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Limoniteur de courant de défaut à pont | Supraconducteur & à semi-conducteurs

Dyson
Dyson
Champ: Normes électriques
China

1 Limiteur de courant de court-circuit à supraconducteur de type pont
1.1 Structure et principe de fonctionnement du SFCL de type pont
La figure 1 montre le diagramme de circuit monophasé du limiteur de courant de court-circuit (SFCL) de type pont, qui se compose de quatre diodes D₁ à D₄, d'une source de tension de polarisation continue V_b, et d'un bobinage supraconducteur L. Un disjoncteur CB est connecté en série avec le limiteur pour interrompre le courant de court-circuit après qu'il a été limité. La source de polarisation V_b fournit un courant de polarisation i_b au bobinage supraconducteur L. La tension de V_b est réglée suffisamment haute pour surmonter la chute de tension directe des paires de diodes (D₁ et D₃, ou D₂ et D₄), établissant un courant de polarisation i₀. La valeur de i₀ est fixée supérieure à la valeur maximale du courant de ligne i_max, avec une marge pour les conditions de surcharge.

Ainsi, dans des conditions normales, le pont de diodes reste continuellement conducteur, et le SFCL ne présente aucune impédance au courant de ligne i, en ignorant la faible chute de tension directe à travers le pont. En supposant que, pendant le fonctionnement normal, les courants passant par les diodes D₁ à D₄ sont respectivement iD1 à iD4, le courant de ligne est :

Il est obtenu selon la loi des nœuds (KCL) :

Lorsqu'un court-circuit se produit sur la ligne, le courant de ligne augmente rapidement jusqu'à i₀. Pendant les demi-cycles positif et négatif, une paire de diodes devient inversement polarisée et s'éteint, insérant automatiquement le bobinage L dans le circuit. Le courant de court-circuit est ainsi limité par la réactance inductive du bobinage.

En ajustant correctement le courant critique du bobinage supraconducteur, le bobinage reste dans l'état supraconducteur pendant le défaut, évitant les effets du temps de réponse et de la récupération après la quenching. Cependant, si le défaut persiste, le courant à travers l'inducteur supraconducteur continue à augmenter, finissant par approcher la valeur de courant de court-circuit à l'état stable qui existerait sans le limiteur. Par conséquent, la source de défaut doit être interrompue en temps opportun par un disjoncteur dans un délai spécifié. Pour simplifier, on suppose que le court-circuit se produit à l'instant où la tension de la source passe par zéro (t = t₀). Selon la loi des mailles (KVL), l'équation suivante est obtenue :

Condition initiale I0, en résolvant cette équation différentielle, on obtient :

La figure 2 montre les formes d'onde du courant de l'inducteur et du courant de ligne pendant le fonctionnement normal et après l'apparition d'un défaut, avec le défaut initié à t = 0,1 s. Les résultats de simulation indiquent que le courant de court-circuit augmente lentement en raison de l'effet de limitation de courant de l'inducteur supraconducteur. Le processus de limitation de courant est essentiellement la magnétisation de l'inducteur supraconducteur. Une fois que le courant de défaut se stabilise, le limiteur cesse d'être efficace. Par conséquent, le défaut doit être éliminé par le disjoncteur avant que le courant de court-circuit atteigne sa valeur à l'état stable. Dans la figure, le défaut est éliminé par le disjoncteur à t = 0,2 s.

1.2 Amélioration structurelle des limiteurs de courant de court-circuit supraconducteurs de type pont
Un limiteur de courant de court-circuit supraconducteur de type pont conventionnel ne peut que ralentir la vitesse de montée des courants de court-circuit mais est inefficace pour contrôler leurs valeurs à l'état stable. Pour limiter la valeur à l'état stable des courants de court-circuit, un SFCL hybride combine les caractéristiques de résistance nulle dans l'état supraconducteur et l'augmentation rapide de la résistance lors de la quenching des supraconducteurs. Cela est réalisé en intégrant des limiteurs de courant de court-circuit supraconducteurs résistifs avec des SFCL de type pont. Le schéma de ce dispositif hybride est montré à la figure 3.

Dans des conditions de fonctionnement normales, l'interrupteur K est ouvert, de sorte que le SFCL résistif ne présente aucune impédance externe, permettant au courant i_L de passer sans résistance. En cas de défaut, le SFCL résistif présente immédiatement une forte impédance et fonctionne en série avec l'inducteur supraconducteur pour limiter conjointement le courant de défaut. Après l'élimination du défaut, l'interrupteur K est fermé ; à ce moment-là, en raison de sa propre forte impédance, le SFCL résistif est court-circuité et revient rapidement à l'état supraconducteur.

Comme l'interrupteur K a une résistance en état de conduction, il sera court-circuité par le SFCL résistif récupéré, rendant l'ensemble du limiteur de type pont hybride de faible impédance externe. À ce moment-là, l'ouverture de K conclut l'ensemble du processus de limitation de courant. Pour améliorer la capacité du SFCL résistif, des connexions en série et en parallèle d'unités de SFCL résistif sont généralement utilisées pour améliorer les tensions et les courants nominatifs du dispositif. La figure 4 illustre le schéma de circuit du limiteur supraconducteur résistif, où R₁ à R₆ représentent des résistances supraconductrices, et R sert de résistance de dérivation qui peut provoquer la quenching simultanée de deux supraconducteurs dans la même branche en série lors d'un court-circuit.

Le rôle du transformateur de couplage interphase est de s'assurer que iL1 = iL2 = iL3, de sorte que les unités de SFCL dans différentes branches parallèles puissent quencher simultanément après l'apparition d'un court-circuit. Le SFCL de type pont hybride limite efficacement la valeur à l'état stable des courants de court-circuit en utilisant les caractéristiques de transition du supraconducteur de l'état supraconducteur à l'état normal (S/N), en engageant automatiquement la résistance de limitation de courant à la détection du défaut, sans nécessiter de mécanismes de détection de défaut supplémentaires. Cependant, l'ajout du dispositif de limitation de courant supraconducteur résistif augmente les coûts opérationnels globaux et prolonge le temps de récupération après la quenching, compliquant la coordination avec les opérations de reclosing du système.

2 Limiteur de courant de court-circuit non supraconducteur de type pont
2.1 Limiteur de courant à semi-conducteurs de puissance
Au cours des dernières années, les progrès rapides de la technologie électronique de puissance et des composants semi-conducteurs de puissance de grande capacité, tels que SCR, GTO, GTR et IGBT, ainsi que leur application généralisée dans les systèmes pratiques, ont fait des limiteurs de courant de court-circuit composés d'inducteurs, de résistances, de condensateurs et de composants électroniques de puissance un sujet de recherche à la mode. Le limiteur de courant de court-circuit non supraconducteur de type pont est construit à partir de composants conventionnels, évitant la technologie supraconductrice complexe, et offre des avantages de fiabilité élevée et de bon rapport coût-efficacité.

La figure 5 montre le schéma d'un limiteur de courant de type pont monophasé idéal, composé d'un circuit de pont monophasé et d'un inducteur de limitation de courant L. En fonctionnement normal, des impulsions de déclenchement continues sont appliquées aux quatre thyristors. Après un bref processus de magnétisation, le courant dans l'inducteur atteint la valeur maximale du courant de charge. Lorsque la chute de tension sur les thyristors T₁ à T₄ est négligée, le limiteur ne présente aucune impédance externe.

Si un court-circuit se produit pendant le demi-cycle positif de la tension d'alimentation, T₃ est forcé de s'éteindre, insérant l'inducteur de limitation de courant dans le circuit pour limiter le courant de défaut. En réglant correctement la valeur de l'inducteur L, le courant de court-circuit peut être limité à tout niveau souhaité. De plus, ce limiteur a la capacité d'interrompre instantanément le courant de court-circuit. Cependant, en raison de l'utilisation de quatre interrupteurs commandables, la logique de commande pour l'interruption instantanée est relativement complexe. Pendant la limitation du courant de défaut, des harmoniques significatifs sont générés ; ceux-ci peuvent être atténués efficacement en connectant des inducteurs de dérivation en parallèle sur les bras du pont.

2.2 Limiteur de courant de court-circuit de type pont semi-commandé
La figure 6 illustre la topologie d'un limiteur de courant de court-circuit monophasé basé sur un pont semi-commandé et des dispositifs à extinction automatique. Ce système comprend les diodes D₁ à D₄, les dispositifs à extinction automatique T₁ et T₂, un inducteur supraconducteur L, un inducteur de limitation de courant Llim, et un absorbeur de surtension ZnO, avec us représentant la source d'alimentation alternative et CB servant de disjoncteur de ligne.

Dans des conditions de fonctionnement normales, les deux dispositifs à extinction automatique T₁ et T₂ sont continuellement déclenchés. Au démarrage initial, le courant dans l'inducteur supraconducteur augmente progressivement jusqu'à la valeur maximale du courant de ligne sous l'influence de la source de tension. Une fois la charge stabilisée, iL reste constant. En ignorant les chutes de tension directe sur les diodes D₁ à D₄ et les dispositifs à extinction automatique T₁ et T₂, la tension à travers le pont est nulle, et la tension à travers l'inducteur de limitation de courant Llim est également nulle. Par conséquent, le limiteur de courant ne présente aucune impédance externe et n'a aucun impact sur le système.

Lorsqu'un court-circuit se produit dans le système, le courant iL dans l'inducteur supraconducteur augmente. À la détection du court-circuit, T₁ et T₂ sont immédiatement coupés, faisant sortir le pont du circuit. Le courant de court-circuit se transfère alors à l'inducteur de limitation de courant de dérivation Llim, tandis que le courant dans l'inducteur supraconducteur continue à circuler à travers les diodes D₁ et D₄ jusqu'à ce qu'il décroisse à zéro. La figure 7 montre les courbes de courant et de tension à l'état stable et en cas de défaut d'un limiteur de courant de court-circuit monophasé basé sur un pont semi-commandé.

Le système est alimenté à t = 0,02 secondes et atteint l'état stable en un cycle. Un court-circuit se produit à t = 0,1 seconde, et T₁ est coupé dans un quart de cycle après la détection du défaut. Les paramètres de circuit utilisés pour la simulation sont les suivants : la tension de phase maximale de l'alimentation est de 100V/50Hz ; le courant nominal de charge maximal est de 10A ; la résistance de charge est de 10Ω ; l'inducteur DC supraconducteur L est de 10mH ; la chute de tension directe sur les diodes et les interrupteurs commandables est de 0,8V ; et l'inducteur de limitation de courant Llim est de 10mH.

L'un des principaux objectifs de l'utilisation des limiteurs de courant de court-circuit supraconducteurs (SFCL) dans les systèmes électriques est de limiter les courants de défaut afin qu'ils ne dépassent pas la capacité d'interruption instantanée des disjoncteurs de ligne. Dans l'analyse, le taux de réduction du courant de défaut D (0<D<1) est souvent utilisé pour représenter le pourcentage de réduction du courant de défaut maximal, et l'expression pour D est :

est le courant d'entrée maximal pendant un court-circuit sans SFCL installé, et sa valeur est liée au rapport équivalent X/R du système.

Dans l'équation (7), Ip représente l'amplitude de la composante périodique du courant de court-circuit, et Ta est la constante de temps. ilim représente la valeur maximale du courant de court-circuit limité, qui dépend de la magnitude de l'inducteur de limitation de courant Llim. En choisissant correctement la valeur de Llim, on peut atteindre la réduction désirée du courant de défaut maximal. Des simulations ont été effectuées avec Llim fixé à 10 mH, 15 mH et 20 mH, et les résultats sont montrés à la figure 8. On peut observer qu'un Llim plus grand offre une meilleure performance de limitation de courant, mais entraîne également des coûts opérationnels plus élevés.

2.3 Amélioration du limiteur de courant de court-circuit de type pont semi-commandé
Dans la configuration montrée à la figure 6, T₁ et T₂ sont continuellement déclenchés dans des conditions de fonctionnement normales. Dès qu'un court-circuit est détecté, le circuit de commande coupe T₁ et T₂. En plaçant un seul interrupteur commandable T dans le chemin commun du pont pour remplacer T₁ et T₂, une efficacité de limitation de courant similaire peut être atteinte. Cette modification réduit le nombre de composants d'interrupteurs commandables, diminue les coûts et simplifie la complexité du circuit. Le schéma est montré à la figure 9.

3 Conclusion
Ce document présente plusieurs types de limiteurs de courant de court-circuit de type pont. En cascading un limiteur de courant de court-circuit supraconducteur de type pont conventionnel avec un limiteur de courant de court-circuit supraconducteur résistif, on peut limiter efficacement les valeurs maximales et à l'état stable des courants de court-circuit. De plus, en exploitant les caractéristiques de transition S/N (supraconducteur à normal) des matériaux supraconducteurs, le système intègre la détection de défaut, le déclenchement et la limitation de courant dans une seule unité, offrant une réponse rapide et une grande fiabilité.

Au cours des dernières années, avec le développement rapide et l'application pratique de la technologie électronique de puissance et des dispositifs électroniques de puissance de grande capacité, les limiteurs de courant de court-circuit non supraconducteurs de type pont, composés de commutateurs électroniques de puissance conventionnels et d'inducteurs, ont gagné en fiabilité et en rentabilité en raison de l'absence de technologie supraconductrice complexe. Les résultats de simulation montrent que les deux types de limiteurs de courant atteignent d'excellentes performances de limitation de courant, confirmant la faisabilité des approches de limitation de courant proposées.

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