1 브릿지형 초전도 고장 전류 제한기
1.1 브릿지형 SFCL의 구조 및 작동 원리
그림 1은 D₁에서 D₄까지의 4개의 다이오드, 직류 바이어스 전압 소스 V_b, 그리고 초전도 코일 L로 구성된 단상 회로도를 보여줍니다. 제한기가 고장 전류를 제한한 후 이를 차단하기 위해 제한기에 시리즈로 연결된 회로 차단기 CB가 있습니다. 바이어스 소스 V_b는 초전도 코일 L에 바이어스 전류 i_b를 제공합니다. V_b의 전압은 다이오드 쌍 (D₁와 D₃, 또는 D₂와 D₄)의 정방향 전압 강하를 극복할 수 있을 만큼 충분히 높게 설정되어 바이어스 전류 i₀를 설정합니다. i₀의 값은 과부하 조건을 고려하여 선 전류 i_max의 피크 값보다 크게 설정됩니다.
따라서 정상 조건에서는 다이오드 브릿지는 지속적으로 도전 상태를 유지하며, SFCL은 다이오드 브릿지의 미세한 정방향 전압 강하를 무시하면 선 전류 i에 대해 어떠한 임피던스도 나타내지 않습니다. 정상 운전 중 다이오드 D₁부터 D₄까지를 통과하는 전류가 각각 iD1부터 iD4라고 가정하면, 선 전류는:
키르히호프 전류 법칙(KCL)에 따라 얻어집니다:
선路上的电流迅速增加到i₀。在正负半周期中,一对二极管变为反向偏置并关闭,从而自动将线圈L插入电路中。因此,短路电流被线圈的电感抗所限制。
通过适当设置超导线圈的临界电流,在故障期间线圈保持在超导状态,避免响应时间和从淬火恢复的影响。然而,随着故障持续,通过超导电感器的电流继续上升,最终接近没有限流器时存在的稳态短路电流值。因此,必须在规定时间内通过断路器及时中断故障源。为简单起见,假设在电源电压过零时(t = t₀)发生短路故障。根据基尔霍夫电压定律(KVL),得到以下方程:
初始条件 \(i_L(t_0) = I_0\),解此微分方程得:
图2显示了正常运行和故障发生后电感电流和线路电流的波形,故障在t = 0.1 s时开始。仿真结果表明,由于超导电感器的限流作用,短路电流缓慢上升。限流过程本质上是超导电感器的磁化过程。一旦故障电流稳定,限流器就不再有效。因此,必须在短路电流达到其稳态值之前由断路器清除故障。图中,断路器在t = 0.2 s时清除故障。
### 1.2 桥型超导故障电流限制器的结构改进
传统的桥型超导故障电流限制器(SFCL)只能抑制短路电流的上升速率,但无法控制其稳态值。为了限制短路电流的稳态值,混合型SFCL结合了超导状态下零电阻和超导体淬火时电阻迅速增加的特点。这是通过将电阻式超导故障电流限制器与桥型SFCL集成来实现的。这种混合方法的示意图如图3所示。
在正常运行条件下,开关K是断开的,因此电阻式SFCL不会表现出任何外部阻抗,允许电流i_L无阻地通过它。当发生故障时,电阻式SFCL立即呈现高阻抗,并与超导电感器串联工作,共同抑制故障电流。故障清除后,开关K闭合;此时,由于其自身的高阻抗,电阻式SFCL被短路并迅速恢复到超导状态。
由于开关K具有导通电阻,它会被恢复的电阻式SFCL短路,从而使整个混合桥型限流器对外表现为低阻抗。此时,打开K结束整个限流过程。为了提高电阻式SFCL的容量,通常采用电阻式SFCL单元的串并联连接,以提高设备的电压和电流等级。图4显示了电阻式超导限流器的电路原理图,其中R₁至R₆表示超导电阻,R作为旁路电阻,可以在短路故障期间促使同一串联支路中的两个超导体同时淬火。
相间耦合变压器的作用是确保iL1 = iL2 = iL3,以便在短路故障发生后不同并联支路中的SFCL单元可以同时淬火。混合桥型SFCL利用超导体从超导状态到正常状态(S/N)的过渡特性,无需额外的故障检测机制即可在检测到故障时自动接入限流电阻,从而有效地限制短路电流的稳态值。然而,添加电阻式超导故障限制装置会增加总体运行成本,并延长从淬火恢复的时间,使系统重合闸操作复杂化。
### 2 非超导桥型故障电流限制器
#### 2.1 固态电流限制器
近年来,电力电子技术以及高容量电力半导体器件(如SCR、GTO、GTR和IGBT)的快速发展及其在实际系统中的广泛应用,使得由电感器、电阻器、电容器和电力电子元件组成的故障电流限制器成为研究热点。非超导桥型故障电流限制器由常规组件构成,避免了复杂的超导技术,具有高可靠性和良好的成本效益。
图5显示了一个理想单相桥型电流限制器的示意图,由一个单相桥电路和一个限流电感器L组成。在正常运行时,四个晶闸管上施加连续触发脉冲。经过短暂的磁化过程后,电感器中的电流达到负载电流的峰值。忽略晶闸管T₁至T₄上的电压降,限流器不表现出外部阻抗。
如果在电源电压的正半周期发生短路故障,则T₃被迫关断,将限流电感器插入电路中以抑制故障电流。通过适当设置电感器L的值,可以将短路电流限制在所需的任何水平。此外,该限流器还具有瞬时中断短路电流的能力。然而,由于使用了四个可控开关,瞬时中断的控制逻辑相对复杂。在限流过程中会产生显著的谐波,这些谐波可以通过在桥臂上并联旁路电感器来有效缓解。
#### 2.2 半控桥短路故障电流限制器
图6显示了基于半控桥和自关断器件的单相短路故障电流限制器的拓扑结构。该系统包括二极管D₁至D₄、自关断器件T₁和T₂、超导电感器L、限流电感器Llim和ZnO过电压吸收器,us表示交流电源,CB作为线路断路器。
在正常运行条件下,两个自关断器件T₁和T₂持续触发。在初始通电时,受电压源影响,超导电感器中的电流逐渐增加到线路电流的峰值。一旦负载稳定,iL保持恒定。忽略二极管D₁至D₄和自关断器件T₁和T₂的正向电压降,桥上的电压为零,限流电感器Llim上的电压也为零。因此,限流器不表现出外部阻抗,对系统没有影响。
当系统发生短路故障时,超导电感器中的电流iL增加。检测到短路故障后,T₁和T₂立即关断,导致桥退出运行。短路电流随后转移到旁路限流电感器Llim,而超导电感器中的电流继续通过二极管D₁和D₄流动,直到衰减为零。图7显示了基于半控桥的单相短路故障电流限制器在稳态和故障状态下的电流和电压曲线。
系统在t=0.02秒时通电,并在一个周期内达到稳态。在t=0.1秒时发生短路故障,检测到故障后四分之一周期内T₁关断。仿真的电路参数如下:电源的峰值相电压为100V/50Hz;额定负载电流的峰值为10A;负载电阻为10Ω;超导直流电感器L为10mH;二极管和可控开关的正向电压降为0.8V;限流电感器Llim为10mH。
在分析中,常用的故障电流降低比D(0