصل إلى حالة ثابتة خلال دورة واحدة. يحدث عطل قصير الدائرة عند t=0.1 ثانية، ويتم إيقاف T₁ خلال ربع دورة بعد اكتشاف العطل. المعلمات المستخدمة في المحاكاة هي كما يلي: الجهد القصوى للطور للمصدر هي 100V/50Hz؛ التيار القصوى للحمل المقنن هو 10A؛ مقاومة الحمل هي 10Ω؛ اللولب الفائق التوصيل DC L هو 10mH؛ الهبوط الجهد الأمامي عبر الدايودات والمفاتيح القابلة للتحكم هو 0.8V؛ ومحدد التيار Llim هو 10mH.
من بين الأهداف الرئيسية لاستخدام محددات التيار الفائقة للعطل (SFCLs) في الأنظمة الكهربائية هي تقييد تيارات العطل بحيث لا تتجاوز قدرة القطع الفورية لقواطع الدائرة الخطية. في التحليل، يتم استخدام نسبة تقليل تيار العطل D (0<D<1) للتعبير عن نسبة التقليل المئوية لتيار العطل القصوى، والتعبير عن D هو:
هو التيار القصوى للدفع أثناء القصر بدون تركيب SFCL، وقيمته مرتبطة بنسبة X/R المكافئة لنظام.
في المعادلة (7)، Ip يشير إلى سعة المكون الدوري لتيار القصر، وTa هو الثابت الزمني. ilim يشير إلى القيمة القصوى لتيار القصر المحدد، والتي تعتمد على حجم محدد التيار Llim. من خلال اختيار قيمة Llim بشكل صحيح، يمكن تحقيق نسبة التقليل المطلوبة لتيار القصر القصوى. تم إجراء محاكاة باستخدام Llim بقيم 10 mH و 15 mH و 20 mH، والنتائج موضحة في الشكل 8. يمكن ملاحظة أن قيمة Llim الأكبر توفر أداءً أفضل في تحديد التيار، ولكنها تؤدي أيضًا إلى زيادة تكاليف التشغيل.
2.3 تحسين محدد التيار القصير الدائرة شبه المتحكم به من نوع الجسر
في التكوين الموضح في الشكل 6، يتم تشغيل T₁ و T₂ باستمرار تحت الظروف التشغيلية الطبيعية. بمجرد اكتشاف عطل قصير الدائرة، يقوم دائر التحكم بإيقاف T₁ و T₂. من خلال وضع مفتاح قابل للتحكم واحد T في المسار المشترك للجسر كبديل لـ T₁ و T₂، يمكن تحقيق فعالية مماثلة في تحديد التيار. هذا التعديل يقلل من عدد مكونات المفاتيح القابلة للتحكم، ويقلل من التكاليف، ويimplify الدائرة. يوضح الشكل 9 مخطط الدائرة.
3 الخلاصة
يقدم هذا البحث عدة أنواع من محددات التيار القصيرة الدائرة من نوع الجسر. من خلال توصيل محدد التيار الفائق التقليدي من نوع الجسر بمحدد التيار الفائق المقاوم، يمكن تقييد القيم القصوى والثابتة لتيارات القصر بكفاءة. بالإضافة إلى ذلك، من خلال استخدام خصائص الانتقال من الحالة الفائقة إلى الحالة العادية للموصلات الفائقة، يتم دمج اكتشاف العطل والتشغيل وتحديد التيار في وحدة واحدة، مما يوفر استجابة سريعة ومعتمدة.
في السنوات الأخيرة، مع التطور السريع وتطبيق تقنية الإلكترونيات الكهربائية وأجهزة الإلكترونيات الكهربائية ذات السعة العالية، اكتسبت محددات التيار القصيرة الدائرة غير الفائقة من نوع الجسر مزايا في الموثوقية وتوفير التكاليف بسبب عدم وجود تكنولوجيا فائقة معقدة. تؤكد نتائج المحاكاة أن كلا النوعين من محددات التيار حققت أداءً ممتازًا في تحديد التيار، مما يؤكد جدوى الأساليب المقترحة لتحديد التيار.