1 Περιοριστής Σφαλμάτων Υπερηγμού Τύπου Γέφυρας
1.1 Δομή και Λειτουργία του Περιοριστή Σφαλμάτων Υπερηγμού Τύπου Γέφυρας
Η Σχήμα 1 δείχνει το μονοφασικό σχήμα περιοριστή σφαλμάτων υπερηγμού τύπου γέφυρας, το οποίο αποτελείται από τέσσερις διόδους D₁ μέχρι D₄, μια πηγή επικίνδυνης τάσης V_b και έναν υπερηγμού στροφό L. Ένας παρακαμπτής CB είναι συνδεδεμένος σε σειρά με τον περιοριστή για να διακόψει το ρεύμα σφάλματος μετά την περιορισμό. Η πηγή επικίνδυνης τάσης V_b παρέχει ένα επικίνδυνο ρεύμα i_b στον υπερηγμού στροφό L. Η τάση της V_b ορίζεται αρκετά υψηλή ώστε να ξεπεράσει την προσωπική πτώση τάσης των ζευγών διόδων (D₁ και D₃, ή D₂ και D₄), εγκαθιστώντας ένα επικίνδυνο ρεύμα i₀. Η τιμή του i₀ ορίζεται μεγαλύτερη από την κορυφαία τιμή του ρεύματος γραμμής i_max, με επιπλέον περιθώριο για συνθήκες υπερφόρτισης.
Επομένως, κατά την κανονική λειτουργία, η γέφυρα διοδών παραμένει συνεχώς σε συνεχή διάκαμψη, και ο περιοριστής SFCL δεν εμφανίζει καμία αντίσταση στο ρεύμα γραμμής i, παραβλέποντας τη μικρή προσωπική πτώση τάσης στη γέφυρα. Υποθέτοντας ότι κατά την κανονική λειτουργία τα ρεύματα που περνούν από τις διόδους D₁ μέχρι D₄ είναι iD1 μέχρι iD4 αντίστοιχα, το ρεύμα γραμμής είναι:
Αυτό προκύπτει βάσει του Νόμου του Kirchhoff για το Ρεύμα (KCL):
Όταν συμβαίνει ένα σφάλμα κατάκορυφης σύνδεσης στη γραμμή, το ρεύμα γραμμής αυξάνεται γρήγορα στο i₀. Κατά την θετική και αρνητική μισή περίοδο, ένα ζευγάρι διόδων γίνεται αντίστροφα επικίνδυνο και απενεργοποιείται, εισάγοντας έτσι αυτόματα τον στροφό L στο περιβάλλον. Ο ρεύματος σφάλματος περιορίζεται έτσι από την εμπεδική αντίδραση του στροφού.
Με την κατάλληλη ρύθμιση του κρίσιμου ρεύματος του υπερηγμού στροφού, ο στροφός παραμένει σε κατάσταση υπερηγμού κατά τη διάρκεια του σφάλματος, αποφεύγοντας τις επιπτώσεις του χρόνου απόκρισης και την αποκατάσταση από την εξάντληση. Ωστόσο, καθώς το σφάλμα συνεχίζεται, το ρεύμα μέσω του υπερηγμού στροφού συνεχίζει να αυξάνεται, τελικά πλησιάζοντας την σταθεροποιημένη τιμή του ρεύματος σφάλματος που θα υπήρχε χωρίς τον περιοριστή. Επομένως, η πηγή σφάλματος πρέπει να διακοπεί εγκαίρως από έναν παρακαμπτή μέσα σε καθορισμένο χρόνο. Για απλότητα, υποθέτεται ότι το σφάλμα κατάκορυφης σύνδεσης συμβαίνει στο ιστάμινο όπου η τάση της πηγής περνά από μηδέν (t = t₀). Βάσει του Νόμου του Kirchhoff για την Τάση (KVL), προκύπτει η παρακάτω εξίσωση:
Αρχική συνθήκη I0, λύνοντας αυτή τη διαφορική εξίσωση προκύπτει:
Η Σχήμα 2 δείχνει τα σχήματα του ρεύματος στροφού και του ρεύματος γραμμής κατά την κανονική λειτουργία και μετά την εμφάνιση ενός σφάλματος, με το σφάλμα να ξεκινά στο t = 0.1 s. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης δείχνουν ότι το ρεύμα σφάλματος αυξάνεται αργά λόγω της περιοριστικής επίδρασης του υπερηγμού στροφού. Ο περιοριστικός διαδικαστής είναι ουσιαστικά η μαγνητοποίηση του υπερηγμού στροφού. Όταν το ρεύμα σφάλματος σταθεροποιείται, ο περιοριστής παύει να είναι αποτελεσματικός. Επομένως, το σφάλμα πρέπει να διακοπεί από τον παρακαμπτή πριν το ρεύμα σφάλματος φθάσει στη σταθεροποιημένη τιμή. Στη σχήμα, το σφάλμα διακόπτεται από τον παρακαμπτή στο t = 0.2 s.
1.2 Δομική Βελτίωση των Περιοριστών Σφαλμάτων Υπερηγμού Τύπου Γέφυρας
Ένας συμβατικός περιοριστής σφαλμάτων υπερηγμού τύπου γέφυρας (SFCL) μπορεί μόνο να περιορίσει το ρυθμό αύξησης των ρευμάτων σφαλμάτων, αλλά δεν είναι αποτελεσματικός στον έλεγχο των σταθεροποιημένων τιμών. Για να περιορίσει τη σταθεροποιημένη τιμή των ρευμάτων σφαλμάτων, ένας υβριδικός SFCL συνδυάζει τα χαρακτηριστικά της μηδενικής αντίστασης στην κατάσταση υπερηγμού και την ταχεία αύξηση της αντίστασης κατά την εξάντληση των υπερηγμού. Αυτό επιτευχθεί με την ολοκλήρωση των περιοριστών ρευμάτων σφαλμάτων υπερηγμού με τους περιοριστές SFCL τύπου γέφυρας. Το σχεδιαγράμματο αυτής της υβριδικής προσέγγισης είναι δείκνυμε στη Σχήμα 3.
Κατά την κανονική λειτουργία, ο διακόπτης K είναι ανοιχτός, έτσι ο περιοριστής ρευμάτων σφαλμάτων υπερηγμού δεν εμφανίζει καμία εξωτερική αντίσταση, επιτρέποντας στο ρεύμα i_L να περάσει μέσα του χωρίς αντίσταση. Με την εμφάνιση ενός σφάλματος, ο περιοριστής ρευμάτων σφαλμάτων υπερηγμού εμφανίζει αμέσως υψηλή αντίσταση και λειτουργεί σε σειρά με τον υπερηγμού στροφό για να περιορίσει από κοινού το ρεύμα σφάλματος. Μετά την διάκοπη του σφάλματος, ο διακόπτης K κλείνει· σε αυτό το σημείο, λόγω της υψηλής αντίστασης, ο περιοριστής ρευμάτων σφαλμάτων υπερηγμού καταστροφείται και επιστρέφει γρήγορα στην κατάσταση υπερηγμού. Σε αυτό το σημείο, η ανοίγηση του K συμπληρώνει την ολόκληρη διαδικασία περιορισμού. Για να ενισχύσει την ικανότητα του περιοριστή ρευμάτων σφαλμάτων υπερηγμού, συνήθως χρησιμοποιούνται σειριακές και παράλληλες συνδέσεις μονάδων περιοριστών ρευμάτων σφαλμάτων υπερηγμού για να βελτιωθούν οι οροθεσίες τάσης και ρεύματος του συστήματος. Η Σχήμα 4 δείχνει το σχεδιαγράμμα του περιοριστή ρευμάτων σφαλμάτων υπερηγμού, όπου R₁ μέχρι R₆ αντιπροσωπεύουν υπερηγμού αντιστοίχως, και R λειτουργεί ως παρακαμπτικός αντίστατης που μπορεί να προκαλέσει την εξάντληση δύο υπερηγμού στην ίδια σειριακή κλάδο κατά την εμφάνιση ενός σφάλματος κατάκορυφης σύνδεσης.
Η λειτουργία του μεταξύ φάσεων συνδεδεμένου μετατροπέα είναι να εξασφαλίζει ότι iL1 = iL2 = iL3, έτσι ώστε οι μονάδες SFCL σε διαφορετικές παράλληλες κλάδους να εξαντλούνται αυτόματα μετά την εμφάνιση ενός σφάλματος κατάκορυφης σύνδεσης. Ο υβριδικός περιοριστής SFCL τύπου γέφυρας περιορίζει αποτελεσματικά τη σταθεροποιημένη τιμή των ρευμάτων σφαλμάτων, εκμεταλλευόμενος τα χαρακτηριστικά μετάβασης του υπερηγμού από την κατάσταση υπερηγμού στην κανονική (S/N), ενεργοποιώντας αυτόματα τον περιοριστή ρεύματος σε περίπτωση ανίχνευσης σφάλματος, χωρίς να απαιτείται πρόσθετη μηχανική ανίχνευση σφαλμάτων. Ωστόσο, η προσθήκη του περιοριστή ρευμάτων σφαλμάτων υπερηγμού αυξάνει το συνολικό κόστος λειτουργίας και παρατείνει τον χρόνο αποκατάστασης από την εξάντληση, περιπλέκοντας τη συντονισμό με τις επιχειρήσεις επανασύνδεσης του συστήματος.
2 Περιοριστής Ρευμάτων Σφαλμάτων Τύπου Γέφυρας Χωρίς Υπερηγμού
2.1 Σταθερός Περιοριστής Ρεύματος
Τα τελευταία χρόνια, οι ταχύτατες εξελίξεις της τεχνολογίας ενέργειας και των εγκαταστάσεων υψηλής ικανότητας, όπως SCR, GTO, GTR και IGBT, καθώς και η ευρεία εφαρμογή τους σε πρακτικά συστήματα, έχουν καταστήσει τους περιοριστές ρευμάτων σφαλμάτων που αποτελούνται από στροφούς, αντιστάτες, κατακόρυφους και ενεργοποιημένα συστήματα ένεργης εστίασης. Ο περιοριστής ρευμάτων σφαλμάτων τύπου γέφυρας χωρίς υπερηγμού κατασκευάζεται από συμβατικά συστατικά, αποφεύγοντας περίπλοκες τεχνολογίες υπερηγμού, και προσφέρει πλεονεκτήματα υψηλής αξιοπιστίας και καλής οικονομικής αποδοτικότητας.
Η Σχήμα 5 δείχνει το σχεδιαγράμμα ενός ιδεαλικού μονοφασικού περιοριστή ρεύματος τύπου γέφυρας, το οποίο αποτελείται από ένα μονοφασικό σχήμα γέφυρας και έναν περιοριστή ρεύματος στροφό L. Κατά την κανονική λειτουργία, εφαρμόζονται συνεχείς συντελεστές διάκοπης στους τέσσερις thyristors. Μετά από μια σύντομη διαδικασία μαγνητοποίησης, το ρεύμα στον στροφό φθάνει στην κορυφαία τιμή του ρεύματος φορτίου. Όταν η πτώση τάσης στους thyristors T₁ μέχρι T₄ παραβλέπεται, ο περιοριστής δεν εμφανίζει καμία εξωτερική αντίσταση.
Εάν συμβαίνει ένα σφάλμα κατάκορυφης σύνδεσης κατά την θετική μισή περίοδο της τάσης της πηγής, ο T₃ αναγκάζεται να απενεργοποιηθεί, εισάγοντας τον περιοριστή ρεύματος στροφό στο περιβάλλον για να περιορίσει το ρεύμα σφάλματος. Με την κατάλληλη ρύθμιση της τιμής του στροφού L, το ρεύμα σφάλματος μπορεί να περιοριστεί σε οποιαδήποτε επιθυμητή επίπεδο. Επιπλέον, αυτός ο περιοριστής έχει την ικανότητα να διακόπτει αμέσως το ρεύμα σφάλματος. Ωστόσο, λόγω της χρήσης τεσσάρων ελεγχόμενων διακόπτων, η λογική ελέγχου για αμεσότατη διάκο