1 Brotyp superkonduktiv strömbegränsare
1.1 Struktur och fungeringsprincip för brotyp SFCL
Figur 1 visar den enfasiga kretsdiagrammet för brotypen SFCL, som består av fyra dioder D₁ till D₄, en DC-förskjutningskälla V_b, och en superkonduktiv spole L. En kretsavbrytare CB är seriekopplad med begränsaren för att avbryta felströmmen efter att den har begränsats. Förskjutningskällan V_b ger en förskjutningsström i_b till superkonduktiva spolen L. Spännningen på V_b sätts tillräckligt hög för att övervinna framåtpolerande spänningsfallet över diodpar (D₁ och D₃, eller D₂ och D₄), vilket etablerar en förskjutningsström i₀. Värdet på i₀ sätts större än toppvärdet av linjeströmmen i_max, med tillåtelse för överbelastningssituationer.
Under normala förhållanden förblir diodbrogen kontinuerligt ledande, och SFCL visar ingen impedans mot linjeströmmen i, bortsett från det lilla framåtpolerande spänningsfallet över bron. Om under normal drift de strömmar som passerar genom dioder D₁ till D₄ respektive är iD1 till iD4, är linjeströmmen:
Det erhålls enligt Kirchhoffs strömlag (KCL):
När ett kortslutshaveri uppstår i linjen ökar linjeströmmen snabbt till i₀. Under positiva och negativa halvcykler blir ett par dioder bakåtpolerade och stängs av, vilket automatiskt infogar spolen L i kretsen. Den kortslutningsströmmen begränsas därmed av induktiva reaktansen i spolen.
Genom att sätta den kritiska strömmen för den superkonduktiva spolen lämpligt, förblir spolen i superkonduktivt tillstånd under haveriet, vilket undviker effekterna av svarstid och återhämtning från kvävning. Men eftersom haveriet fortsätter, fortsätter strömmen genom den superkonduktiva induktorn att stiga, och närmar sig slutligen det stationära kortslutningsströmningsvärdet som skulle existera utan begränsaren. Därför måste felkällan avbrytas inom en viss tid av en kretsavbrytare. För enkelhetens skull antas kortslutningsfel uppstå vid det ögonblick då källspänningen passerar noll (t = t₀). Enligt Kirchhoffs spänningslag (KVL) erhålls följande ekvation:
Initiell villkor I0, löser man denna differentialekvation erhåller man:
Figur 2 visar strömvågor för induktorns ström och linjeström under normal drift och efter att ett fel har inträffat, med felet initierat vid t = 0,1 s. Simuleringsresultaten indikerar att kortslutningsströmmen stiger långsamt på grund av strömbegränsande effekten av den superkonduktiva induktorn. Strömbegränsningsprocessen är i grunden magnetiseringen av den superkonduktiva induktorn. När felströmmen stabiliseras upphör begränsaren att vara effektiv. Därför måste felet avbrytas av en kretsavbrytare innan kortslutningsströmmen når sitt stationära värde. I figuren avbryts felet av kretsavbrytaren vid t = 0,2 s.
1.2 Strukturella förbättringar av brotyp superkonduktiv strömbegränsare
En vanlig brotyp superkonduktiv strömbegränsare (SFCL) kan endast dämpa hastigheten för ökningen av kortslutningsströmmar men är ineffektiv för att kontrollera deras stationära värden. För att begränsa det stationära värdet av kortslutningsströmmar kombinerar en hybrid-SFCL egenskaperna av nollmotstånd i superkonduktivt tillstånd och snabba ökningar av resistans under kvävning av superkonduktorer. Detta uppnås genom att integrera resistiva superkonduktiva strömbegränsare med brotyp SFCL. Skematiska diagrammet för denna hybridmetod visas i figur 3.
Under normal drift är brytaren K öppen, så resistiv SFCL visar inget externt impedans, vilket gör att strömmen i_L passerar genom den utan resistans. Vid uppståendet av ett fel presenterar resistiv SFCL omedelbart hög impedans och arbetar i serie med den superkonduktiva induktorn för att gemensamt begränsa felströmmen. Efter att felet har avbrutits stängs brytaren K; vid detta tillfälle, på grund av sin egen höga impedans, short-cirkulas resistiv SFCL och återgår snabbt till superkonduktivt tillstånd.
Eftersom brytaren K har påståndsresistans, short-cirkulas den av den återhämtade resistiva SFCL, vilket gör att hela den hybrida brotyp begränsaren yttrevis verkar som låg impedans. Öppning av K avslutar hela strömbegränsningsprocessen. För att öka kapaciteten hos resistiv SFCL används vanligtvis serier och parallellkopplingar av resistiva SFCL-enheter för att förbättra enhetens spännings- och strömningsgrader. Figur 4 illustrerar kretsdiagrammet för resistiv superkonduktiv begränsare, där R₁ till R₆ representerar superkonduktiva resistorer, och R fungerar som en bypass-resistor som kan utlösa samtidig kvävning av två superkonduktorer i samma seriegren under ett kortslutningsfel.
Funktionen för mellanfastransformatorn är att säkerställa att iL1 = iL2 = iL3, så att SFCL-enheter över olika parallellgrenar kan samtidigt kvävas efter att ett kortslutningsfel har inträffat. Den hybrida brotyp SFCL begränsar effektivt det stationära värdet av kortslutningsströmmar genom att utnyttja superkonduktorens övergångsegenskaper från superkonduktivt till normalt tillstånd (S/N), genom att automatiskt engagera strömbegränsande resistor vid feldetektering utan att kräva ytterligare feldetekteringsmekanismer. Dock ökar tilläggandet av resistiv superkonduktiv strömbegränsande enhet totala driftkostnader och förlänger återhämtningstiden från kvävning, vilket komplicerar samordningen med systemets återkopplingsoperationer.
2 Brotyp icke-superkonduktiv strömbegränsare
2.1 Solid-state strömbegränsare
På senare år har snabba framsteg inom strömningselteknik och högeffektströmningskomponenter, som SCR, GTO, GTR och IGBT, tillsammans med deras breda tillämpning i praktiska system, gjort strömbegränsare som består av induktorer, resistorer, kondensatorer och strömningskomponenter till ett forskningsfokus. Den icke-superkonduktiva brotyp strömbegränsaren byggs av konventionella komponenter, undviker komplex superkonduktiv teknik, och erbjuder fördelar med hög tillförlitlighet och bra kostnadseffektivitet.
Figur 5 visar skematiska diagrammet för en ideal enfasig brotyp strömbegränsare, bestående av en enfasig brokrets och en strömbegränsande induktor L. Under normal drift appliceras kontinuerliga triggerimpulser till de fyra thyristorerna. Efter en kort magnetiseringsprocess når strömmen i induktorn toppvärdet av belastningsströmmen. När spänningsfallet över thyristorerna T₁ till T₄ ignoreras, visar begränsaren inget externt impedans.
Om ett kortslutningsfel uppstår under den positiva halvcykeln av spänningstillförseln, tvingas T₃ att stängas av, vilket infogar strömbegränsande induktorn i kretsen för att dämpa felströmmen. Genom att sätta värdet av induktorn L lämpligt, kan kortslutningsströmmen begränsas till valfritt önskat nivå. Dessutom har denna begränsare förmågan att omedelbart avbryta kortslutningsströmmen. På grund av användningen av fyra styrbart kopplingar är dock kontrolllogiken för omedelbar avbrott relativt komplex. Under strömbegränsning genereras betydande harmoniska; dessa kan effektivt mildras genom att koppla bypassinduktorer parallellt över broarmarna.
2.2 Semi-kontrollerad bro typ kortslutningsströmbegränsare
Figur 6 illustrerar topologin för en enfasig kortslutningsströmbegränsare baserad på en semi-kontrollerad bro och självlämmande enheter. Detta system består av dioder D₁ till D₄, självlämmande enheter T₁ och T₂, en superkonduktiv induktor L, en strömbegränsande induktor Llim, och en ZnO överspänningsabsorber, där us representerar AC-strömkällan och CB fungerar som linjekretsavbrytare.
Under normal drift är de två självlämmande enheterna T₁ och T₂ kontinuerligt utlösta. Vid initial energiförsörjning ökar strömmen i den superkonduktiva induktorn gradvis till toppvärdet av linjeströmmen under påverkan av spänningstillförseln. När belastningen stabiliseras, förblir iL konstant. Ignorerar framåtpolerande spänningsfall över dioder D₁ till D₄ och självlämmande enheter T₁ och T₂, är spänningen över bron noll, och spänningen över strömbegränsande induktorn Llim är också noll. Därför visar strömbegränsaren inget externt impedans och har ingen inverkan på systemet.
När ett kortslutningsfel uppstår i systemet, ökar strömmen iL i den superkonduktiva induktorn. När kortslutningsfelet upptäcks, stängs T₁ och T₂ omedelbart av, vilket gör att bron lämnar drift. Den kortslutningsströmmen överför sedan till bypassströmbegränsande induktorn Llim, medan strömmen i den superkonduktiva induktorn fortsätter att flöda genom dioder D₁ och D₄ tills den minskar till noll. Figur 7 visar de stationära och felstata strömmen och spänningen för en enfasig kortslutningsströmbegränsare baserad på en semi-kontrollerad bro.
Systemet startas vid t=0,02 sekunder och når stabilt tillstånd inom en cykel. Ett kortslutningsfel uppstår vid t=0,1 sekunder, och T₁ stängs av inom en fjärdedel cykel efter att felet har upptäckts. De kretsuppgifter som används för simuleringen är följande: toppfasvoltage för strömkällan är 100V/50Hz; toppvärdet av nominell belastningsström är 10A; belastningsresistansen är 10Ω; superkonduktiv DC-induktor L är 10mH; framåtpolerande spänningsfall över dioder och styrbart kopplingar är 0,8V; och strömbegränsande induktorn Llim är 10mH.
En av de primära syftena med att använda superkonduktiva strömbegränsare (SFCL) i strömningsystem är att begränsa felströmmar så att de inte överstiger den omedelbara avbrottskapaciteten för linjekretsavbrytare. I analysen används ofta felströmsreduktionsförhållandet D (0<D<1) för att representera procentuella reduktionen av toppfelströmmen, och uttrycket för D är:
är toppinrushströmmen under kortslutning utan installerad SFCL, och dess värde är relaterat till systemets ekvivalenta X/R-förhållande.
I ekvation (7), Ip anger amplituden av periodisk komponent av kortslutningsströmmen, och Ta är tidskonstanten. ilim representerar toppvärdet av den begränsade kortslutningsströmmen, vilket beror på storleken på strömbegränsande induktorn Llim. Genom att välja lämpligt värde för Llim, kan det önskade procentuella reduktionen av toppfelströmmen uppnås. Simulationer utfördes med Llim inställd på 10 mH, 15 mH, och 20 mH, och resultaten visas i figur 8. Det kan observeras att ett större Llim ger bättre strömbegränsning, men leder också till högre driftkostnader.
2.3 Förbättring av semi-kontrollerad bro typ kortslutningsströmbegränsare
I konfigurationen som visas i figur 6 är T₁ och T₂ kontinuerligt utlösta under normal drift. När ett kortslutningsfel upptäcks, stängs både T₁ och T₂ av av kontrollkretsen. Genom att placera en enda styrbart koppling T i den gemensamma vägen för bron för att ersätta T₁ och T₂, kan liknande strömbegränsningseffektivitet uppnås. Denna ändring minskar antalet styrbart kopplingar, sänker kostnader, och förenklar kretskomplexiteten. Skematiska diagrammet visas i figur 9.
3 Slutsats
Den här artikeln presenterar flera typer av brotyp kortslutningsströmbegränsare. Genom att kaskadera en konventionell superkonduktiv brotyp felströmbegränsare med en resistiv superkonduktiv strömbegränsare, kan både topp- och stationära värden av kortslutningsströmmar effektivt begränsas. Dessutom genom att utnyttja S/N (superkonduktivt till normalt) övergångsegenskaper hos superkonduktormaterial, integrerar systemet felidentifiering, utlösning, och strömbegränsning i en enda enhet, vilket ger snabb respons och hög tillförlitlighet.
På senare år, med snabba framsteg och praktiska tillämpningar av strömningselteknik och högeffektströmningsenheter, har icke-superkonduktiva brotyp kortslutningsströmbegränsare, som består av konventionella strömningskopplingar och induktorer, fått fördelar i tillförlitlighet och kostnadseffektivitet på grund av bristen på komplex superkonduktiv teknik. Simuleringsresultaten visar att båda typerna av strömbegränsare uppnår utmärkt strömbegränsningsegenskaper, vilket bekräftar möjligheten för de föreslagna strömbegränsningsmetoderna.