1 Híd-típusú szupravezető hibajárat-korlátozó
1.1 A hid-típusú SFCL szerkezete és működési elve
Az 1. ábra mutatja a hid-típusú SFCL egyfázisú áramkört, amely négy diodából (D₁–D₄), egy DC-pótlási feszültségforrásból (V_b) és egy szupravezető tekercsből (L) áll. Egy áramkörszakító (CB) sorban van kapcsolva a korlátozóval, hogy megszakassa a hibajáratot, miután ez már korlátozott lett. A V_b pótlási forrás áramot (i_b) nyújt a szupravezető tekercsnek (L). A V_b feszültsége olyan magas, hogy fel tudja törölni a diódapárok (D₁ és D₃, vagy D₂ és D₄) előre irányos lehullást, és beállíthatja a pótlási áramot (i₀). Az i₀ értéke nagyobb, mint az áramvonal-áram (i_max) csúcsértéke, túlterhelési körülményekkel.
Tehát normál működési feltételek mellett a diódahíd folyamatosan vezet, és az SFCL nem mutat semmilyen ellenállást az i áramvonal-áramnak, figyelembe véve a híd kisebb előre irányos lehullását. Feltételezzük, hogy normál működés közben a D₁–D₄ diódák által átvezetett áramok rendre iD1–iD4, az áramvonal-áram pedig:
Ezt Kirchhoff áramtörvénye (KCL) alapján kapjuk:
Ha rövidzárlat történik az áramvonalon, az áramvonal-áram gyorsan nő i₀-ig. A pozitív és negatív félperiódusok során egy diódapár fordítottan lesz polarizálva, és kikapcsolódik, így automatikusan beilleszti a L tekercset a körbe. A rövidzárlati áram ezzel korlátozódik a tekercs induktív reaktanciáján keresztül.
A szupravezető tekercs kritikus áramának megfelelő beállítása mellett a tekercs marad a szupravezető állapotban a hiba során, elkerülve a válaszidő és a quench utáni helyreállás hatásait. Ha azonban a hiba folytatódik, a szupravezető induktor áramának folyamatosan növekednie kell, végül közeledve a stabil rövidzárlati áram értékhez, ami lenne anélkül, hogy a korlátozó létezne. Ezért a hibaforrásnak időben, a megadott időn belül, egy áramkörszakítóval kell megszakítani. Egyszerűség kedvéért tegyük fel, hogy a rövidzárlat történik abban a pillanatban, amikor a forrásfeszültség áthalad a nullán (t = t₀). Kirchhoff feszültségtörvénye (KVL) alapján a következő egyenletet kapjuk:
Kezdeti feltétel I0, ennek a differenciálegyenletnek a megoldása:
A 2. ábra mutatja a tekercs- és áramvonal-áram hullámformáit normál működés közben és a hiba után, a hiba kezdete t = 0,1 s. A szimuláció eredményei azt mutatják, hogy a rövidzárlati áram lassan nő a szupravezető tekercs áramkorlátozó hatásának köszönhetően. Az áramkorlátozó folyamat lényegében a szupravezető tekercs mágnesesítése. Amint a hibajárat stabilizálódik, a korlátozó hatását veszti. Ezért a rövidzárlati áram stabilitási értékének elérése előtt a hibát az áramkörszakítónak kell megszakítania. Az ábrán a hiba megszakítása történik t = 0,2 s-nél.
1.2 A hid-típusú szupravezető hibajárat-korlátozó szerkezetének fejlesztése
A hagyományos hid-típusú szupravezető hibajárat-korlátozó (SFCL) csak a rövidzárlati áram emelkedési ütemét korlátozhatja, de hatástalan a stabil értékek ellen. A stabil rövidzárlati áram értékeinek korlátozásához egy hibrid SFCL kombinálja a szupravezető állapotban nulla ellenállás és a quench során gyorsan növekvő ellenállás jellemzőit. Ezt a hibrid megközelítést a rezisztív szupravezető hibajárat-korlátozók és a hid-típusú SFCL integrálásával érik el. A hibrid megközelítés sémaábrája látható a 3. ábrán.
Normál működési feltételek mellett a K kapcsoló nyitva van, így a rezisztív SFCL nem mutat külső ellenállást, és az i_L áram át tud haladni rajta ellenállás nélkül. A hiba bekövetkezésekor a rezisztív SFCL azonnal nagy ellenállást mutat, és sorba áll a szupravezető tekercsvel a hibajárat korlátozására. A hiba megszüntetése után a K kapcsoló záródik, ekkor a rezisztív SFCL saját magas ellenállásának köszönhetően kihagyható, és gyorsan visszaáll a szupravezető állapotba.
Mivel a K kapcsolónak van konduktív ellenállása, a helyreállt rezisztív SFCL kihagyja, így a teljes hibrid hid-típusú korlátozó külsőleg alacsony ellenállású lesz. Ezen a ponton a K kapcsoló megnyitása befejezi az egész áramkorlátozó folyamatot. A rezisztív SFCL kapacitásának növelése érdekében általában sor- és párhuzamos kapcsolású rezisztív SFCL egységeket használnak, hogy javítsák a berendezés feszültség- és áramerősség-rendszereit. A 4. ábra a rezisztív szupravezető korlátozó áramkört mutat, ahol R₁–R₆ a szupravezető ellenállásokat, R pedig a körülmenő ellenállást jelenti, amely képes két szupravezető ugyanabban a sorban való simultán quench-ezésére a rövidzárlat esetén.
A fáziskapcsoló transzformátor szerepe az, hogy biztosítsa, hogy iL1 = iL2 = iL3, így a különböző párhuzamos ágakban található SFCL egységek simultán quench-ezhetnek a rövidzárlat után. A hibrid hid-típusú SFCL hatékonyan korlátozza a rövidzárlati áram stabil értékeit, a szupravezető S/N (szupravezető/normál) átmeneti jellemzőinek kihasználásával, automatikusan bekapcsolva a korlátozó ellenállást a hiba detektálása során, anélkül, hogy további hiba detektáló mechanizmusokra lenne szükség. Azonban a rezisztív szupravezető hibajárat-korlátozó berendezés hozzáadása növeli az operációs költségeket, és hosszabbítja a quench utáni helyreállási időt, komplikálva a rendszer újrakapcsolási műveletek koordinációját.
2 Hid-típusú nem-szupravezető hibajárat-korlátozó
2.1 Szilárdtestes áramkorlátozó
Az elmúlt években a villamosenergia-technológia és a nagyképességű villamosenergia-szemellyenek (például SCR, GTO, GTR, IGBT) gyors fejlődése, valamint széles körben történő alkalmazása gyakorlati rendszerekben, az induktív, rezisztív, kondenzátoros és villamosenergia-komponens-ből álló hibajárat-korlátozók kutatási témává tette. A nem-szupravezető hid-típusú hibajárat-korlátozó hagyományos komponensekből épül, elkerülve a bonyolult szupravezető technológiát, és kínál magas megbízhatóságú és költséghatékony előnyöket.
Az 5. ábra egy ideális egyfázisú hid-típusú áramkorlátozó sémaábráját mutatja, amely egy egyfázisú hid-körből és egy áramkorlátozó induktorból (L) áll. Normál működés közben folyamatosan aktiváló impulzusokat adnak a négy thyristornak. Rövid mágnesesítési folyamat után az induktorban lévő áram eléri a terhelés-áram csúcsértékét. Ha a T₁–T₄ thyristorokon lévő feszültség-lehullást hanyagoljuk, a korlátozó nem mutat külső ellenállást.
Ha rövidzárlat történik a forrásfeszültség pozitív félperiódusa során, a T₃ kikapcsolódik, beilleszve az áramkorlátozó induktort a körbe a hibajárat korlátozására. A L induktor értékének megfelelő beállításával a rövidzárlati áram korlátozható bármilyen kívánt szintre. Emellett a korlátozó képes azonnal megszakítani a rövidzárlati áramot. Azonban a négy vezérelhető kapcsoló használata miatt az azonnali megszakítás logikája viszonylag complex. Az áramkorlátozás során jelentős harmonikusok jelennek meg, amelyek hatékonyan csökkenthetők a hid-lábakba párhuzamosan kapcsolt körülmenő induktorok segítségével.
2.2 Félvezérelhető hid típusú rövidzárlati hibajárat-korlátozó
A 6. ábra egy egyfázisú rövidzárlati hibajárat-korlátozó topológiáját mutatja, amely félvezérelhető hid és önlemeződő eszközök alapján működik. A rendszer D₁–D₄ diódákból, T₁ és T₂ önlemeződő eszközökből, L szupravezető tekercsből, Llim áramkorlátozó tekercsből, ZnO túlfeszültség-elnyelőből, us AC-forrásból és CB vonalkör-áramkörszakítóból áll.
Normál működési feltételek mellett a T₁ és T₂ önlemeződő eszközök folyamatosan aktiválva vannak. A kezdeti bekapcsolás során a szupravezető tekercsben lévő áram a forrásfeszültség hatására fokozatosan növekszik a vonal-áram csúcsértékéig. Ahogy a terhelés stabilizálódik, az iL állandó marad. A D₁–D₄ diódák és a T₁, T₂ önlemeződő eszközök előre irányos lehullását hanyagolva, a hidon lévő feszültség nulla, és az Llim áramkorlátozó tekercsen lévő feszültség is nulla. Így az áramkorlátozó nem mutat külső ellenállást, és nem befolyásolja a rendszert.
Amikor a rendszerben rövidzárlat történik, a szupravezető tekercsben lévő iL áram növekszik. A rövidzárlat detektálása után a T₁ és T₂ azonnal kikapcsolódnak, és a hid kikapcsolódik. A rövidzárlati áram ekkor átkerül a körülmenő Llim áramkorlátozó tekercsre, míg a szupravezető tekercsben lévő áram folyamatosan halad a D₁ és D₄ diódákon, amíg nullává nem csökken. A 7. ábra a félvezérelhető hid alapján működő egyfázisú rövidzárlati hibajárat-korlátozó állandó és hiba állapotú áram- és feszültség-hullámformáit mutatja.
A rendszer bekapcsolódik t=0,02 másodpercben, és egy perióduson belül stabil állapotba kerül. A rövidzárlat történik t=0,1 másodpercben, és a T₁ kikapcsolódik a hiba detektálása után negyed perccel. A szimulációhoz használt körparaméterek a következők: a forrás fázisfeszültségének csúcsértéke 100V/50Hz, a nominális terhelés-áram csúcsértéke 10A, a terhelés-ellenállás 10Ω, a szupravezető DC-induktor (L) 10mH, a diódák és a vezérelhető kapcsolók előre irányos lehullása 0,8V, és az áramkorlátozó induktor (Llim) 10mH.
A szupravezető hibajárat-korlátozók (SFCL) használata villamos energiaszolgáltató rendszerekben elsősorban a célja, hogy a hibajáratokat korlátozzák, hogy ne lépjék túl a vonalkör-áramkörszakítók azonnali megszakító kapacitását. Az elemzés során a hibajárat-csökkentési arány D (0<D<1) gyakran használják a csúcs-hibajárat csökkentési százalékának jelölésére, és a D kifejezése:
a rövidzárlat során fellángoló csúcs-áram anélkül, hogy a SFCL telepítve lenne, és értéke a rendszer ekvivalens X/R arányával kapcsolatos.
A (7) egyenletben Ip a rövidzárlati áram periodikus összetevőjének amplitúdusát, és Ta a időállandót jelöli. ilim a korlátozott rövidzárlati áram csúcsértékét jelöli, amely a Llim áramkorlátozó induktor méretétől függ. A Llim értékének megfelelő kiválasztásával elérhető a kívánt csúcs-hibajárat csökkentési százalék. A szimulációk a Llim 10 mH, 15 mH és 20 mH értékekre végzett, és az eredmények a 8. ábrán láthatók. Látható, hogy a nagyobb Llim jobb áramkorlátozó teljesítményt nyújt, de magasabb operációs költségeket is jelent.
2.3 A félvezérelhető hid típusú rövidzárlati hibajárat-korlátozó fejlesztése
A 6. ábrán látható konfigurációban a T₁ és T₂ folyamatosan aktiválva vannak normál működési feltételek mellett. Amikor rövidzárlat történik, a vezérlő kör kikapcsolja mind a T₁-et, mind a T₂-t. A T₁ és T₂ helyettesítésére egyetlen vezérelhető kapcsoló (T) elhelyezése a hid közös útjában hasonló áramkorlátozó hatást eredményez. Ez a módosítás csökkenti a vezérelhető kapcsolókomponensek számát, csökkenti a költségeket, és egyszerűsíti a kör komplexitását. A sémaábra a 9. ábrán látható.
3 Következtetés
Ebben a cikkben számos