1 Brotype superkonduktørfejlstrøm begrænser
1.1 Struktur og arbejdsmåde af brotypen SFCL
Figur 1 viser den enefasede kredsløbsdiagram for brotypen SFCL, som består af fire dioder D₁ til D₄, en DC-bias strømkilde V_b, og en superkonduktørspole L. En kredsløbsbryder CB er forbundet i serie med begrænseren for at afbryde fejlstrømmen, efter den er blevet begrænset. Biaskilden V_b leverer en biasstrøm i_b til superkonduktørspolen L. Spændingen på V_b er sat højt nok til at overkomme den fremadrettede spændningsfald for diodepar (D₁ og D₃, eller D₂ og D₄), hvilket etablerer en biasstrøm i₀. Værdien af i₀ er sat højere end topværdien af linjestrømmen i_max, med tilladelse for overbelastningsforhold.
Derfor, under normale forhold, bliver diodebroen ved med at føre, og SFCL viser ingen impedans mod linjestrømmen i, hvis man ignorerer den mindre fremadrettede spændningsfald over broen. Antag at de strømme, der passererer gennem dioderne D₁ til D₄ under normale driftsforhold, er iD1 til iD4 henholdsvis, da er linjestrømmen:
Det er opnået ifølge Kirchhoffs Strømlaw (KCL):
Når der opstår en kortslutningsfejl på linjen, stiger linjestrømmen hurtigt til i₀. Under de positive og negative halvcykler bliver et par dioder reverse-biased og slukkes, hvilket automatisk indfører spolen L i kredsløbet. Den kortslutningsstrøm begrænses dermed af induktiv reaktance af spolen.
Ved at sætte den kritiske strøm af superkonduktørspolen passende, forbliver spolen i superkonduktørtilstanden under fejlen, undgår effekten af respons tid og genoprettelse fra kvælning. Men, da fejlen fortsætter, fortsætter strømmen igennem superkonduktørinduktoren med at stige, og nærmer sig til sidst den stabile kortslutningsstrøm værdi, som ville være uden begrænseren. Derfor skal fejlkilden afbrydes af en kredsløbsbryder inden for en angivet tid. For simpelhed skyld antages det, at kortslutningsfejlen opstår i det øjeblik, hvor kildevoltaget passerer nul (t = t₀). Ifølge Kirchhoffs Spændingslov (KVL) opnås følgende ligning:
Initial betingelse I0, løsningen af denne differentialligning giver:
Figur 2 viser bølgeformerne for induktorstrømmen og linjestrømmen under normal drift og efter, at en fejl er opstået, med fejlen startet ved t = 0.1 s. Simuleringsresultaterne indikerer, at kortslutningsstrømmen stiger langsomt på grund af strømbegrænsningseffekten af superkonduktørinduktoren. Strømbegrænsningsprocessen er i virkeligheden magnetiseringen af superkonduktørinduktoren. Når fejlstrømmen stabiliseres, ophører begrænseren med at være effektiv. Derfor skal fejlen afbrydes af kredsløbsbryderen, før kortslutningsstrømmen når sin stabile værdi. I figuren afbrydes fejlen af kredsløbsbryderen ved t = 0.2 s.
1.2 Strukturel forbedring af brotype superkonduktørfejlstrøm begrænser
En konventionel brotype superkonduktørfejlstrøm begrænser (SFCL) kan kun dæmpe hastigheden, hvormed kortslutningsstrømme stiger, men er ineffektiv i kontrol af deres stabile værdier. For at begrænse den stabile værdi af kortslutningsstrømme kombinerer en hybrid SFCL egenskaberne af nul resistens i superkonduktørtilstand og hurtig stigning i resistens under kvælning af superledere. Dette opnås ved at integrere resistive superkonduktørfejlstrøm begrænsere med brotype SFCL'er. Skematisk diagram af denne hybridmetode vises i figur 3.
Under normale driftsforhold er skifter K åben, så den resistive SFCL ikke viser nogen ekstern impedans, hvilket tillader, at strømmen i_L passerer gennem den uden resistens. Når en fejl opstår, præsenterer den resistive SFCL umiddelbart høj impedans og arbejder i række med superkonduktørinduktoren for at fælles begrænse fejlstrømmen. Efter, at fejlen er ryddet, lukkes skifter K; i dette øjeblik vil den resistive SFCL på grund af sin egen høje impedans blive kortsluttet og hurtigt returnere til superkonduktørtilstanden.
Da skifter K har on-state resistens, vil den blive kortsluttet af den genoprettede resistive SFCL, hvilket gør, at hele den hybride brotype begrænser ser ud som lav impedans eksternt. I dette øjeblik konkluderer åbningen af K hele strømbegrænsningsprocessen. For at forbedre kapaciteten af den resistive SFCL anvendes typisk serie- og parallelforbindelser af resistive SFCL-enheder for at forbedre spændings- og strømklasse af enheden. Figur 4 viser kredsløbsdiagrammet for den resistive superkonduktørgrænser, hvor R₁ til R₆ repræsenterer superkonduktørresistorer, og R fungerer som en bypass resistor, der kan stimulere samtidig kvælning af to superledere i samme seriebranch under en kortslutningsfejl.
Rollen for inter-phase koblingstransformator er at sikre, at iL1 = iL2 = iL3, så SFCL-enheder over forskellige parallelbrancher kan samtidig kvæles, når en kortslutningsfejl opstår. Den hybride brotype SFCL begrænser effektivt den stabile værdi af kortslutningsstrømme ved at bruge superledernes overgangsegenskaber fra superkonduktør til normal tilstand (S/N), automatiske aktivering af strømbegrænsningsresistor ved fejlregistrering uden behov for yderligere fejlregistreringsmekanismer. Dog øger tilføjelsen af den resistive superkonduktørfejlgrænser enhed den samlede driftsomkostning og forlænger genoprettelsestiden fra kvælning, hvilket komplicerer koordinering med systemets genstart.
2 Brotype ikke-superkonduktørfejlstrøm begrænser
2.1 Fast-strøm begrænser
I de seneste år har hurtige fremskridt inden for effekt elektronikteknologi og højkapacitets effektelektroniske komponenter - som SCR, GTO, GTR og IGBT - sammen med deres udbredte anvendelse i praktiske systemer, gjort fejlstrøm begrænsere sammensat af induktorer, resistorer, kondensatorer og effektelektroniske komponenter til et forskningsområde. Den ikke-superkonduktør brotype fejlstrøm begrænser er bygget af konventionelle komponenter, undgår kompleks superkonduktør teknologi, og tilbyder fordele som høj pålidelighed og god kostnadseffektivitet.
Figur 5 viser skematisk diagram for en ideal enefasede brotype strømbegrænser, bestående af en enefasede brokreds og en strømbegrænsende induktor L. Under normal drift anvendes kontinuerlige triggerimpulser på de fire thyristorer. Efter en kort magnetiseringsproces når strømmen i induktoren toppunktet af belastningsstrømmen. Når spændingsfaldet over thyristorer T₁ til T₄ ignoreres, viser begrænseren ingen ekstern impedans.
Hvis en kortslutningsfejl opstår under den positive halvcyklus af kildevoltaget, tvunges T₃ til at slukke, hvilket indfører strømbegrænsende induktoren i kredsløbet for at begrænse fejlstrømmen. Ved at sætte værdien af induktoren L passende, kan kortslutningsstrømmen begrænses til enhver ønsket niveau. Desuden har denne begrænser evnen til øjeblikkelig afbrydelse af kortslutningsstrømmen. På grund af brugen af fire kontrollerbare skifter er kontrollogikken for øjeblikkelig afbrydelse relativt kompleks. Under strømbegrænsning genereres betydelige harmoniske, som kan effektivt mildnes ved at forbinde bypass-induktorer parallelt over broarmene.
2.2 Halvkontrolleret bro kortslutningsfejlstrøm begrænser
Figur 6 illustrerer topologien af en enefasede kortslutningsfejlstrøm begrænser baseret på en halvkontrolleret bro og selvafslukkende enheder. Dette system omfatter dioder D₁ til D₄, selvafslukkende enheder T₁ og T₂, en superkonduktørinduktor L, en strømbegrænsende induktor Llim, og en ZnO overspændingsabsorber, med us repræsentation af AC-kildevoltaget og CB som linjens kredsløbsbryder.
Under normale driftsforhold er de to selvafslukkende enheder T₁ og T₂ kontinuerligt aktiverede. Ved initial opstart stiger strømmen i superkonduktørinduktoren gradvist til toppunktet af linjestrømmen under indflydelse af spændingskilden. Når belastningen stabiliseres, forbliver iL konstant. Ignorerer man de fremadrettede spændingsfald over dioder D₁ til D₄ og selvafslukkende enheder T₁ og T₂, er spændingen over broen nul, og spændingen over strømbegrænsende induktor Llim er også nul. Derfor viser strømbegrænseren ingen ekstern impedans og har ingen indflydelse på systemet.
Når en kortslutningsfejl opstår i systemet, stiger strømmen iL i superkonduktørinduktoren. Når kortslutningsfejlen registreres, slukkes T₁ og T₂ øjeblikkeligt, hvilket får broen til at slutte med at fungere. Kortslutningsstrømmen overføres derefter til bypass-strømbegrænsende induktor Llim, mens strømmen i superkonduktørinduktoren fortsætter med at flyde gennem dioder D₁ og D₄, indtil den aftager til nul. Figur 7 viser de stabile og fejltilstande strøm- og spændingskurver for en enefasede kortslutningsfejlstrøm begrænser baseret på en halvkontrolleret bro.
Systemet starter op ved t=0.02 sekunder og når stabil tilstand inden for en cyklus. En kortslutningsfejl opstår ved t=0.1 sekunder, og T₁ slukkes inden for en kvartcyklus efter, at fejlen er registreret. De kredsløbsparametre, der anvendes til simuleringen, er følgende: toppunktet for fasevoltaget af strømforsyningen er 100V/50Hz; toppunktet for den nominerede belastningsstrøm er 10A; belastningsmodstanden er 10Ω; superkonduktør DC-induktor L er 10mH; det fremadrettede spændingsfald over dioderne og kontrollerbare skifter er 0.8V; og strømbegrænsende induktor Llim er 10mH.
Et af de primære formål med at anvende superkonduktørfejlstrøm begrænsere (SFCL'er) i strømsystemer er at begrænse fejlstrømme, så de ikke overstiger den øjeblikkelige afbrydelseskapacitet af linjens kredsløbsbrydere. I analyse anvendes ofte fejlstrøm reduktionsforholdet D (0<D<1) til at repræsentere procentdelshævelsen i toppunktet af fejlstrøm, og udtrykket for D er:
er toppunktet af inrush strømmen under kortslutning uden SFCL installeret, og dens værdi er relateret til systemets equivalente X/R forhold.
I ligning (7) betegner Ip amplituden af den periodiske komponent af kortslutningsstrømmen, og Ta er tidskonstanten. ilim repræsenterer toppunktet af den begrænsede kortslutningsstrøm, som afhænger af størrelsen af strømbegrænsende induktor Llim. Ved passende valg af værdien af Llim, kan det ønskede procentdelshævelse i toppunktet af fejlstrøm opnås. Simulationer blev gennemført med Llim sat til 10 mH, 15 mH, og 20 mH, og resultaterne vises i figur 8. Det kan ses, at en større Llim giver bedre strømbegrænsningsevne, men også fører til højere driftsomkostninger.
2.3 Forbedring af halvkontrolleret bro kortslutningsfejlstrøm begrænser
I konfigurationen vist i figur 6 er T₁ og T₂ kontinuerligt aktiverede under normale driftsforhold. Når en kortslutningsfejl registreres, slukker kontrolcirklen både T₁ og T₂. Ved at placere en enkelt kontrollerbar skifter T i den fælles vej for broen for at erstatte T₁ og T₂, kan en lignende strømbegrænsningsevne opnås. Denne ændring reducerer antallet af kontrollerbare skifterkomponenter, nedbringer omkostninger og forenkler kredsløbskompleksiteten. Skematisk diagram vises i figur 9.
3 Konklusion
Denne artikel præsenterer flere typer brotype kortslutningsstrøm begrænsere. Ved at koble en konventionel superkonduktør brotype fejlstrøm begrænser sammen med en resistiv superkonduktørfejlstrøm begrænser, kan både toppunktet og den stabile værdi af kortslutningsstrømme effektivt begrænses. Desuden benytter systemet S/N (superkonduktør til normal) overgangsegenskaberne af superkonduktør materialer, integrerer fejlregistrering, udløsning og strømbegrænsning i én enhed, der tilbyder hurtig respons og høj pålidelighed.
I de seneste år, med hurtig udvikling og praktisk anvendelse af effekt elektronikteknologi og højkapacitets effektelektroniske komponenter, har ikke-superkonduktør brotype kortslutningsstrøm begrænsere - bestående af konventionelle effektelektroniske skifter og induktorer - fået fordele i pålidelighed og kostnadseffektivitet pga. fraværet af kompleks superkonduktør teknologi. Simuleringsresultater