1 Brotype superkonduktende feilstrøm begrenser
1.1 Struktur og driftsprinsipp for brotype SFCL
Figur 1 viser enfasen strømkretsdiagram for brotypen SFCL, som består av fire dioder D₁ til D₄, en DC-forskyvningsspenningskilde V_b, og en superkonduktende spole L. En strømkretsbryter CB er koblet i serie med begrenseren for å avbryte feilstrømmen etter at den har blitt begrenset. Forskyvningskilden V_b gir en forskyvningsstrøm i_b til superkonduktende spolen L. Spenningen på V_b er satt høy nok til å overkomme den fremoverledende spenningsfallet av diodepar (D₁ og D₃, eller D₂ og D₄), etablering av en forskyvningsstrøm i₀. Verdien av i₀ er satt større enn toppverdien av linjestrømmen i_max, med tillatelse for overbelastningsforhold.
Derfor, under normale forhold, forbli diodebroen kontinuerlig ledende, og SFCL uttrykker ikke noen impedans mot linjestrømmen i, unntatt det små fremoverledende spenningsfallet over broen. Ved å anta at under normal drift strømmene som passerer gjennom diodene D₁ til D₄ er iD1 til iD4 henholdsvis, er linjestrømmen:
Det blir oppnådd ifølge Kirchhoffs Strømlov (KCL):
Når det oppstår en kortslutningsfeil på linjen, øker linjestrømmen raskt til i₀. Under de positive og negative halvsyklene blir et par dioder reversert-biased og slukkes, dermed automatisk setter inn spolen L i kretsen. Den kortslutningsstrømmen blir dermed begrenset av induktiv reaktanse fra spolen.
Ved å sette den kritiske strømmen til superkonduktende spolen passende, forbli spolen i superkonduktende tilstand under feilen, unngår effekten av respons tid og gjenoppretting fra kvenshing. Imidlertid, som feilen fortsetter, strømmen gjennom superkonduktende induktor fortsetter å stige, til slutt nærmer seg den stabile kortslutningsstrømmen verdien som ville eksistert uten begrenseren. Derfor, må feilkilden bli avbrutt på tide av en strømkretsbryter innen en angitt tid. For enkelhet, antas det at kortslutningsfeilen oppstår ved tiden når kilde spenningen passerer null (t = t₀). Ifølge Kirchhoffs Spenningslov (KVL), blir følgende ligning oppnådd:
Initalbetingelse I0, løser denne differensialligningen gir:
Figur 2 viser bølgemønstrene til induktorstrøm og linjestrøm under normal drift og etter at en feil oppstår, med feilen initiert ved t = 0.1 s. Simuleringsresultatene indikerer at kortslutningsstrømmen stiger sakte på grunn av strømbegrensningseffekten av superkonduktende induktor. Strømbegrensningsprosessen er i vesentlig magnetisering av superkonduktende induktor. Når feilstrømmen stabiliserer, opphører begrenseren å være effektiv. Derfor, må feilen bli ryddet av strømkretsbryteren før kortslutningsstrømmen når sin stabile verdi. I figuren, blir feilen ryddet av strømkretsbryteren ved t = 0.2 s.
1.2 Strukturell forbedring av brotype superkonduktende feilstrøm begrenser
En konvensjonell brotype superkonduktende feilstrøm begrenser (SFCL) kan bare undertrykke hastigheten av stigning av kortslutningsstrømmer, men er ineffektiv i kontroll av deres stabile verdier. For å begrense den stabile verdien av kortslutningsstrømmer, kombinerer en hybrid SFCL egenskapene av null motstand i superkonduktende tilstand og hurtig økning i motstand under kvenshing av superledere. Dette oppnås ved å integrere motstandsbeholdende superkonduktende feilstrøm begrenser med brotype SFCL. Skissen av denne hybride tilnærmingen vises i figur 3.
Under normale driftsforhold, er bryter K åpen, så den motstandsbeholdende SFCL uttrykker ingen eksterne impedans, lar strømmen i_L passere gjennom den uten motstand. Ved forekomsten av en feil, presenterer den motstandsbeholdende SFCL umiddelbart høy impedans og fungerer i serie med superkonduktende induktor for å felles begrense feilstrømmen. Etter at feilen er ryddet, er bryter K lukket; på dette punktet, pga sin egen høy impedans, er den motstandsbeholdende SFCL kortsluttet og snart returnerer til superkonduktende tilstand.
Siden bryter K har påslagsmotstand, vil den bli kortsluttet av den gjenopprettede motstandsbeholdende SFCL, dermed gjør hele den hybride brotypen begrenseren ser ut som lav impedans eksternt. På dette øyeblikket, åpning av K avslutter hele strømbegrensningsprosessen. For å forbedre kapasiteten til den motstandsbeholdende SFCL, brukes typisk serie- og parallelkopling av motstandsbeholdende SFCL enheter for å forbedre spenning og strøm rangering av enheten. Figur 4 illustrerer krets skissen av den motstandsbeholdende superkonduktende begrenser, hvor R₁ til R₆ representerer superkonduktende motstand, og R fungerer som en bypass motstand som kan stimulere samtidig kvenshing av to superledere i samme serie gren under en kortslutningsfeil.
Rollen til mellomfasen koblingstransformator er å sikre at iL1 = iL2 = iL3, slik at SFCL enheter over forskjellige parallelle grenene kan kvenshes samtidig etter at en kortslutningsfeil oppstår. Den hybride brotype SFCL begrenser effektivt den stabile verdien av kortslutningsstrømmer ved å benytte overgangsegenskapene til superlederen fra superkonduktende til normal tilstand (S/N), automatiske aktivering av strømbegrensende motstand ved feildeteksjon uten behov for ekstra feildeteksjonsmekanismer. Imidlertid, øker leggingen av den motstandsbeholdende superkonduktende strømbegrensende enheten total driftskostnad og forlenget gjenopprettings tid fra kvenshing, kompliserer koordinasjon med systemets gjenåpning operasjoner.
2 Brotype ikke-superkonduktende feilstrøm begrenser
2.1 Fasttilstand strømbegrenser
I de siste årene, raske fremskritt i kraftteknologi og høy kapasitets kraftsemikonduktorenheter - som SCR, GTO, GTR, og IGBT - sammen med deres omfattende bruk i praktiske systemer, har gjort strømbegrenser sammensatt av induktorer, motstand, kondensatorer, og kraftteknologikomponenter til et forskningsfokus. Den ikke-superkonduktende brotype feilstrøm begrenser er bygget av konvensjonelle komponenter, unngår kompleks superkonduktende teknologi, og tilbyr fordeler med høy pålitelighet og god kostnadseffektivitet.
Figur 5 viser skissen av en ideell enfasen brotype strømbegrenser, bestående av en enfasen brokrets og en strømbegrensende induktor L. Under normal drift, er kontinuerlige triggerimpulser anvendt på de fire thyristorer. Etter en kort magnetiseringsprosess, når strømmen i induktoren toppverdien av belastningsstrømmen. Når spenningsfallet over thyristorer T₁ til T₄ ignoreres, uttrykker begrenseren ingen eksterne impedans.
Hvis en kortslutningsfeil oppstår under den positive halvsyklusen av kilde spenningen, blir T₃ tvunget til å slukkes, setter inn strømbegrensende induktor i kretsen for å begrense feilstrømmen. Ved å sette verdien av induktor L passende, kan kortslutningsstrømmen begrenses til enhver ønsket nivå. I tillegg har denne begrenseren evnen til å øyeblikkelig avbryte kortslutningsstrømmen. Imidlertid, på grunn av bruk av fire kontrollerbare brytere, er kontrolllogikken for øyeblikkelig avbrudd relativt kompleks. Under strømbegrensning genereres betydelige harmoniske; disse kan effektivt reduseres ved å koble bypassinduktorer parallelt over broarmene.
2.2 Semi-kontrollert bro kortslutningsfeilstrøm begrenser
Figur 6 illustrerer topologien av en enfasen kortslutningsfeilstrøm begrenser basert på en semi-kontrollert bro og selvavskruende enheter. Dette systemet består av dioder D₁ til D₄, selvavskruende enheter T₁ og T₂, en superkonduktende induktor L, en strømbegrensende induktor Llim, og en ZnO overvoltage absorber, med us representerer AC-kilde og CB fungerer som linje strømkretsbryter.
Under normale driftsforhold, er de to selvavskruende enhetene T₁ og T₂ kontinuerlig trigget. Ved initial oppstart, øker strømmen i superkonduktende induktor gradvis til toppverdien av linjestrømmen under påvirkning av spenningkilden. Etter at belastningen stabiliseres, forbli iL konstant. Ved å ignorere fremoverledende spenningsfall over dioder D₁ til D₄ og selvavskruende enheter T₁ og T₂, er spenningen over broen null, og spenningen over strømbegrensende induktor Llim er også null. Dermed uttrykker strømbegrenseren ingen eksterne impedans og har ingen innvirkning på systemet.
Når en kortslutningsfeil oppstår i systemet, øker strømmen iL i superkonduktende induktor. Ved deteksjon av kortslutningsfeil, blir T₁ og T₂ umiddelbart slukket, fører til at broen avslutter drift. Da overføres kortslutningsstrømmen til bypass strømbegrensende induktor Llim, mens strømmen i superkonduktende induktor fortsetter å flyte gjennom dioder D₁ og D₄ til den døper til null. Figur 7 viser stabiltilstand og feilstilstand strøm og spenningskurver av en enfasen kortslutningsfeilstrøm begrenser basert på en semi-kontrollert bro.
Systemet starter opp ved t=0.02 sekunder og når stabiltilstand innen én syklus. En kortslutningsfeil oppstår ved t=0.1 sekunder, og T₁ slukkes innen en kvartals syklus etter at feilen er detektert. Kretsparametrene som ble brukt for simuleringen er som følger: toppfasenspenningen av kilden er 100V/50Hz; toppbelastningsstrømmen er 10A; belastningsmotstanden er 10Ω; superkonduktende DC-induktor L er 10mH; fremoverledende spenningsfall over dioder og kontrollerbare brytere er 0.8V; og strømbegrensende induktor Llim er 10mH.
En av de primære formålene med å bruke superkonduktende feilstrøm begrenser (SFCLs) i kraftsystemer er å begrense feilstrømmer slik at de ikke overstiger den øyeblikkelige avbrytningskapasiteten til linje strømkretsbrytere. I analyse, brukes ofte feilstrøm reduksjonsforholdet D (0<D<1) for å representere prosentredusert toppfeilstrøm, og uttrykket for D er:
er toppinrush-strømmen under kortslutning uten SFCL installert, og dens verdi er relatert til systemets ekvivalente X/R forhold.
I ligning (7), Ip betegner amplituden av periodisk komponent av kortslutningsstrømmen, og Ta er tidkonstanten. ilim representerer toppverdien av den begrensede kortslutningsstrømmen, som avhenger av størrelsen på strømbegrensende induktor Llim. Ved å velge verdien av Llim passende, kan ønsket prosentredusert toppfeilstrøm oppnås. Simuleringer ble utført med Llim satt til 10 mH, 15 mH, og 20 mH, og resultater er vist i figur 8. Det kan observeres at en større Llim gir bedre strømbegrensningsevne, men også fører til høyere driftskostnader.
2.3 Forbedring av semi-kontrollert bro kortslutningsfeilstrøm begrenser
I konfigurasjonen vist i figur 6, er T₁ og T₂ kontinuerlig trigget under normale driftsforhold. Når en kortslutningsfeil er detektert, slukkes både T₁ og T₂ av kontrollkretsen. Ved å plassere en enkelt kontrollerbar bryter T i den felles veien av broen for å erstatte T₁ og T₂, kan liknende strømbegrensningsevne oppnås. Denne modifikasjonen reduserer antallet av kontrollerbare brytere, senker kostnader, og forenkler kretskompleksiteten. Skissen er vist i figur 9.
3 Konklusjon
Denne artikkelen presenterer flere typer brotype kortslutningsstrøm begrenser. Ved å kaskade en konvensjonell superkonduktende brotype feilstrøm begrenser med en motstandsbeholdende superkonduktende feilstrøm begrenser, kan både topp- og stabilverdier av kortslutningsstrømmer effektivt begrenses. I tillegg, ved å utnytte S/N (superkonduktende til normal) overgangsegenskapene av superkonduktende materialer, integrerer systemet feildeteksjon, triggering, og strømbegrensning i én enhet, gir rask respons og høy pålitelighet.
I de siste årene, med rask utvikling og praktisk bruk av kraftteknologi og høy kapasitets kraftsemikonduktorenheter, har ikke-superkonduktende brotype kortslutningsstrøm begrenser - sammensatt av konvensjonelle kraftteknologi brytere og induktorer - fått fordeler i pålitelighet og kostnadseffektivitet pga fraværet av kompleks superkonduktende teknologi. Simuleringsresultater demonstrerer at begge typer strømbegrenser oppnår fremragende strømbegrensningsevne, bekrefter gjennomførligheten av foreslåtte strømbegrensningstiltak.