1 Brugtype Supergeleidend Stroombeperker
1.1 Structuur en werking van de brugtype SFCL
Figuur 1 toont het eenfasige schakelingsschema van de brugtype SFCL, die bestaat uit vier dioden D₁ tot D₄, een gelijkspanningsvoorspanningsbron V_b, en een supergeleidende spoel L. Een circuitbreker CB is in serie met de beperker verbonden om de foutstroom te onderbreken nadat deze beperkt is. De voorspanningsbron V_b levert een voorspanningsstroom i_b aan de supergeleidende spoel L. De spanning van V_b is voldoende hoog ingesteld om de voorwaartse spanning over de diodeparen (D₁ en D₃, of D₂ en D₄) te overwinnen, waardoor een voorspanningsstroom i₀ wordt opgewekt. De waarde van i₀ is groter ingesteld dan de piekwaarde van de lijnstroom i_max, met rekening houdend met overbelastingsomstandigheden.
Daarom blijft de diodebrug onder normale omstandigheden continu geleidend, en de SFCL vertoont geen impedantie ten opzichte van de lijnstroom i, met uitzondering van de geringe voorwaartse spanning over de brug. Aangenomen dat tijdens normaal gebruik de stromen door de dioden D₁ tot D₄ respectievelijk iD1 tot iD4 zijn, is de lijnstroom:
Dit wordt verkregen volgens Kirchhoffs Wet van de Stromen (KCL):
Bij het optreden van een kortsluitingsfout op de lijn neemt de lijnstroom snel toe tot i₀. Tijdens de positieve en negatieve halve cycli wordt één paar dioden invers gepolariseerd en gaat uit, waardoor de spoel L automatisch in de schakeling wordt ingevoegd. De kortsluitingsstroom wordt hierdoor beperkt door de inductieve reactantie van de spoel.
Door de kritische stroom van de supergeleidende spoel adequaat in te stellen, blijft de spoel in de supergeleidende staat tijdens de fout, waardoor de effecten van responstijd en herstel na quenching worden vermeden. Echter, als de fout aanhoudt, blijft de stroom door de supergeleidende inductor stijgen, en nadert uiteindelijk de stabiele kortsluitingsstroomwaarde die zou bestaan zonder de beperker. Daarom moet de foutbron binnen een gespecificeerde tijd door een circuitbreker tijdig worden onderbroken. Voor eenvoud wordt aangenomen dat de kortsluitingsfout optreedt op het moment dat de bronspanning nul passeert (t = t₀). Volgens Kirchhoffs Spanningswet (KVL) wordt de volgende vergelijking verkregen:
Beginconditie I0, bij het oplossen van deze differentiaalvergelijking krijgt men:
Figuur 2 toont de golfformen van de inductorstroom en lijnstroom tijdens normaal gebruik en na het optreden van een fout, waarbij de fout begint op t = 0,1 s. De simulatie-resultaten wijzen erop dat de kortsluitingsstroom langzaam stijgt door het stroombeperkende effect van de supergeleidende inductor. Het stroombeperkingsproces is eigenlijk de magnetisatie van de supergeleidende inductor. Zodra de foutstroom stabiliseert, houdt de beperker op effectief te zijn. Daarom moet de fout door de circuitbreker worden weggenomen voordat de kortsluitingsstroom haar stabiele waarde bereikt. In de figuur wordt de fout door de circuitbreker weggenomen op t = 0,2 s.
1.2 Structuurverbetering van brugtype supergeleidende stroombeperkers
Een conventionele brugtype supergeleidende stroombeperker (SFCL) kan slechts de stijgingssnelheid van kortsluitingsstromen onderdrukken, maar is niet effectief in het controleren van hun stabiele waarden. Om de stabiele waarde van kortsluitingsstromen te beperken, combineert een hybride SFCL de eigenschappen van nulweerstand in de supergeleidende staat en de snelle toename van weerstand tijdens quenching van supergeleiders. Dit wordt bereikt door resistieve supergeleidende stroombeperkers te integreren met brugtype SFCL's. Het schematische diagram van deze hybride benadering is weergegeven in figuur 3.
Onder normale bedrijfsomstandigheden is schakelaar K open, zodat de resistieve SFCL geen externe impedantie vertoont, waardoor stroom i_L zonder weerstand door hem heen kan stromen. Bij het optreden van een fout presenteert de resistieve SFCL onmiddellijk hoge impedantie en werkt in serie met de supergeleidende inductor om gezamenlijk de foutstroom te onderdrukken. Na het wegnemen van de fout wordt schakelaar K gesloten; op dit moment, door zijn eigen hoge impedantie, wordt de resistieve SFCL kortgesloten en keert snel terug naar de supergeleidende staat.
Aangezien schakelaar K een geslotenweerstand heeft, zal deze door de herstelde resistieve SFCL worden kortgesloten, waardoor de hele hybride brugtype beperker extern als lage impedantie verschijnt. Op dit moment wordt het gehele stroombeperkingsproces afgesloten door K te openen. Om de capaciteit van de resistieve SFCL te versterken, worden meestal series- en parallelverbindingen van resistieve SFCL-eenheden gebruikt om de spanning- en stroomratings van het apparaat te verbeteren. Figuur 4 illustreert het schakelschema van de resistieve supergeleidende beperker, waarin R₁ tot R₆ supergeleidende weerstanden vertegenwoordigen, en R als bypass-weerstand fungeert die kan zorgen voor simultane quenching van twee supergeleiders in dezelfde seriearm tijdens een kortsluitingsfout.
De rol van de tussenfase-koppelingstransformator is om ervoor te zorgen dat iL1 = iL2 = iL3, zodat SFCL-eenheden in verschillende parallelarmen tegelijkertijd kunnen quenching na het optreden van een kortsluitingsfout. De hybride brugtype SFCL beperkt effectief de stabiele waarde van kortsluitingsstromen door gebruik te maken van de transitie-eigenschappen van de supergeleider van supergeleidende naar normale staat (S/N), automatisch de stroombeperkende weerstand inschakelend bij het detecteren van een fout zonder extra foutdetectiemechanismen nodig te hebben. Echter, de toevoeging van de resistieve supergeleidende stroombeperkende apparatuur verhoogt de totale operatiekosten en verlengt de hersteltijd na quenching, wat de coördinatie met systeemheropening complicatieert.
2 Brugtype Niet-Supergeleidende Stroombeperker
2.1 Vaste-staats stroombeperker
In recente jaren hebben snelle ontwikkelingen in de technologie van elektronica en krachtige halvegeleiderapparatuur - zoals SCR, GTO, GTR en IGBT - samen met hun wijdverspreide toepassing in praktische systemen, stroombeperkers samengesteld uit inductoren, weerstanden, condensatoren en elektronische componenten een onderzoeksgebied gemaakt. De niet-supergeleidende brugtype stroombeperker is gebouwd met conventionele componenten, vermijdt complexe supergeleidende technologie, en biedt voordelen van hoge betrouwbaarheid en goede kosten-effectiviteit.
Figuur 5 toont het schematische diagram van een ideale eenfasige brugtype stroombeperker, bestaande uit een eenfasige brugschakeling en een stroombeperkende inductor L. Onder normale bedrijfsomstandigheden worden continue trigger-pulsen toegepast op de vier thyristoren. Na een korte magnetiseringsperiode bereikt de stroom in de inductor de piekwaarde van de belastingsstroom. Wanneer de spanningsval over thyristoren T₁ tot T₄ wordt genegeerd, vertoont de beperker geen externe impedantie.
Als er een kortsluitingsfout optreedt tijdens de positieve halve cyclus van de voedingsspanning, wordt T₃ gedwongen uit te gaan, waardoor de stroombeperkende inductor in de schakeling wordt ingevoegd om de foutstroom te onderdrukken. Door de waarde van inductor L goed in te stellen, kan de kortsluitingsstroom tot elk gewenst niveau worden beperkt. Bovendien heeft deze beperker de mogelijkheid om de kortsluitingsstroom onmiddellijk te onderbreken. Echter, vanwege het gebruik van vier bedienbare schakelaars, is de controlelogica voor onmiddellijke onderbreking relatief complex. Tijdens het beperken van de foutstroom worden significante harmonischen gegenereerd; deze kunnen effectief worden verminderd door bypass-inductoren parallel aan de brugarmen te verbinden.
2.2 Semi-gecontroleerde brug korte sluiting stroombeperker
Figuur 6 illustreert de topologie van een eenfasige korte sluiting stroombeperker gebaseerd op een semi-gecontroleerde brug en zelf-uitschakelende apparatuur. Dit systeem bestaat uit dioden D₁ tot D₄, zelf-uitschakelende apparatuur T₁ en T₂, een supergeleidende inductor L, een stroombeperkende inductor Llim, en een ZnO overvoltage absorber, met us als de wisselspanningsbron en CB als de lijncircuitbreker.
Onder normale bedrijfsomstandigheden worden de twee zelf-uitschakelende apparatuur T₁ en T₂ continu getriggerd. Bij het eerste aanzetten neemt de stroom in de supergeleidende inductor geleidelijk toe tot de piekwaarde van de lijnstroom onder invloed van de spanningbron. Zodra de belasting stabiliseert, blijft iL constant. Wanneer de voorwaartse spanningsval over dioden D₁ tot D₄ en zelf-uitschakelende apparatuur T₁ en T₂ wordt genegeerd, is de spanning over de brug nul, en de spanning over de stroombeperkende inductor Llim is ook nul. Daarom vertoont de stroombeperker geen externe impedantie en heeft geen impact op het systeem.
Wanneer er een kortsluitingsfout optreedt in het systeem, neemt de stroom iL in de supergeleidende inductor toe. Bij het detecteren van de kortsluitingsfout worden T₁ en T₂ onmiddellijk uitgeschakeld, waardoor de brug ophoudt met werken. De kortsluitingsstroom gaat dan over naar de bypass stroombeperkende inductor Llim, terwijl de stroom in de supergeleidende inductor door de dioden D₁ en D₄ blijft stromen totdat deze afneemt tot nul. Figuur 7 toont de stationaire en fouttoestand stroom- en spanninggolven van een eenfasige korte sluiting stroombeperker gebaseerd op een semi-gecontroleerde brug.
Het systeem start op bij t=0,02 seconden en bereikt stationair binnen één cyclus. Er treedt een kortsluitingsfout op bij t=0,1 seconde, en T₁ wordt uitgeschakeld binnen een kwartcyclus na het detecteren van de fout. De schakelelementen die voor de simulatie werden gebruikt, zijn als volgt: de piekfase spanning van de voeding is 100V/50Hz; de pieknominale belastingsstroom is 10A; de belastingsweerstand is 10Ω; de supergeleidende gelijkspanningsinductor L is 10mH; de voorwaartse spanningsval over de dioden en bedienbare schakelaars is 0,8V; en de stroombeperkende inductor Llim is 10mH.
Een van de belangrijkste doelen van het gebruik van supergeleidende stroombeperkers (SFCL's) in energie-systemen is om foutstromen te beperken zodat ze de instantane onderbrekingscapaciteit van lijncircuitbrekers niet overschrijden. In de analyse wordt vaak de vermindering van de foutstroom D (0<D<1) gebruikt om de percentagevermindering van de piekfoutstroom weer te geven, en de expressie voor D is:
is de piekinrushstroom tijdens een kortsluiting zonder de SFCL geïnstalleerd, en de waarde hiervan hangt af van het equivalente X/R-verhouding van het systeem.
In vergelijking (7) stelt Ip de amplitude van de periodieke component van de kortsluitingsstroom voor, en Ta is de tijdsconstante. ilim stelt de piekwaarde van de beperkte kortsluitingsstroom voor, die afhangt van de grootte van de stroombeperkende inductor Llim. Door de waarde van Llim adequaat te kiezen, kan de gewenste percentagevermindering van de piekfoutstroom worden bereikt. Simulaties werden uitgevoerd met Llim ingesteld op 10 mH, 15 mH en 20 mH, en de resultaten staan in figuur 8. Het kan worden waargenomen dat een grotere Llim betere stroombeperkingsprestaties biedt, maar ook leidt tot hogere bedrijfskosten.
2.3 Verbetering van de semi-gecontroleerde brug korte sluiting stroombeperker
In de configuratie weergegeven in figuur 6 worden T₁ en T₂ continu getriggerd onder normale bedrijfsomstandigheden. Zodra een kortsluitingsfout wordt gedetecteerd, schakelt het regelcircuit zowel T₁ als T₂ uit. Door een enkele bedienbare schakelaar T in het gemeenschappelijke pad van de brug te plaatsen om T₁ en T₂ te vervangen, kan vergelijkbare stroombeperkingsdoeltreffendheid worden bereikt. Deze modificatie vermindert het aantal bedienbare schakelaarkomponenten, verlaagt de kosten, en vereenvoudigt de schakelexplexiteit. Het schematische diagram is weergegeven in figuur 9.
3 Conclusie
Dit artikel presenteert verschillende typen brugtype kortsluitingsstroombeperkers. Door een conventionele supergeleidende brugtype stroombeperker te koppelen met een resistieve supergeleidende stroombeperker, kunnen zowel de piek- als de stabiele waarden van kortsluitingsstromen effectief worden beperkt. Bovendien maakt het systeem gebruik van de S/N (supergeleidende-naar-normale) transitie-eigenschappen van supergeleidende materialen, integreert foutdetectie, triggering en stroombeperking in één eenheid, wat snelle respons en hoge betrouwbaarheid biedt.
In recente jaren, met de snelle ontwikkeling en praktische toepassing van elektronica en krachtige elektronische apparatuur, hebben niet-supergeleidende brugtype kortsluitingsstroombeperkers - bestaande uit conventionele elektronische schakelaars en inductoren - voordelen in betrouwbaarheid en kosten-effectiviteit gekregen door het ontbreken van complexe supergeleidende technologie. Simulatieresultaten tonen aan dat beide soorten stroombeperkers uitstekende stroombeperkingsprestaties behalen, wat de haalbaarheid van de voorgestelde stroombeperkingsbenaderingen bevestigt.