1 ตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรแบบสะพานซูเปอร์คอนดักทิ้ง
1.1 โครงสร้างและหลักการทำงานของตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรแบบสะพาน SFCL
รูปที่ 1 แสดงแผนภาพวงจรเฟสเดียวของตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรแบบสะพาน SFCL ซึ่งประกอบด้วยไดโอด D₁ ถึง D₄ แหล่งจ่ายแรงดันตรง V_b และขดลวดซูเปอร์คอนดักทิ้ง L วงจรตัดไฟ CB เชื่อมต่ออยู่ในอนุกรมกับตัวจำกัดเพื่อตัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรหลังจากที่มีการจำกัดแล้ว แหล่งจ่าย V_b ให้กระแสไบอัส i_b ไปยังขดลวดซูเปอร์คอนดักทิ้ง L แรงดันของ V_b ถูกตั้งค่าให้สูงพอที่จะเอาชนะแรงดันตกคร่อมของไดโอดคู่ (D₁ และ D₃ หรือ D₂ และ D₄) สร้างกระแสไบอัส i₀ ค่าของ i₀ ถูกตั้งค่าให้มากกว่าค่าสูงสุดของกระแสสาย i_max โดยมีการคำนึงถึงสภาพเกินโหลด
ดังนั้น ในภาวะปกติ สะพานไดโอดจะทำการนำไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง และ SFCL จะไม่แสดงความต้านทานใด ๆ ต่อกระแสสาย i โดยละเว้นแรงดันตกคร่อมเล็ก ๆ ของสะพาน หากสมมติว่าในภาวะทำงานปกติ กระแสผ่านไดโอด D₁ ถึง D₄ คือ iD1 ถึง iD4 ตามลำดับ กระแสสายคือ:
ซึ่งได้จากการใช้กฎของเคิร์ชฮอฟฟ์สำหรับกระแส (KCL):
เมื่อมีเหตุการณ์ลัดวงจรเกิดขึ้นบนสาย กระแสสายจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วถึง i₀ ในระหว่างครึ่งวงจรบวกและลบ ไดโอดคู่หนึ่งจะถูกย้อนไบอัสและปิดลง ทำให้ขดลวด L ถูกใส่เข้ามาในวงจรโดยอัตโนมัติ กระแสลัดวงจรจึงถูกจำกัดโดยความต้านทานเหนี่ยวนำของขดลวด
โดยการตั้งค่ากระแสวิกฤตของขดลวดซูเปอร์คอนดักทิ้งอย่างเหมาะสม ขดลวดจะคงอยู่ในสถานะซูเปอร์คอนดักทิ้งในระหว่างเหตุการณ์ลัดวงจร หลีกเลี่ยงผลกระทบจากการตอบสนองเวลาและการฟื้นฟูจากการควอนช์ แต่เมื่อเหตุการณ์ลัดวงจรยังคงดำเนินต่อไป กระแสผ่านอินดักเตอร์ซูเปอร์คอนดักทิ้งจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง จนกระทั่งเข้าใกล้ค่ากระแสลัดวงจรคงที่ที่จะมีอยู่หากไม่มีตัวจำกัด ดังนั้น แหล่งเหตุการณ์ลัดวงจรต้องถูกตัดโดยวงจรตัดไฟภายในเวลาที่กำหนด ในการคำนวณอย่างง่าย สมมติว่าเหตุการณ์ลัดวงจรเกิดขึ้นทันทีที่แรงดันแหล่งผ่านศูนย์ (t = t₀) ตามกฎของเคิร์ชฮอฟฟ์สำหรับแรงดัน (KVL) จะได้สมการต่อไปนี้:
เงื่อนไขเริ่มต้น I0, การแก้สมการอนุพันธ์นี้จะได้:
รูปที่ 2 แสดงคลื่นของกระแสอินดักเตอร์และกระแสสายในภาวะทำงานปกติและหลังจากเกิดเหตุการณ์ลัดวงจร เริ่มต้นที่ t = 0.1 s ผลจำลองแสดงให้เห็นว่ากระแสลัดวงจรเพิ่มขึ้นอย่างช้า ๆ เนื่องจากผลของการจำกัดกระแสของอินดักเตอร์ซูเปอร์คอนดักทิ้ง กระบวนการจำกัดกระแสคือการแม่เหล็กของอินดักเตอร์ซูเปอร์คอนดักทิ้ง เมื่อกระแสลัดวงจรคงที่ ตัวจำกัดจะหยุดทำงาน ดังนั้น ต้องตัดเหตุการณ์ลัดวงจรโดยวงจรตัดไฟก่อนที่กระแสลัดวงจรจะเข้าสู่ค่าคงที่ ในรูป เหตุการณ์ลัดวงจรถูกตัดโดยวงจรตัดไฟที่ t = 0.2 s
1.2 การปรับปรุงโครงสร้างของตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรแบบสะพานซูเปอร์คอนดักทิ้ง
ตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรแบบสะพานซูเปอร์คอนดักทิ้ง (SFCL) แบบดั้งเดิมสามารถลดอัตราการเพิ่มของกระแสลัดวงจรได้ แต่ไม่สามารถควบคุมค่าคงที่ของกระแสลัดวงจรได้ เพื่อจำกัดค่าคงที่ของกระแสลัดวงจร SFCL ผสมผสานลักษณะของความต้านทานเป็นศูนย์ในสถานะซูเปอร์คอนดักทิ้งและความต้านทานเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในระหว่างการควอนช์ของซูเปอร์คอนดักทิ้ง ซึ่งทำได้โดยรวมตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรแบบต้านทานเข้ากับ SFCL แบบสะพาน แผนภาพเชิงสัญลักษณ์ของวิธีผสมผสานนี้แสดงในรูปที่ 3
ในภาวะทำงานปกติ สวิตช์ K เปิดอยู่ ดังนั้น SFCL แบบต้านทานไม่แสดงความต้านทานภายนอก ทำให้กระแส i_L ผ่านไปได้โดยไม่มีความต้านทาน เมื่อเกิดเหตุการณ์ลัดวงจร SFCL แบบต้านทานจะแสดงความต้านทานสูงและทำงานร่วมกับอินดักเตอร์ซูเปอร์คอนดักทิ้งเพื่อจำกัดกระแสลัดวงจรร่วมกัน หลังจากเหตุการณ์ลัดวงจรถูกตัด สวิตช์ K จะปิด ในขณะนี้ เนื่องจากความต้านทานสูง SFCL แบบต้านทานจะถูกป้อนสัญญาณสั้นและกลับสู่สถานะซูเปอร์คอนดักทิ้งอย่างรวดเร็ว
เนื่องจากสวิตช์ K มีความต้านทานในภาวะป้อนสัญญาณ มันจะถูกป้อนสัญญาณสั้นโดย SFCL แบบต้านทานที่ฟื้นฟู ทำให้ตัวจำกัดกระแสแบบสะพานผสมผสานปรากฏเป็นความต้านทานต่ำภายนอก ในขณะนี้ การเปิด K จะสิ้นสุดกระบวนการจำกัดกระแส เพื่อเพิ่มความสามารถของ SFCL แบบต้านทาน ตัวจำกัดกระแสแบบต้านทานหลายตัวมักถูกเชื่อมต่อกันแบบอนุกรมและขนานเพื่อเพิ่มระดับแรงดันและกระแสของอุปกรณ์ รูปที่ 4 แสดงแผนภาพวงจรของตัวจำกัดกระแสแบบต้านทานซูเปอร์คอนดักทิ้ง ที่ R₁ ถึง R₆ แทนตัวต้านทานซูเปอร์คอนดักทิ้ง และ R ทำหน้าที่เป็นตัวต้านทานทางเลี่ยงที่สามารถกระตุ้นการควอนช์ของซูเปอร์คอนดักทิ้งสองตัวในแขนเดียวกันในระหว่างเหตุการณ์ลัดวงจร
บทบาทของทรานส์ฟอร์มเมอร์คู่ระหว่างเฟสคือการรับประกันว่า iL1 = iL2 = iL3 ทำให้ SFCL ที่อยู่ในแขนขนานต่าง ๆ สามารถควอนช์พร้อมกันหลังจากเกิดเหตุการณ์ลัดวงจร SFCL แบบสะพานผสมผสานสามารถจำกัดค่าคงที่ของกระแสลัดวงจรได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยใช้คุณสมบัติการเปลี่ยนแปลงจากสถานะซูเปอร์คอนดักทิ้งเป็นสถานะปกติ (S/N) ของซูเปอร์คอนดักทิ้ง ทำให้ตัวต้านทานจำกัดกระแสทำงานโดยอัตโนมัติเมื่อตรวจพบเหตุการณ์ลัดวงจรโดยไม่ต้องใช้กลไกตรวจจับเหตุการณ์ลัดวงจรเพิ่มเติม แต่การเพิ่มตัวจำกัดกระแสแบบต้านทานซูเปอร์คอนดักทิ้งทำให้ค่าใช้จ่ายในการทำงานโดยรวมเพิ่มขึ้นและระยะเวลาในการฟื้นฟูจากควอนช์ยาวนานขึ้น ทำให้การประสานงานกับการป้อนสัญญาณใหม่ของระบบซับซ้อนขึ้น
2 ตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรแบบสะพานไม่ใช่ซูเปอร์คอนดักทิ้ง
2.1 ตัวจำกัดกระแสแบบโซลิดสเตต
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การพัฒนาเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์กำลังอย่างรวดเร็วและการใช้งานอุปกรณ์กึ่งตัวนำกำลังสูง เช่น SCR, GTO, GTR และ IGBT อย่างแพร่หลายในระบบปฏิบัติการ ทำให้ตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่ประกอบด้วยอินดักเตอร์ ตัวต้านทาน แคปาซิเตอร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังกลายเป็นประเด็นที่ได้รับความสนใจ ตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรแบบสะพานไม่ใช่ซูเปอร์คอนดักทิ้งสร้างจากคอมโพเนนต์แบบดั้งเดิม หลีกเลี่ยงเทคโนโลยีซูเปอร์คอนดักทิ้งที่ซับซ้อน และมีข้อดีในด้านความน่าเชื่อถือสูงและราคาประหยัด
รูปที่ 5 แสดงแผนภาพเชิงสัญลักษณ์ของตัวจำกัดกระแสแบบสะพานเฟสเดียวที่เหมาะสำหรับการใช้งาน ซึ่งประกอบด้วยวงจรสะพานเฟสเดียวและอินดักเตอร์จำกัดกระแส L ในภาวะทำงานปกติ คลื่นสัญญาณกระตุ้นต่อเนื่องถูกนำไปใช้กับทรายสตอร์ 4 ตัว หลังจากกระบวนการแม่เหล็กสั้น ๆ กระแสในอินดักเตอร์จะถึงค่าสูงสุดของกระแสโหลด เมื่อละเว้นแรงดันตกคร่อมของทรายสตอร์ T₁ ถึง T₄ ตัวจำกัดไม่แสดงความต้านทานภายนอก
หากเกิดเหตุการณ์ลัดวงจรในระหว่างครึ่งวงจรบวกของแรงดันแหล่ง T₃ จะถูกบังคับให้ปิด ทำให้อินดักเตอร์จำกัดกระแสถูกใส่เข้ามาในวงจรเพื่อจำกัดกระแสลัดวงจร โดยการตั้งค่าค่าของอินดักเตอร์ L อย่างเหมาะสม กระแสลัดวงจรสามารถถูกจำกัดที่ระดับที่ต้องการ นอกจากนี้ ตัวจำกัดนี้ยังมีความสามารถในการตัดกระแสลัดวงจรทันที แต่เนื่องจากใช้สวิตช์ควบคุม 4 ตัว ลอจิกการควบคุมสำหรับการตัดกระแสทันทีค่อนข้างซับซ้อน ในระหว่างการจำกัดกระแสลัดวงจร จะมีฮาร์โมนิกเกิดขึ้นอย่างมาก ซึ่งสามารถลดได้โดยการเชื่อมต่ออินดักเตอร์ทางเลี่ยงขนานกับแขนสะพาน
2.2 ตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรแบบสะพานควบคุมบางส่วน
รูปที่ 6 แสดงโทโพโลยีของตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรเฟสเดียวที่อาศัยสะพานควบคุมบางส่วนและอุปกรณ์ป้อนสัญญาณสั้นเอง ระบบประกอบด้วยไดโอด D₁ ถึง D₄ อุปกรณ์ป้อนสัญญาณสั้นเอง T₁ และ T₂ ขดลวดซูเปอร์คอนดักทิ้ง L ขดลวดจำกัดกระแส Llim และตัวดูดซับแรงดันเกิน ZnO โดย us แทนแหล่งกำเนิดไฟฟ้า AC และ CB ทำหน้าที่เป็นวงจรตัดไฟสาย
ในภาวะทำงานปกติ อุปกรณ์ป้อนสัญญาณสั้นเอง T₁ และ T₂ ถูกกระตุ้นต่อเนื่อง เมื่อเริ่มต้นเปิดเครื่อง กระแสในขดลวดซูเปอร์คอนดักทิ้งเพิ่มขึ้นถึงค่าสูงสุดของกระแสสายภายใต้อิทธิพลของแหล่งกำเนิดแรงดัน เมื่อโหลดคงที่ iL คงที่ หากละเว้นแรงดันตกคร่อมของไดโอด D₁ ถึง D₄ และอุปกรณ์ป้อนสัญญาณสั้นเอง T₁ และ T₂ แรงดันข้ามสะพานเป็นศูนย์ และแรงดันข้ามขดลวดจำกัดกระแส Llim ก็เป็นศูนย์ ดังนั้น ตัวจำกัดกระแสไม่แสดงความต้านทานภายนอกและไม่มีผลกระทบต่อระบบ
เมื่อเกิดเหตุการณ์ลัดวงจรในระบบ กระแส iL ในขดลวดซูเปอร์คอนดักทิ้งเพิ่มขึ้น หลังจากตรวจพบเหตุการณ์ลัดวงจร T₁ และ T₂ ถูกปิดทันที ทำให้สะพานออกจากการทำงาน กระแสลัดวงจรจึงถูกโอนไปยังขดลวดจำกัดกระแส Llim ในขณะที่กระแสในขดลวดซูเปอร์คอนดักทิ้งยังคงไหลผ่านไดโอด D₁ และ D₄ จนกว่าจะลดลงเป็นศูนย์ รูปที่ 7 แสดงเส้นโค้งกระแสและแรงดันในภาวะคงที่และภาวะลัดวงจรของตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรเฟสเดียวที่อาศัยสะพานควบคุมบางส่วน
ระบบเริ่มทำงานที่ t=0.02 วินาทีและเข้าสู่ภาวะคงที่ภายในหนึ่งวงจร เหตุการณ์ลัดวงจรเกิดขึ้นที่ t=0.1 วินาที และ T₁ ถูกปิดภายในหนึ่งส่วนสี่ของวงจรหลังจากตรวจพบเหตุการณ์ลัดวงจร ค่าพารามิเตอร์วงจรที่ใช้ในการจำลองคือ แรงดันเฟสสูงสุดของแหล่งกำเนิดไฟฟ้าคือ 100V/50Hz กระแสโหลดสูงสุดคือ 10A ความต้านทานโหลดคือ 10Ω ขดลวด DC ซูเปอร์คอนดักทิ้ง L คือ 10mH แรงดันตกคร่อมของไดโอดและสวิตช์ควบคุมคือ 0.8V และขดลวดจำกัดกระแส Llim คือ 10mH
หนึ่งในวัตถุประสงค์หลักของการใช้ตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรแบบซูเปอร์คอนดักทิ้ง (SFCL) ในระบบไฟฟ้าคือการจำกัดกระแสลัดวงจรเพื่อไม่ให้เกินความสามารถในการตัดกระแสทันทีของวงจรตัดไฟสาย ในการวิเคราะห์ อัตราส่วนการลดกระแสลัดวงจร D (0<D<1) ถูกใช้เพื่อแสดงเปอร์เซ็นต์การลดค่าสูงสุดของกระแสลัดวงจร และการแสดงออกของ D คือ:
คือกระแสสูงสุดที่เกิดขึ้นในระหว่างเหตุการณ์ลัดวงจรโดยไม่มี SFCL ติดตั้ง และค่านี้เกี่ยวข้องกับอัตราส่วน X/R ที่เทียบเท่าของระบบ
ในสมการ (7) Ip หมายถึงขนาดของส่วนประกอบที่เป็นคาบของกระแสลัดวงจร และ Ta คือค่าคงที่เวลา ilim หมายถึงค่าสูงสุดของกระแสลัดวงจรที่ถูกจำกัด ซึ่งขึ้นอยู่กับขนาดของขดลวดจำกัดกระแส Llim โดยการเลือกค่าของ Llim อย่างเหมาะสม สามารถบรรลุเปอร์เซ็นต์การลดค่าสูงสุดของกระแสลัดวงจรที่ต้องการได้ การจำลองถูกดำเนินการด้วย Llim ที่ 10 mH, 15 mH, และ 20 mH และผลลัพธ์แสดงในรูปที่ 8 สามารถสังเกตได้ว่า Llim