1 Мостовой сверхпроводящий ограничитель тока короткого замыкания
1.1 Структура и принцип работы мостового SFCL
Рисунок 1 показывает однолинейную схему мостового SFCL, который состоит из четырех диодов D₁-D₄, источника смещения постоянного тока V_b и сверхпроводящей катушки L. Выключатель CB подключен последовательно с ограничителем для прерывания тока короткого замыкания после его ограничения. Источник смещения V_b обеспечивает смещение тока i_b для сверхпроводящей катушки L. Напряжение V_b установлено достаточно высоко, чтобы преодолеть падение напряжения на диодах (D₁ и D₃, или D₂ и D₄), устанавливая смещение тока i₀. Значение i₀ устанавливается больше, чем пиковая величина линейного тока i_max, с учетом перегрузочных условий.
Таким образом, в нормальных условиях диодный мост непрерывно проводит, и SFCL не проявляет никакого сопротивления к линейному току i, игнорируя небольшое падение напряжения на мосту. Предполагая, что при нормальной работе токи, проходящие через диоды D₁-D₄, соответственно равны iD1-iD4, линейный ток составляет:
Это получено согласно закону Кирхгофа для токов (KCL):
При возникновении короткого замыкания на линии линейный ток быстро увеличивается до i₀. В течение положительных и отрицательных полупериодов одна пара диодов становится обратно смещенной и выключается, автоматически вводя катушку L в цепь. Ток короткого замыкания таким образом ограничивается индуктивным сопротивлением катушки.
Установив критический ток сверхпроводящей катушки соответствующим образом, катушка остается в сверхпроводящем состоянии во время аварии, избегая эффектов времени реакции и восстановления после размагничивания. Однако, по мере продолжения аварии, ток через сверхпроводящую индуктивность продолжает расти, в конечном итоге приближаясь к установившемуся значению тока короткого замыкания, которое существовало бы без ограничителя. Поэтому источник аварии должен быть своевременно прерван выключателем в течение определенного времени. Для простоты предположим, что короткое замыкание происходит в момент, когда напряжение источника проходит через ноль (t = t₀). Согласно закону Кирхгофа для напряжений (KVL), получается следующее уравнение:
Начальное условие I0, решая это дифференциальное уравнение, получаем:
Рисунок 2 показывает формы тока индуктивности и линейного тока при нормальной работе и после возникновения аварии, с началом аварии в t = 0.1 с. Результаты моделирования показывают, что ток короткого замыкания медленно возрастает из-за ограничивающего действия сверхпроводящей индуктивности. Процесс ограничения тока фактически является намагничиванием сверхпроводящей индуктивности. Как только ток аварии стабилизируется, ограничитель перестает быть эффективным. Поэтому авария должна быть устранена выключателем до того, как ток короткого замыкания достигнет своего установившегося значения. На рисунке авария устраняется выключателем в t = 0.2 с.
1.2 Улучшение структуры мостовых сверхпроводящих ограничителей тока короткого замыкания
Обычный мостовой сверхпроводящий ограничитель тока короткого замыкания (SFCL) может только подавлять скорость роста тока короткого замыкания, но неэффективен в контроле их установившихся значений. Чтобы ограничить установившееся значение тока короткого замыкания, гибридный SFCL объединяет характеристики нулевого сопротивления в сверхпроводящем состоянии и быстрого увеличения сопротивления при переходе сверхпроводников в нормальное состояние. Это достигается путем интеграции резистивных сверхпроводящих ограничителей тока короткого замыкания с мостовыми SFCL. Схема этого гибридного подхода показана на рисунке 3.
В нормальных условиях работы выключатель K открыт, поэтому резистивный SFCL не проявляет никакого внешнего сопротивления, позволяя току i_L проходить через него без сопротивления. При возникновении аварии резистивный SFCL немедленно представляет высокое сопротивление и работает последовательно со сверхпроводящей индуктивностью, совместно подавляя ток аварии. После устранения аварии выключатель K закрывается; в этот момент, благодаря своему высокому сопротивлению, резистивный SFCL замыкается и быстро возвращается в сверхпроводящее состояние.
Поскольку выключатель K имеет сопротивление в режиме включения, он будет замкнут восстановленным резистивным SFCL, что делает весь гибридный мостовой ограничитель низкоомным снаружи. В этот момент открытие K завершает весь процесс ограничения тока. Для повышения мощности резистивного SFCL обычно используются последовательные и параллельные соединения резистивных блоков SFCL, чтобы улучшить напряжение и токовые характеристики устройства. Рисунок 4 показывает схему резистивного сверхпроводящего ограничителя, где R₁-R₆ представляют собой сверхпроводящие резисторы, а R служит обходным резистором, который может вызвать одновременный переход двух сверхпроводников в одной последовательной ветви в нормальное состояние при коротком замыкании.
Роль межфазного связывающего трансформатора заключается в том, чтобы обеспечить iL1 = iL2 = iL3, чтобы блоки SFCL в разных параллельных ветвях могли одновременно перейти в нормальное состояние после возникновения короткого замыкания. Гибридный мостовой SFCL эффективно ограничивает установившееся значение тока короткого замыкания, используя переходные характеристики сверхпроводника от сверхпроводящего состояния к нормальному (S/N), автоматически включая ограничивающий резистор при обнаружении аварии без необходимости дополнительных механизмов обнаружения аварий. Однако добавление резистивного сверхпроводящего устройства ограничения тока увеличивает общие эксплуатационные затраты и продлевает время восстановления после перехода в нормальное состояние, усложняя координацию с операциями повторного включения системы.
2 Мостовой несверхпроводящий ограничитель тока короткого замыкания
2.1 Твердотельный ограничитель тока
В последние годы быстрый прогресс в технологии силовой электроники и высокопроизводительных силовых полупроводниковых устройств, таких как SCR, GTO, GTR и IGBT, а также их широкое применение в практических системах, сделали ограничители тока, состоящие из индуктивностей, резисторов, конденсаторов и компонентов силовой электроники, предметом активных исследований. Несверхпроводящий мостовой ограничитель тока короткого замыкания изготовлен из традиционных компонентов, избегая сложной сверхпроводящей технологии, и предлагает преимущества высокой надежности и хорошей экономической эффективности.
Рисунок 5 показывает схему идеального однофазного мостового ограничителя тока, состоящего из однофазного мостового контура и ограничивающей индуктивности L. В нормальном режиме работы на все четыре тиристора постоянно подаются импульсы управления. После кратковременного процесса намагничивания ток в индуктивности достигает пикового значения нагрузочного тока. Когда падение напряжения на тиристорах T₁-T₄ можно пренебречь, ограничитель не проявляет внешнего сопротивления.
Если короткое замыкание происходит во время положительной полуволны напряжения питания, T₃ вынужденно выключается, включая ограничивающую индуктивность в цепь для подавления тока аварии. Правильно выбрав значение индуктивности L, можно ограничить ток короткого замыкания до любого желаемого уровня. Кроме того, этот ограничитель способен мгновенно прерывать ток короткого замыкания. Однако, из-за использования четырех управляемых ключей, логика управления для мгновенного прерывания относительно сложна. Во время ограничения тока аварии возникают значительные гармоники, которые можно эффективно снижать, подключая обходные индуктивности параллельно к мостовым плечам.
2.2 Полууправляемый мостовой ограничитель тока короткого замыкания
Рисунок 6 иллюстрирует топологию однофазного ограничителя тока короткого замыкания на основе полууправляемого моста и самоотключающихся устройств. Эта система включает диоды D₁-D₄, самоотключающиеся устройства T₁ и T₂, сверхпроводящую индуктивность L, ограничивающую индуктивность Llim и поглотитель перенапряжений ZnO, где us представляет собой переменный источник питания, а CB — выключатель линии.
В нормальном режиме работы два самоотключающихся устройства T₁ и T₂ постоянно запускаются. При первоначальном включении питания ток в сверхпроводящей индуктивности постепенно увеличивается до пикового значения линейного тока под воздействием источника напряжения. После стабилизации нагрузки iL остается постоянным. Пренебрегая падением напряжения на диодах D₁-D₄ и самоотключающихся устройствах T₁ и T₂, напряжение на мосту равно нулю, а напряжение на ограничивающей индуктивности Llim также равно нулю. Таким образом, ограничитель тока не проявляет внешнего сопротивления и не влияет на систему.
При возникновении короткого замыкания в системе ток iL в сверхпроводящей индуктивности увеличивается. При обнаружении короткого замыкания T₁ и T₂ немедленно выключаются, выводя мост из работы. Ток короткого замыкания затем перенаправляется на обходную ограничивающую индуктивность Llim, в то время как ток в сверхпроводящей индуктивности продолжает протекать через диоды D₁ и D₄, пока не уменьшится до нуля. Рисунок 7 показывает кривые тока и напряжения однофазного ограничителя тока короткого замыкания на основе полууправляемого моста в установившемся и аварийном состояниях.
Система включается в t=0.02 секунды и достигает установившегося состояния в течение одного периода. Короткое замыкание происходит в t=0.1 секунды, и T₁ выключается в течение четверти периода после обнаружения аварии. Параметры цепи, использованные для моделирования, следующие: пиковое фазное напряжение источника питания 100 В/50 Гц; пиковый номинальный ток нагрузки 10 А; сопротивление нагрузки 10 Ом; сверхпроводящая индуктивность постоянного тока L 10 мГн; падение напряжения на диодах и управляемых ключах 0.8 В; ограничивающая индуктивность Llim 10 мГн.
Одной из основных целей использования сверхпроводящих ограничителей тока короткого замыкания (SFCL) в энергосистемах является ограничение токов аварии, чтобы они не превышали мгновенную отключающую способность выключателей линии. В анализе часто используется коэффициент уменьшения тока аварии D (0<D<1) для представления процентного уменьшения пикового тока аварии, и выражение для D является:
является пиковым током всплеска при коротком замыкании без установленного SFCL, и его значение зависит от эквивалентного отношения X/R системы.
В уравнении (7) Ip обозначает амплитуду периодической составляющей тока короткого замыкания, а Ta — постоянная времени. ilim представляет собой пиковое значение ограниченного тока короткого замыкания, которое зависит от величины ограничивающей индуктивности Llim. Правильно выбрав значение Llim, можно достичь желаемого процентного уменьшения пикового тока аварии. Моделирование было проведено с Llim равным 10 мГн, 15 мГн и 20 мГн, и результаты показаны на рисунке 8. Можно заметить, что большее Llim обеспечивает лучшую производительность ограничения тока, но также приводит к более высоким эксплуатационным затратам.
2.3 Улучшение полууправляемого мостового ограничителя тока короткого замыкания
В конфигурации, показанной на рисунке 6, T₁ и T₂ непрерывно запускаются в нормальном режиме работы. При обнаружении короткого замыкания схема управления выключает оба T₁ и T₂. Разместив один управляемый ключ T в общем пути моста, заменив T₁ и T₂, можно достичь аналогичной эффективности ограничения тока. Это изменение уменьшает количество управляемых ключевых компонентов, снижает затраты и упрощает сложность схемы. Схема показана на рисунке 9.
3 Заключение
В данной статье представлены несколько типов мостовых ограничителей тока короткого замыкания. Посредством каскадирования традиционного сверхпроводящего мостового ограничителя тока короткого замыкания с резистивным сверхпроводящим ограничителем тока короткого замыкания можно эффективно ограничить как пиковые, так и установившиеся значения тока короткого замыкания. Более того, используя характеристики перехода S/N (сверхпроводящее-нормальное) сверхпроводящих материалов, система интегрирует обнаружение, запуск и ограничение тока в одном устройстве, обеспечивая быстрый отклик и высокую надежность.
В последние годы, с быстрым развитием и практическим применением технологии силовой электроники и высокопроизводительных силовых полупроводниковых устройств, несверхпроводящие мостовые ограни