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पुल प्रकार की दोष धारा सीमितक | अतिचालक और ठोस-राज्य

Dyson
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फील्ड: विद्युत मानक
China

1 पुल-प्रकार सुपरकंडक्टिंग फ़ॉल्ट करंट लिमिटर
1.1 पुल-प्रकार SFCL की संरचना और कार्यप्रणाली
आकृति 1 में पुल-प्रकार SFCL का एक-दफ़ा चक्र आरेख दिखाया गया है, जो चार डायोड D₁ से D₄, एक DC बायस वोल्टेज स्रोत V_b, और एक सुपरकंडक्टिंग कुंडल L से बना है। एक सर्किट ब्रेकर CB लिमिटर के साथ श्रृंखला में जोड़ा गया है ताकि इसे सीमित करने के बाद फ़ॉल्ट करंट को अवरुद्ध किया जा सके। बायस स्रोत V_b सुपरकंडक्टिंग कुंडल L को बायस करंट i_b प्रदान करता है। V_b का वोल्टेज डायोड युग्म (D₁ और D₃, या D₂ और D₄) के फ़ॉरवर्ड वोल्टेज ड्रॉप को दूर करने के लिए पर्याप्त ऊँचा सेट किया गया है, जिससे बायस करंट i₀ स्थापित होता है। i₀ का मान लाइन करंट i_max के शिखर मान से अधिक सेट किया जाता है, ओवरलोड स्थितियों के लिए छूट के साथ।

इसलिए, सामान्य स्थितियों में, डायोड पुल लगातार चालू रहता है, और SFCL लाइन करंट i के लिए कोई इम्पीडेंस नहीं दिखाता, पुल पर लघु फ़ॉरवर्ड वोल्टेज ड्रॉप को छोड़कर। यह मान लेते हैं कि सामान्य संचालन के दौरान डायोड D₁ से D₄ से गुजरने वाले करंट क्रमशः iD1 से iD4 हैं, तो लाइन करंट है:

यह किर्चहॉफ़ के करंट नियम (KCL) के अनुसार प्राप्त किया जाता है:

जब लाइन पर एक शॉर्ट-सर्किट फ़ॉल्ट होता है, तो लाइन करंट तेजी से i₀ तक बढ़ जाता है। सकारात्मक और ऋणात्मक आधे चक्र के दौरान, एक डायोड युग्म रिवर्स-बायस हो जाता है और बंद हो जाता है, जिससे लगभग स्वचालित रूप से कुंडल L को सर्किट में डाल दिया जाता है। इस प्रकार शॉर्ट-सर्किट करंट को कुंडल के इंडक्टिव रिएक्टेंस द्वारा सीमित किया जाता है।

सुपरकंडक्टिंग कुंडल के क्रिटिकल करंट को उचित रूप से सेट करके, फ़ॉल्ट के दौरान कुंडल सुपरकंडक्टिंग स्थिति में रहता है, जिससे प्रतिक्रिया समय और क्वेंचिंग से बचाव की प्रभाविता को टाला जा सकता है। हालांकि, जैसे-जैसे फ़ॉल्ट जारी रहता है, सुपरकंडक्टिंग इंडक्टर से गुजरने वाला करंट लगातार बढ़ता रहता है, अंततः लिमिटर के बिना भी मौजूद होने वाले स्थिर-अवस्था शॉर्ट-सर्किट करंट मान के निकट पहुंच जाता है। इसलिए, फ़ॉल्ट स्रोत को निर्दिष्ट समय के भीतर सर्किट ब्रेकर द्वारा समय पर अवरुद्ध किया जाना चाहिए। सरलता के लिए, यह माना जाता है कि शॉर्ट-सर्किट फ़ॉल्ट तब होता है जब स्रोत वोल्टेज शून्य (t = t₀) के माध्य से गुजरता है। किर्चहॉफ़ के वोल्टेज नियम (KVL) के अनुसार, निम्नलिखित समीकरण प्राप्त होता है:

आरंभिक स्थिति I0, इस अवकल समीकरण को हल करने पर:

आकृति 2 में सामान्य संचालन के दौरान और फ़ॉल्ट होने के बाद इंडक्टर करंट और लाइन करंट के तरंग रूप दिखाए गए हैं, जहां फ़ॉल्ट t = 0.1 s पर शुरू होता है। सिमुलेशन परिणाम संकेत देते हैं कि सुपरकंडक्टिंग इंडक्टर के करंट-लिमिटिंग प्रभाव के कारण शॉर्ट-सर्किट करंट धीरे-धीरे बढ़ता है। करंट-लिमिटिंग प्रक्रिया मूल रूप से सुपरकंडक्टिंग इंडक्टर का चुंबकीयकरण है। जैसे ही फ़ॉल्ट करंट स्थिर हो जाता है, लिमिटर प्रभावी नहीं रहता। इसलिए, शॉर्ट-सर्किट करंट अपने स्थिर-अवस्था मान तक पहुंचने से पहले सर्किट ब्रेकर द्वारा फ़ॉल्ट को साफ़ किया जाना चाहिए। आकृति में, फ़ॉल्ट t = 0.2 s पर सर्किट ब्रेकर द्वारा साफ़ किया जाता है।

1.2 पुल-प्रकार सुपरकंडक्टिंग फ़ॉल्ट करंट लिमिटर्स की संरचनात्मक सुधार
एक पारंपरिक पुल-प्रकार सुपरकंडक्टिंग फ़ॉल्ट करंट लिमिटर (SFCL) केवल शॉर्ट-सर्किट करंटों की दर को दबा सकता है, लेकिन उनके स्थिर-अवस्था मानों को नियंत्रित करने में अक्षम होता है। स्थिर-अवस्था में शॉर्ट-सर्किट करंटों को सीमित करने के लिए, एक हाइब्रिड SFCL सुपरकंडक्टिंग अवस्था में शून्य प्रतिरोध और क्वेंचिंग के दौरान प्रतिरोध में तेजी से वृद्धि के लक्षणों को संयोजित करता है। इसे प्रतिरोधी सुपरकंडक्टिंग फ़ॉल्ट करंट लिमिटर्स और पुल-प्रकार SFCL को एकीकृत करके प्राप्त किया जाता है। इस हाइब्रिड दृष्टिकोण का स्कीमेटिक आरेख आकृति 3 में दिखाया गया है।

सामान्य संचालन स्थितियों में, स्विच K खुला होता है, इसलिए प्रतिरोधी SFCL किसी भी बाहरी इम्पीडेंस नहीं दिखाता, जिससे करंट i_L इसके माध्यम से प्रतिरोध रहित गुजर सकता है। फ़ॉल्ट होने पर, प्रतिरोधी SFCL तुरंत उच्च इम्पीडेंस प्रस्तुत करता है और सुपरकंडक्टिंग इंडक्टर के साथ श्रृंखला में काम करता है ताकि फ़ॉल्ट करंट को एक साथ दबा सके। फ़ॉल्ट साफ़ होने के बाद, स्विच K बंद हो जाता है; इस समय, अपने उच्च प्रतिरोध के कारण, प्रतिरोधी SFCL शॉर्ट-सर्किट हो जाता है और तेजी से सुपरकंडक्टिंग अवस्था में वापस आ जाता है।

क्योंकि स्विच K के पास ऑन-स्थिति प्रतिरोध होता है, इसे बहाल होने वाले प्रतिरोधी SFCL द्वारा शॉर्ट-सर्किट किया जाता है, जिससे पूरे हाइब्रिड पुल-प्रकार लिमिटर को बाहरी रूप से कम इम्पीडेंस दिखाई देता है। इस समय, K को खोलने से पूरी करंट-लिमिटिंग प्रक्रिया समाप्त हो जाती है। प्रतिरोधी SFCL की क्षमता को बढ़ाने के लिए, प्रतिरोधी SFCL इकाइयों को श्रृंखला और समानांतर कनेक्शन में आमतौर पर उपयोग किया जाता है ताकि उपकरण के वोल्टेज और करंट रेटिंग में सुधार किया जा सके। आकृति 4 में प्रतिरोधी सुपरकंडक्टिंग लिमिटर का सर्किट स्कीमेटिक दिखाया गया है, जहां R₁ से R₆ सुपरकंडक्टिंग प्रतिरोध का प्रतिनिधित्व करते हैं, और R एक बायपास प्रतिरोध के रूप में कार्य करता है जो शॉर्ट-सर्किट फ़ॉल्ट के दौरान एक ही श्रृंखला शाखा में दो सुपरकंडक्टरों को एक साथ क्वेंच करने की प्रेरणा देता है।

इंटर-फेज कप्लिंग ट्रांसफॉर्मर का कार्य यह सुनिश्चित करना है कि iL1 = iL2 = iL3, ताकि फ़ॉल्ट होने के बाद विभिन्न समानांतर शाखाओं में SFCL इकाइयां एक साथ क्वेंच हो सकें। हाइब्रिड पुल-प्रकार SFCL सुपरकंडक्टिंग से सामान्य अवस्था (S/N) के अंतरण लक्षणों का उपयोग करके शॉर्ट-सर्किट करंटों के स्थिर-अवस्था मानों को प्रभावी रूप से सीमित करता है, फ़ॉल्ट निर्णय के बिना फ़ॉल्ट की पहचान के बाद तुरंत करंट-लिमिटिंग प्रतिरोध को सक्रिय कर देता है। हालांकि, प्रतिरोधी सुपरकंडक्टिंग फ़ॉल्ट लिमिटिंग उपकरण को जोड़ने से कुल संचालन लागत बढ़ जाती है और क्वेंचिंग से बहाल होने का समय लंबा हो जाता है, जिससे सिस्टम के रीक्लोजिंग संचालन के साथ समन्वय कठिन हो जाता है।

2 पुल-प्रकार गैर-सुपरकंडक्टिंग फ़ॉल्ट करंट लिमिटर
2.1 ठोस-राज्य करंट लिमिटर
हाल के वर्षों में, पावर इलेक्ट्रॉनिक्स तकनीक और उच्च क्षमता वाले पावर सेमीकंडक्टर उपकरण—जैसे SCR, GTO, GTR, और IGBT—के तेजी से विकास और व्यावहारिक सिस्टमों में उनके व्यापक उपयोग ने इंडक्टर, प्रतिरोध, कैपेसिटर, और पावर इलेक्ट्रॉनिक घटकों से बने फ़ॉल्ट करंट लिमिटर्स को एक शोध का गर्म बिंदु बना दिया है। गैर-सुपरकंडक्टिंग पुल-प्रकार फ़ॉल्ट करंट लिमिटर पारंपरिक घटकों से निर्मित होता है, जिससे जटिल सुपरकंडक्टिंग तकनीक से बचा जाता है, और यह उच्च विश्वसनीयता और अच्छी लागत-प्रभावशीलता के लाभ प्रदान करता है।

आकृति 5 में एक आदर्श एक-दफ़ा पुल-प्रकार करंट लिमिटर का स्कीमेटिक आरेख दिखाया गया है, जो एक एक-दफ़ा पुल सर्किट और एक करंट-लिमिटिंग इंडक्टर L से बना है। सामान्य संचालन के दौरान, चार थायरिस्टरों को लगातार ट्रिगर पल्स दिए जाते हैं। एक संक्षिप्त चुंबकीकरण प्रक्रिया के बाद, इंडक्टर में करंट लोड करंट के शिखर मान तक पहुंच जाता है। जब थायरिस्टर T₁ से T₄ पर वोल्टेज ड्रॉप को नगण्य माना जाता है, तो लिमिटर बाहरी रूप से कोई इम्पीडेंस नहीं दिखाता।

यदि विद्युत स्रोत के धनात्मक आधे चक्र के दौरान एक शॉर्ट-सर्किट फ़ॉल्ट होता है, तो T₃ को बंद कर दिया जाता है, जिससे करंट-लिमिटिंग इंडक्टर सर्किट में डाल दिया जाता है और फ़ॉल्ट करंट को दबाया जाता है। इंडक्टर L के मान को उचित रूप से सेट करके, शॉर्ट-सर्किट करंट को किसी भी वांछित स्तर तक सीमित किया जा सकता है। इसके अलावा, यह लिमिटर शॉर्ट-सर्किट करंट को तुरंत अवरुद्ध करने की क्षमता भी रखता है। हालांकि, चार नियंत्रित स्विचों के उपयोग के कारण, तुरंत अवरुद्ध करने के लिए नियंत्रण तर्क अपेक्षाकृत जटिल होता है। करंट-लिमिटिंग के दौरान उत्पन्न होने वाले महत्वपूर्ण हार्मोनिक्स को पुल शाखाओं के समानांतर बायपास इंडक्टर जोड़कर प्रभावी रूप से कम किया जा सकता है।

2.2 अर्ध-नियंत्रित पुल शॉर्ट-सर्किट फ़ॉल्ट करंट लिमिटर
आकृति 6 में एक अर्ध-नियंत्रित पुल और स्व-बंद सुविधाओं आधारित एक-दफ़ा शॉर्ट-सर्किट फ़ॉल्ट करं

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