1 Mostropni superprovodni ograničitelj strujnog preopterećenja
1.1 Struktura i način rada mostropnog SFCL-a
Slika 1 prikazuje jednofaznu shemu kruga mostropnog SFCL-a, sastavljenog od četiri dioda D₁ do D₄, izvora naponova V_b za postavljanje struja i superprovodnog zavojnice L. U seriju s ograničiteljem spojen je prekidnik CB kako bi prekinuo struju preopterećenja nakon što je ograničena. Izvor naponova V_b pruža postavnu struju i_b superprovodnoj zavojnici L. Napon izvora V_b postavljen je dovoljno visoko da premoći pad napona usmjerene diode (D₁ i D₃, ili D₂ i D₄), stvarajući postavnu struju i₀. Vrijednost i₀ postavljena je veća od vrhunskog značajke linijne struje i_max, uz dopuštenje za preopterećenje.
Stoga, u normalnim uvjetima, most dioda ostaje neprekidno provodljiv, a SFCL ne pokazuje nikakvu impedanciju prema linijnoj struj i, zanemarujući malu pad napona preko mosta. Pretpostavljajući da tijekom normalne operacije struje kroz diode D₁ do D₄ su redom iD1 do iD4, linijna struja je:
Dobiveno je prema Kirchhoffovom zakonu o strujama (KCL):
Kada se dogodi kratki spoj na liniji, linijna struja brzo poraste do i₀. Tijekom pozitivnih i negativnih poluciklusa, jedan par dioda postane obrnuto polariziran i isključi se, time automatski ubacujući zavojnicu L u krug. Struja preopterećenja tako ograničena je induktivnom reaktivitetom zavojnice.
Postavljanjem kritične struje superprovodne zavojnice na odgovarajući način, zavojnica ostaje u superprovodnom stanju tijekom greške, izbjegavajući efekte vremena odziva i oporavka od kvenchinga. Međutim, dok traje greška, struja kroz superprovodnu induktor nastavlja rasti, te konačno približava stabilnoj vrijednosti struje preopterećenja koja bi postojala bez ograničitelja. Stoga, izvor greške mora biti pravo vremena prekinut prekidnikom unutar određenog vremenskog intervala. Za jednostavnost, pretpostavlja se da se greška kratkog spoja događa u trenutku kada napon izvora prolazi kroz nulu (t = t₀). Prema Kirchhoffovom zakonu o naponima (KVL), dobivena je sljedeća jednadžba:
Početni uvjet I0, rješavanjem ove diferencijalne jednadžbe dobivamo:
Slika 2 prikazuje valne oblike struje induktora i linijne struje tijekom normalne operacije i nakon što se dogodi greška, s početkom greške u t = 0,1 s. Rezultati simulacije pokazuju da se struja preopterećenja sporo povećava zbog ograničujućeg učinka superprovodnog induktora. Proces ograničivanja struje u osnovi je magnetizacija superprovodnog induktora. Kada se struja preopterećenja stabilizira, ograničitelj prestaje djelovati. Stoga, greška mora biti otklonjena prekidnikom prije nego što struja preopterećenja doseže svoju stabilnu vrijednost. Na slici, greška je otklonjena prekidnikom u t = 0,2 s.
1.2 Strukturne poboljšave mostropnih superprovodnih ograničitelja strujnog preopterećenja
Konvencionalni mostropni superprovodni ograničitelj strujnog preopterećenja (SFCL) može samo smanjiti brzinu povećanja struja preopterećenja, ali nije učinkovit u kontroliranju njihovih stabilnih vrijednosti. Da bi se ograničila stabilna vrijednost struja preopterećenja, hibridni SFCL kombinira karakteristike nulte otpornosti u superprovodnom stanju i brzog povećanja otpornosti tijekom kvenchinga superprovodnika. To se postiže integracijom rezistivnih superprovodnih ograničitelja strujnog preopterećenja s mostropnim SFCL-om. Schematicni dijagram ovog hibridnog pristupa prikazan je na slici 3.
U normalnim uvjetima rada, prekidnik K je otvoren, pa rezistivni SFCL ne pokazuje nikakvu vanjsku impedanciju, omogućujući struj i_L da prođe kroz njega bez otpora. Kada se dogodi greška, rezistivni SFCL odmah pokazuje visoku impedanciju i radi u seriji s superprovodnim induktorom kako bi zajedno ograničili struju preopterećenja. Nakon što je greška otklonjena, prekidnik K se zatvara; u tom trenutku, zbog svoje visoke impedancije, rezistivni SFCL je kratkospojevan i brzo vraća se u superprovodno stanje.
Budući da prekidnik K ima otpornost u upaljenom stanju, on će biti kratkospojevan obnovljenim rezistivnim SFCL-om, čime ceo hibridni mostropni ograničitelj izgleda kao niska impedancija vanjski. U tom trenutku, otvaranje K završava cijeli proces ograničivanja struje. Da bi se unaprijedila sposobnost rezistivnog SFCL-a, tipično se koriste serije i paralelne veze rezistivnih jedinica SFCL-a kako bi se poboljšale naponske i strujne karakteristike uređaja. Slika 4 prikazuje shemu kruga rezistivnog superprovodnog ograničitelja, gdje R₁ do R₆ predstavljaju superprovodne otpornike, a R služi kao preskočni otpornik koji može poticati istodobni kvenching dva superprovodnika u istoj serijskoj granini tijekom greške kratkog spoja.
Uloga međufaznog spregnutog transformatora je osigurati da je iL1 = iL2 = iL3, kako bi SFCL jedinice u različitim paralelnim granama mogle istodobno kvenchirati nakon što se dogodi greška kratkog spoja. Hibridni mostropni SFCL učinkovito ograničava stabilnu vrijednost struje preopterećenja korištenjem prelaza superprovodnika iz superprovodnog u normalno stanje (S/N), automatski uključujući ograničujući otpornik pri detekciji greške bez dodatnih mehanizama detekcije grešaka. Međutim, dodavanje rezistivnog superprovodnog ograničitelja strujnog preopterećenja povećava ukupne troškove rada i produžuje vrijeme oporavka od kvenchinga, komplicirajući koordinaciju s operacijama ponovnog zapaljenja sustava.
2 Mostropni ne-superprovodni ograničitelj strujnog preopterećenja
2.1 Čvrsto-stanični ograničitelj struje
U posljednjih godina, brzi napredak tehnologije elektronike snage i visokokapacitetnih poluprovodnih uređaja poput SCR, GTO, GTR i IGBT, zajedno s njihovom širokom primjenom u praktičnim sustavima, pretvorili su ograničitelje strujnog preopterećenja sastavljenje od induktora, otpornika, kondenzatora i komponenti elektronike snage u točku istraživanja. Ne-superprovodni mostropni ograničitelj strujnog preopterećenja sastavljen je od konvencionalnih komponenti, izbjegavajući složenu superprovodnu tehnologiju, i nudi prednosti visoke pouzdanosti i dobre ekonomičnosti.
Slika 5 prikazuje shemu idealnog jednofaznog mostropnog ograničitelja struje, sastavljenog od jednofaznog mosta i ograničujućeg induktora L. U normalnom radu, kontinuirani signal zahtjeva primjenjuje se na četiri tiristora. Nakon kraćeg procesa magnetizacije, struja u induktoru dostiže vrhunsku vrijednost struje opterećenja. Kada se zanemari pad napona na tiristorima T₁ do T₄, ograničitelj ne pokazuje nikakvu vanjsku impedanciju.
Ako se dogodi greška kratkog spoja tijekom pozitivnog poluciklusa naponova izvora, T₃ se prisilno isključi, ubacujući ograničujući induktor u krug kako bi supresirao struju preopterećenja. Pravilnim postavljanjem vrijednosti induktora L, struja preopterećenja može biti ograničena na bilo koju željenu razinu. Osim toga, ovaj ograničitelj ima sposobnost odmah prekinuti struju preopterećenja. Međutim, zbog korištenja četiri upravljanja prekidnika, logika upravljanja za odmah prekid je relativno složena. Tijekom ograničivanja struje preopterećenja, generiraju se značajne harmonike; one se mogu učinkovito umanjiti vezivanjem preskočnih induktora u paralelu preko granina mosta.
2.2 Poloupravljivi mostopni ograničitelj struje preopterećenja
Slika 6 prikazuje topologiju jednofaznog ograničitelja struje preopterećenja temeljenog na poloupravljivom mostu i samougasiocima. Ovaj sustav sastoji se od dioda D₁ do D₄, samougasioca T₁ i T₂, superprovodnog induktora L, ograničujućeg induktora Llim i ZnO apsurbera previsokog napon, gdje us predstavlja AC izvor snage, a CB služi kao prekidnik linije.
U normalnim uvjetima rada, dva samougasioca T₁ i T₂ su neprekidno aktivirana. Pri inicijalnom podizanju napona, struja u superprovodnom induktoru postepeno raste do vrhunske vrijednosti struje linije pod utjecajem izvora napona. Kada se opterećenje stabilizira, iL ostaje konstantan. Zanemarujući pad napona na diodama D₁ do D₄ i samougasiocima T₁ i T₂, napon preko mosta je nula, a napon preko ograničujućeg induktora Llim je također nula. Stoga, ograničitelj struje ne pokazuje nikakvu vanjsku impedanciju i nema utjecaja na sustav.
Kada se dogodi greška kratkog spoja u sustavu, struja iL u superprovodnom induktoru raste. Pri detekciji greške kratkog spoja, T₁ i T₂ se odmah isključe, čime most prestaje s radom. Struja preopterećenja tada prelazi na preskočni ograničujući induktor Llim, dok struja u superprovodnom induktoru nastavlja protjecati kroz diode D₁ i D₄ dok ne opada na nulu. Slika 7 prikazuje valne oblike struje i napona u jednofaznom ograničitelju struje preopterećenja temeljenog na poloupravljivom mostu u stabilnom i greškovnom stanju.
Sustav se podiže na napajanje u t=0,02 sekunde i dostiže stabilno stanje unutar jednog ciklusa. Greška kratkog spoja se događa u t=0,1 sekunde, a T₁ se isključi unutar četvrtine ciklusa nakon detekcije greške. Parametri kruga korišteni za simulaciju su sljedeći: vrhunski fazni napon izvora snage je 100V/50Hz; vrhunska nominalna struja opterećenja je 10A; otpor opterećenja je 10Ω; superprovodni DC induktor L je 10mH; pad napona na diodama i upravljanim prekidnicima je 0,8V; a ograničujući induktor Llim je 10mH.
Jedan od glavnih ciljeva korištenja superprovodnih ograničitelja strujnog preopterećenja (SFCL-a) u elektroenergetskim sustavima je ograničiti struje preopterećenja kako ne bi prekoracile trenutnu kapacitet prekidnika linije. U analizi, omjer smanjenja struje preopterećenja D (0<D<1) često se koristi za predstavljanje postotka smanjenja vrhunske struje preopterećenja, a izraz za D je:
je vrhunska struja ubrzavanja tijekom kratkog spoja bez instaliranog SFCL-a, a njegova vrijednost ovisi o ekvivalentnom omjeru X/R sustava.
U jednadžbi (7), Ip označava amplitudu periodičnog dijela struje preopterećenja, a Ta je vremenska konstanta. ilim predstavlja vrhovnu vrijednost ograničene struje preopterećenja, koja ovisi o veličini ograničujućeg induktora Llim. Odabirom pravilne vrijednosti Llim, može se postići željeni postotak smanjenja vrhunske struje preopterećenja. Simulacije su provedene s Llim postavljenim na 10 mH, 15 mH i 20 mH, a rezultati su prikazani na slici 8. Može se vidjeti da veći Llim pruža bolju performansu ograničivanja struje, ali i dovodi do većih troškova operacije.
2.3 Poboljšanje poloupravljivog mostopnog ograničitelja struje preopterećenja
U konfiguraciji prikazanoj na slici 6, T₁ i T₂ su neprekidno aktivirani u normalnim uvjetima rada. Kada se detektira greška kratkog spoja, kontrolni krug isključuje i T₁ i T₂. Postavljanjem jednog upravljivog prekidnika T u zajednički put mosta umjesto T₁ i T₂, može se postići slična učinkovitost ograničivanja struje. Ova modifikacija smanjuje broj upravljivih komponenata, smanjuje troškove i pojednostavljuje složenost kruga. Schematicki dijagram prikazan je na slici 9.