1 Limitador de Corrente de Falha Supercoductor do tipo Ponte
1.1 Estructura e Princípio de Funcionamento do SFCL do tipo Ponte
A figura 1 amosa o diagrama de circuito monofásico do limitador de corrente de falha supercondutor do tipo ponte, que consiste en catro díodos D₁ a D₄, unha fonte de tensión polarización DC V_b e unha bobina supercondutora L. Un interruptor CB está conectado en serie co limitador para interromper a corrente de falha despois de ser limitada. A fonte de polarización V_b proporciona unha corrente de polarización i_b á bobina supercondutora L. A tensión de V_b está configurada o suficientemente alta para superar a caída de tensión directa dos pares de díodos (D₁ e D₃, ou D₂ e D₄), establecendo unha corrente de polarización i₀. O valor de i₀ está configurado maior que o valor máximo da corrente de liña i_max, cunha tolerancia para condicións de sobrecarga.
Por tanto, nas condicións normais, a ponte de díodos permanece continuamente conductora, e o SFCL non presenta ningunha impedancia á corrente de liña i, ignorando a pequena caída de tensión directa a través da ponte. Supondo que durante a operación normal as correntes que pasan a través dos díodos D₁ a D₄ son iD1 a iD4 respectivamente, a corrente de liña é:
Obtense segundo a Lei das Correntes de Kirchhoff (KCL):
Cando ocorre unha falha de curto-circuíto na liña, a corrente de liña aumenta rapidamente a i₀. Durante os ciclos positivos e negativos, un par de díodos queda inversamente polarizado e apaga, introducindo así automaticamente a bobina L no circuito. A corrente de curto-circuíto está, polo tanto, limitada pola reactancia indutiva da bobina.
Configurando correctamente a corrente crítica da bobina supercondutora, a bobina permanece no estado supercondutor durante a falha, evitando os efectos do tempo de resposta e a recuperación do quench. No entanto, como a falha persiste, a corrente a través do inductor supercondutor continua a aumentar, acabando por se aproximar ao valor de corrente de curto-circuíto estable que existiría sen o limitador. Polo tanto, a fonte de falha debe ser interrompida oportunamente por un interruptor dentro dun tempo especificado. Para simplificar, supónse que a falha de curto-circuíto ocorre no instante en que a tensión da fonte pasa por cero (t = t₀). Segundo a Lei das Tensións de Kirchhoff (KVL), obtense a seguinte ecuación:
Condición inicial I0, resolvendo esta ecuación diferencial obtense:
A figura 2 amosa as formas de onda da corrente do inductor e da corrente de liña durante a operación normal e despois de ocorrer unha falha, con a falha iniciada en t = 0,1 s. Os resultados da simulación indican que a corrente de curto-circuíto aumenta lentamente debido ao efecto limitador de corrente do inductor supercondutor. O proceso de limitación de corrente é esencialmente a magnetización do inductor supercondutor. Unha vez que a corrente de falha se estabiliza, o limitador deixa de ser eficaz. Polo tanto, a falha debe ser eliminada polo interruptor antes de que a corrente de curto-circuíto alcance o seu valor estable. Na figura, a falha é eliminada polo interruptor en t = 0,2 s.
1.2 Melhoras Estructurais nos Limitadores de Corrente de Falha Supercoductor do tipo Ponte
Un limitador de corrente de falha supercondutor do tipo ponte convencional só pode suprimir a taxa de aumento das correntes de curto-circuíto, pero é ineficaz no control dos seus valores estables. Para limitar o valor estable das correntes de curto-circuíto, un SFCL híbrido combina as características de resistencia cero no estado supercondutor e o rápido aumento da resistencia durante o quench dos superconductores. Isto lograse integrando limitadores de corrente de falha supercondutora resistiva cos SFCL do tipo ponte. O diagrama esquemático deste enfoque híbrido amóstrase na figura 3.
Nas condicións de funcionamento normais, o interruptor K está aberto, polo que o SFCL resistivo non presenta ningunha impedancia externa, permitindo que a corrente i_L pase a través del sen resistencia. Cando ocorre unha falha, o SFCL resistivo presenta inmediatamente alta impedancia e funciona en serie co inductor supercondutor para suprimir xuntamente a corrente de falha. Despois de eliminada a falha, o interruptor K está pechado; neste momento, debido á súa propia alta impedancia, o SFCL resistivo está en curto-circuíto e retorna rapidamente ao estado supercondutor.
Como o interruptor K ten resistencia en estado de conducción, será encurtado polo SFCL resistivo recuperado, fai que todo o limitador híbrido do tipo ponte apareza como baixa impedancia externamente. Neste momento, abrir K conclúe todo o proceso de limitación de corrente. Para mellorar a capacidade do SFCL resistivo, xeralmente empreganse conexións en serie e en paralelo de unidades SFCL resistivas para mellorar as clasificacións de tensión e corrente do dispositivo. A figura 4 ilustra o esquema de circuito do limitador supercondutor resistivo, onde R₁ a R₆ representan resistencias supercondutoras, e R actúa como unha resistencia de bypass que pode provocar o quench simultáneo de dous superconductores na mesma rama en serie durante unha falha de curto-circuíto.
O papel do transformador de acoplamento interfasial é asegurar que iL1 = iL2 = iL3, para que as unidades SFCL en diferentes ramas en paralelo poidan quenchar simultáneamente despois de ocorrer unha falha de curto-circuíto. O SFCL híbrido do tipo ponte limita eficazmente o valor estable das correntes de curto-circuíto utilizando as características de transición do superconductor do estado supercondutor ao normal (S/N), engadindo automaticamente a resistencia limitadora de corrente ao detectar a falha sen requireir mecanismos adicionais de detección de falhas. No entanto, a adición do dispositivo limitador de corrente de falha supercondutor resistivo aumenta os custos operativos globais e prolonga o tempo de recuperación do quench, complicando a coordinación coas operacións de recierre do sistema.
2 Limitador de Corrente de Falha Non-Supercondutor do tipo Ponte
2.1 Limitador de Corrente de Estado Sólido
Nos últimos anos, os rápidos avances na tecnoloxía de electrónica de potencia e nos dispositivos semiconductores de potencia de gran capacidade, como SCR, GTO, GTR e IGBT, xunto coa súa amplia aplicación en sistemas prácticos, fan que os limitadores de corrente de falha composto por inductores, resistencias, capacitores e componentes electrónicos de potencia sexan un punto de investigación. O limitador de corrente de falha non-supercondutor do tipo ponte está construído a partir de compoñentes convencionais, evitando a tecnoloxía complexa de superconductores, e ofrece ventaxes de alta fiabilidade e boa relación coste-efectividade.
A figura 5 amosa o diagrama esquemático dun limitador de corrente ideal do tipo ponte monofásico, que consiste nun circuito de puente monofásico e un inductor limitador de corrente L. Nas condicións de funcionamento normal, aplicanse pulsos de disparo continuos aos catro tiristores. Despois dun breve proceso de magnetización, a corrente no inductor alcanza o valor máximo da corrente de carga. Cando a caída de tensión a través dos tiristores T₁ a T₄ é ignorada, o limitador non presenta impedancia externa.
Se ocorre unha falha de curto-circuíto durante o ciclo positivo da tensión de alimentación, T₃ é forzado a apagarse, insertando o inductor limitador de corrente no circuito para suprimir a corrente de falha. Configurando correctamente o valor do inductor L, a corrente de curto-circuíto pode ser limitada a calquera nivel deseado. Ademais, este limitador ten a capacidade de interromper instantaneamente a corrente de curto-circuíto. No entanto, debido ao uso de catro interruptores controlables, a lóxica de control para a interrupción instantánea é relativamente complexa. Durante a limitación da corrente de falha, xéranse harmónicos significativos; estes poden mitigarse eficazmente conectando inductores de bypass en paralelo a través dos brazos do puente.
2.2 Limitador de Corrente de Falha de Curto-Circuíto do tipo Puente Semi-Controlado
A figura 6 ilustra a topoloxía dun limitador de corrente de falha de curto-circuíto monofásico baseado nun puente semi-controlado e dispositivos de autoapagado. Este sistema comprende díodos D₁ a D₄, dispositivos de autoapagado T₁ e T₂, un inductor supercondutor L, un inductor limitador de corrente Llim e un absorvedor de sobretención ZnO, con us representando a fonte de potencia AC e CB actuando como o interruptor de liña.
Nas condicións de funcionamento normal, os dous dispositivos de autoapagado T₁ e T₂ están continuamente activados. Ao iniciar a alimentación, a corrente no inductor supercondutor aumenta gradualmente ao valor máximo da corrente de liña ba influencia da fonte de tensión. Unha vez que a carga se estabiliza, iL permanece constante. Ignorando as caídas de tensión directa a través dos díodos D₁ a D₄ e os dispositivos de autoapagado T₁ e T₂, a tensión a través do puente é cero, e a tensión a través do inductor limitador de corrente Llim tamén é cero. En consecuencia, o limitador de corrente non presenta impedancia externa e non afecta ao sistema.
Cando ocorre unha falha de curto-circuíto no sistema, a corrente iL no inductor supercondutor aumenta. Ao detectar a falha de curto-circuíto, T₁ e T₂ son inmediatamente apagados, facendo que o puente saia de operación. A corrente de curto-circuíto transfírese entón ao inductor limitador de corrente de bypass Llim, mentres que a corrente no inductor supercondutor continua fluindo a través dos díodos D₁ e D₄ ata que decaye a cero. A figura 7 amosa as curvas de corrente e tensión en estado estable e en estado de falha dun limitador de corrente de falha de curto-circuíto monofásico baseado nun puente semi-controlado.
O sistema se alimenta a t=0,02 segundos e alcanza o estado estable dentro dun ciclo. Ocorre unha falha de curto-circuíto a t=0,1 segundos, e T₁ é apagado dentro dun cuarto de ciclo despois de detectada a falha. Os parámetros de circuito utilizados para a simulación son os seguintes: a tensión de fase máxima da fonte de alimentación é 100V/50Hz; a corrente de carga nominal máxima é 10A; a resistencia de carga é 10Ω; o inductor DC supercondutor L é 10mH; a caída de tensión directa a través dos díodos e interruptores controlables é 0,8V; e o inductor limitador de corrente Llim é 10mH.
Un dos principais obxectivos de empregar limitadores de corrente de falha supercondutores (SFCL) nos sistemas de potencia é limitar as correntes de falha para que non excedan a capacidade de interrupción instantánea dos interruptores de liña. No análise, a razón de redución da corrente de falha D (0<D<1) é comúnmente utilizada para representar a porcentaxe de redución da corrente de falha máxima, e a expresión para D é:
é a corrente máxima de entrada durante un curto-circuíto sen o SFCL instalado, e o seu valor está relacionado coa relación equivalente X/R do sistema.
Na ecuación (7), Ip representa a amplitude do compoñente periódico da corrente de curto-circuíto, e Ta é a constante de tempo. ilim representa o valor máximo da corrente de curto-circuíto limitada, que depende da magnitude do inductor limitador de corrente Llim. Escollendo correctamente o valor de Llim, pode lograrse a porcentaxe de redución deseada da corrente de falha máxima. Realizáronse simulacións con Llim configurado a 10 mH, 15 mH e 20 mH, e os resultados amóstranse na figura 8. Pode observarse que un Llim maior proporciona unha mellor prestación de limitación de corrente, pero tamén leva a custos operativos maiores.
2.3 Melhoras no Limitador de Corrente de Falha de Curto-Circuíto do tipo Puente Semi-Controlado
Na configuración mostrada na figura 6, T₁ e T₂ están continuamente activados nas condicións de funcionamento normal. Cando se detecta unha falha de curto-circuíto, o circuito de control apaga tanto T₁ como T₂. Colocando un único interruptor controlable T no camiño común do puente para substituír T₁ e T₂, pode lograrse unha eficacia de limitación de corrente similar. Esta modificación reduce o número de componentes interruptores controlables, baixa os custos e simplifica a complexidade do circuito. O diagrama esquemático amóstrase na figura 9.
3 Conclusión
Este artigo presenta varios tipos de limitadores de corrente de falha do tipo ponte. Encadeando un limitador de corrente de falha supercondutor do tipo ponte convencional cun limitador de corrente de falha supercondutor resistivo, tanto os valores máximos como os estables das correntes de curto-circuíto poden ser limitados eficazmente. Ademais, aproveitando as características de transición S/N (supercondutor-a-normal) dos materiais supercondutores, o sistema integra a detección de falhas, o disparo e a limitación de corrente nunha única unidade, ofrecendo unha resposta rápida e alta fiabilidade.
Nos últimos anos, co rápido desenvolvemento e aplicación práctica da tecnoloxía de electrónica de potencia e dos dispositivos electrónicos de potencia de gran capacidade, os limitadores de corrente de falha de curto-circuíto do tipo ponte non-supercondutor, composto por interruptores electrónicos de potencia convencionais e inductores, gañaron ventaxes en termos de fiabilidade e relación coste-efectividade debido á ausencia de tecnoloxía complexa de superconductores. Os resultados da simulación demostran que ambos os tipos de limitadores de corrente logran unha excelente prestación de limitación de corrente, confirmando a viabilidade dos métodos propostos de limitación de corrente.