1 Silmälasimainen supergeeninen sähkövirtarajoituslaitte
1.1 Silmälasimaisen SFCL:n rakenne ja toimintaperiaate
Kuva 1 näyttää yksihasasen silmälasiomaisen SFCL:n piirikaavion, joka koostuu neljästä diodista D₁-D₄, V_b-nimisestä suoravirtapotentista ja supergeenisestä spoolista L. Virtakatkaisija (CB) on kytketty sarjaan rajoituslaitteen kanssa vikavirran keskeyttämiseksi sen rajauksen jälkeen. Potentisti V_b tarjoaa virran i_b supergeeniselle spoolille L. Potentistin V_b jännite on asetettu riittävän korkeaksi ylittääkseen diodipareiden (D₁ ja D₃, tai D₂ ja D₄) etujännitteen, mikä perustaa virran i₀. Virran i₀ arvo on asetettu suuremmaksi kuin linjavirran huippuarvo i_max, jättäen varauduttavaksi ylikuormitukselle.
Täten normaalissa tilassa diodisilta pysyy jatkuvasti johtavana, ja SFCL ei osoita mitään impedanssia linjavirran i suhteen, jättäen huomiotta pienen etujännitteen silmälaudan läpi. Oletetaan, että normaalin toiminnan aikana diodeja D₁-D₄ kautta kulkevat virrat ovat iD1-iD4 vastaavasti, linjavirta on:
Se saadaan Kirchhoffin virtalain (KCL) mukaan:
Kun linjalla tapahtuu lyhyysvikka, linjavirta nousee nopeasti arvoon i₀. Positiivisella ja negatiivisella puolikaavulla yksi diodipari tulee vastapäin ohjatuksi ja sammutetaan, mikä automaattisesti lisää spoolin L piiriin. Lyhyysvirra rajoitetaan siten spoolin induktiivisella reaktanssilla.
Asettamalla supergeenisen spoolin kriittinen virta sopivasti, spooli pysyy supergeenisen tilassa vikassa, välttäen vasta-aikojen ja palautumisen vaikutukset. Kuitenkin kun vika jatkuu, supergeenisen induktorin kautta kulkeva virta jatkaa nousua, lopulta lähestyen vakiovirta-arvoa, joka olisi olemassa ilman rajoituslaitetta. Siksi vikan on poistettava ajalla vertaisvirtakatkaisijan avulla. Yksinkertaisuuden vuoksi oletetaan, että lyhyysvika tapahtuu hetkellä, jolloin lähdön jännite kulkee nollan läpi (t = t₀). Kirchhoffin jännitelain (KVL) mukaan seuraava yhtälö saadaan:
Alkusolmu I0, tämän differentiaaliyhtälön ratkaiseminen tuottaa:
Kuva 2 näyttää induktorin ja linjavirran aaltoformit normaalin toiminnan ja vikan tapahduttua, kun vika aloitetaan hetkellä t = 0.1 s. Simulaatiotulokset osoittavat, että lyhyysvirta nousee hitaasti supergeenisen induktorin rajoittavan vaikutuksen ansiosta. Rajoittamisprosessi on perustavalti supergeenisen induktorin magnetisoituminen. Kun vikavirta vakautuu, rajoituslaitteella ei ole enää vaikutusta. Siksi vikan on poistettava vertaisvirtakatkaisijan avulla ennen kuin lyhyysvirta saavuttaa vakiovirta-arvonsa. Kuvaessa vika poistetaan vertaisvirtakatkaisijan avulla hetkellä t = 0.2 s.
1.2 Silmälasimaisen supergeenisen sähkövirtarajoituslaitteen rakenteen parantaminen
Perinteinen silmälasiomainen supergeeninen sähkövirtarajoituslaitte (SFCL) voi vain hillitä lyhyysvirtajen nousunopeutta, mutta se on tehottomaa niiden vakiovirta-arvojen hallinnassa. Vakiovirta-arvojen rajoittamiseksi hybrid-SFCL yhdistää supergeenisen tilan nollaresistenssin ja supergeenisten materiaalien quench-ajan nopean resistenssin kasvun ominaisuudet. Tätä tavoitetaan integroimalla resistiiviset supergeeniset sähkövirtarajoituslaitteet silmälasiomaisiin SFCL:iin. Hybridiapproachin kaavio on näkyvissä kuvassa 3.
Normaalin toiminnan aikana kytkin K on auki, joten resistiivinen SFCL ei osoita ulkoista impedanssia, sallien virran i_L kulkea läpi ilman vastusta. Vikan tapahtuessa resistiivinen SFCL esittää välittömästi korkean impedanssin ja toimii sarjassa supergeenisen induktorin kanssa yhteisesti hillitsemään vikavirtaa. Vikan poistuttua kytkin K suljetaan; tällöin, koska oma impedanssinsa on korkea, resistiivinen SFCL lyhytyy ja palautuu nopeasti supergeeniseen tilaan.
Koska kytkimeen K liittyy ohjattu vastus, se lyhittyy palautuneen resistiivisen SFCL:n myötä, mikä tekee koko hybridi-silmälasiomaltaisesta rajoituslaitteesta näyttävän ulospäin pienellä impedanssilla. Tällöin K:n avaaminen päättelee koko rajoitusprosessin. Resistiivisen SFCL:n kapasiteetin parantamiseksi resistiivisiä SFCL-yksiköitä yleensä kytketään sarjassa ja rinnalle parantamaan laitteen jännite- ja virtarajoituksia. Kuva 4 näyttää resistiivisen supergeenisen rajoituslaitteen piirikaavion, jossa R₁-R₆ edustavat supergeenisiä vastuksia, ja R toimii väisteväksi vastuksena, joka voi aiheuttaa kahden supergeenisen materiaalin saman sarjasyöttön osuuden yhteisen quenchin lyhyysvikassa.
Vaihevälin välitystransformatorin rooli on varmistaa, että iL1 = iL2 = iL3, jotta eri rinnakkaisissa sarjoissa olevat SFCL-yksiköt voivat quenchata yhtä aikaa lyhyysvikassa. Hybrid-silmälasiomainen SFCL käyttää tehokkaasti supergeenisen materiaalin S/N-muutoksen ominaisuuksia, aktivoimaan automaattisesti rajoitusvastuksen vikan havaitessa ilman lisävika-havaintomekanismeja. Kuitenkin resistiivisen supergeenisen sähkövirtarajoituslaitteen lisääminen lisää kokonaismateriaalikustannuksia ja pidentää palautusaikaa quenchin jälkeen, monimutkaistamalla koordinoinnin järjestelmän uudelleenkäynnistyksen kanssa.
2 Ei-supergeeninen silmälasiomainen sähkövirtarajoituslaitte
2.1 Kiinteän aineen sähkövirtarajoituslaitte
Viime vuosina sähkötekniikan teknologian ja suurkapasiteettisten sähkökomponenttien, kuten SCR, GTO, GTR ja IGBT, nopea kehitys ja laaja käyttö käytännön järjestelmissä ovat tehneet sähkövirtarajoituslaitteista, jotka koostuvat induktoreista, vastuksista, kondensaattoreista ja sähkökomponenteista, tutkimuksen kohde. Ei-supergeeninen silmälasiomainen sähkövirtarajoituslaitte rakennetaan perinteisistä komponenteista, välttäen monimutkaista supergeenisteknologiaa, ja tarjoaa etuja kuten korkea luotettavuus ja hyvä kustannustehokkuus.
Kuva 5 näyttää ideaalisen yksihasasen silmälasiomaisen sähkövirtarajoituslaitteen kaavion, joka koostuu yksihasasesta silmälasiomaisesta piiristä ja sähkövirtarajoitusinduktorista L. Normaalin toiminnan aikana jatkuvia syöttöpulssia annetaan neljälle thyristorille. Lyhyessä magneetoitumisprosessissa induktorin virta saavuttaa kuormavirran huippuarvon. Kun thyristoreiden T₁-T₄ etujännitteet jätetään huomiotta, rajoituslaitte ei osoita ulkoista impedanssia.
Jos lyhyysvika tapahtuu lähdön jännitteen positiivisella puolikaavulla, T₃ pakotetaan sammutumaan, lisäämällä sähkövirtarajoitusinduktori piiriin vikavirran hillitsemiseksi. Induktorin L arvon asettamalla vikavirta voidaan rajoittaa haluttuun tasoon. Lisäksi tällä rajoituslaitteella on kyky keskeyttää välittömästi vikavirtaa. Kuitenkin neljän ohjattavan kytkimen käytöstä johtuen välittömän keskeytyksen ohjauslogiikka on suhteellisen monimutkainen. Vikavirran rajoittamisen aikana syntyy merkittäviä harmonisia, jotka voidaan tehokkaasti lievittää kytkemällä väistevät induktorit rinnalle silmälaidan käsivarsille.
2.2 Osittain ohjattu silmälasiomainen lyhyysvirtarajoituslaitte
Kuva 6 näyttää yksihasasen lyhyysvirtarajoituslaitteen topologian, joka perustuu osittain ohjattuun silmälasiomaan ja itse sammutuviin laitteisiin. Järjestelmä koostuu diodeista D₁-D₄, itse sammutuville laitteille T₁ ja T₂, supergeeniselle induktorille L, sähkövirtarajoitusinduktorille Llim ja ZnO-pikkujännitteen absorberille, jossa us edustaa vaihtovirtalähdettä ja CB toimii linjakatkaisijana.
Normaalin toiminnan aikana kaksi itse sammutuville laitetta T₁ ja T₂ ovat jatkuvasti herätetyssä tilassa. Alkuvalmistelussa supergeenisen induktorin virta kasvaa asteittain linjavirran huippuarvoon jännitelähteen vaikutuksesta. Kun kuorma vakautuu, iL pysyy vakiona. Jättäen huomiotta diodien D₁-D₄ ja itse sammutuville laitteiden T₁ ja T₂ etujännitteet, silmälaidan jännite on nolla, ja sähkövirtarajoitusinduktorin Llim jännite on myös nolla. Täten sähkövirtarajoituslaitte ei osoita ulkoista impedanssia eikä vaikuta järjestelmään.
Kun järjestelmässä tapahtuu lyhyysvika, supergeenisen induktorin iL virta kasvaa. Lyhyysvikkaa havaittuamme T₁ ja T₂ sammutetaan välittömästi, mikä aiheuttaa silmälaidan poistumisen toiminnasta. Lyhyysvirta siirtyy sitten väistevään sähkövirtarajoitusinduktoriin Llim, kun taas supergeenisen induktorin kautta kulkeva virta jatkaa diodeja D₁ ja D₄ kautta kunnes se laskee nollaan. Kuva 7 näyttää yksihasasen lyhyysvirtarajoituslaitteen vakiovirta- ja vikavirta- sekä -jännitekurvit semi-ohjatun silmälaidan perusteella.
Järjestelmä käynnistetään hetkellä t=0.02 sekuntia ja saavuttaa vakiovirtatilan yhden kiertoperiodin kuluessa. Lyhyysvika tapahtuu hetkellä t=0.1 sekuntia, ja T₁ sammutetaan vikan havaitsemisen jälkeen neljänneksykierrossa. Simulointiin käytettyjä piiriparametreja ovat seuraavat: lähdön vaihtovirtajännite on 100V/50Hz; huippuarvoinen nominalkuormavirta on 10A; kuorman vastus on 10Ω; supergeeninen DC-induktori L on 10mH; diodien ja ohjattavien kytkimien etujännite on 0.8V; ja sähkövirtarajoitusinduktori Llim on 10mH.
Yksi supergeenisten sähkövirtarajoituslaitteiden (SFCL) käytön ensisijaisista tarkoituksista sähköverkoissa on rajoittaa vikavirtoja, jotta ne eivät ylitä linjakatkaisijoiden välittömää keskeyttämisjoukkua. Analyysissa vikavirran vähennyssuhde D (0<D<1) käytetään yleensä ilmaisemaan vikavirran huippuarvon prosentuaalista vähennystä, ja D:n lauseke on:
on lyhyysvirta ilman SFCL:ää, ja sen arvo riippuu järjestelmän ekvivalentistä X/R-suhde.
Yhtälössä (7), Ip edustaa lyhyysvirran jaksollisen komponentin amplitudia, ja Ta on aikavakio. ilim edustaa rajoitetun lyhyysvirran huippuarvoa, joka riippuu sähkövirtarajoitusinduktorin Llim arvosta. Valitsemalla sopivasti Llim:n arvon, voidaan saavuttaa haluttu vikavirran huippuarvon prosentuaalinen vähennys. Simuloinnit suoritettiin Llim arvoilla 10 mH, 15 mH ja 20 mH, ja tulokset näkyvät kuvassa 8. Havaitaan, että suurempi Llim tarjoaa parempaa sähkövirtarajoitusominaisuutta, mutta myös korkeampia toimintakustannuksia.
2.3 Osittain ohjatun silmälasiomaisen lyhyysvirtarajoituslaitteen parantaminen
Kuva 6:n konfiguraatiossa T₁ ja T₂ ovat jatkuvasti herätetyssä tilassa normaalin toiminnan aikana. Kun lyhyysvika havaitaan, ohjauskreivi sammuttaa molemmat T₁ ja T₂. Sijoittamalla yksi ohjattava kytkin T silmälaidan yhteelle polulle korvaamaan T₁ ja T₂, voidaan saavuttaa sama sähkövirtarajoitusvaikutus. Tämä muutos vähentää ohjattavien kytkimien määrää, alentaa kustannuksia ja yksinkertaistaa piirin kompleksisuutta. Kaavio on näkyvissä kuvassa 9.
3 Johtopäätös
Tässä artikkelissa esitellään useita silmälasiomaisia lyhyysvirtarajoituslaitteita. Perinteisen supergeenisen silmälasiomaisen sähkövirtarajoituslaitteen kytkemällä resistiivisen supergeenisen