1 Tulay-Tipong Superconducting Fault Current Limiter
1.1 Struktura at Prinsipyo ng Paggana ng Tulay-Tipong SFCL
Ipinalalatag ng Figure 1 ang single-phase circuit diagram ng tulay-tipong SFCL, na binubuo ng apat na diode D₁ hanggang D₄, isang DC bias voltage source V_b, at isang superconducting coil L. Isinasama pa ang isang circuit breaker CB sa serye ng limiter upang putulin ang fault current pagkatapos ito limitahan. Ang bias source V_b ay nagbibigay ng bias current i_b sa superconducting coil L. Ang voltage ng V_b ay nakatakdang sapat na mataas upang talunin ang forward voltage drop ng diode pairs (D₁ at D₃, o D₂ at D₄), na nagtatatag ng bias current i₀. Ang halaga ng i₀ ay itinatakda na mas malaki kaysa sa peak value ng line current i_max, kasama ang allowance para sa overload conditions.
Kaya, sa normal na kondisyon, ang diode bridge ay patuloy na nagdaraos, at ang SFCL ay hindi nagpapakita ng anumang impedance sa line current i, na iniiwan ang kaunti na lang na forward voltage drop sa pamamagitan ng bridge. Ang asusming na sa normal na operasyon, ang mga current na dadaanan ng diodes D₁ hanggang D₄ ay iD1 hanggang iD4 nang may respetibo, ang line current ay:
Ito ay nakuha batay sa Kirchhoff's Current Law (KCL):
Kapag nangyari ang short-circuit fault sa linya, ang line current ay mabilis na tumataas hanggang sa i₀. Sa positibong at negatibong half-cycles, isang pares ng diodes ay naging reverse-biased at nag-off, na sa automatic ay naglalagay ng coil L sa circuit. Ang short-circuit current ay limitado ng inductive reactance ng coil.
Sa pamamagitan ng tamang pagtatakda ng critical current ng superconducting coil, ang coil ay nananatiling nasa superconducting state sa panahon ng fault, na iniiwasan ang epekto ng response time at recovery mula sa quenching. Gayunpaman, habang patuloy ang fault, ang current sa pamamagitan ng superconducting inductor ay patuloy na tumaas, na sa wakas ay lumapit sa steady-state short-circuit current value na magiging present kung walang limiter. Kaya, ang fault source ay dapat na maagang putulin ng circuit breaker sa loob ng ispesipikong oras. Para sa simplisidad, inaasum na ang short-circuit fault ay nangyari sa sandaling ang source voltage ay lumampas sa zero (t = t₀). Ayon sa Kirchhoff's Voltage Law (KVL), ang sumusunod na equation ay nakuha:
Initial condition I0, ang paglutas ng differential equation na ito ay nagbibigay:
Ang Figure 2 ay nagpapakita ng waveforms ng inductor current at line current sa normal na operasyon at pagkatapos ng pagkakaroon ng fault, na ang fault ay nagsimula sa t = 0.1 s. Ang resulta ng simulasyon ay nagpapahiwatig na ang short-circuit current ay mabagal na tumataas dahil sa current-limiting effect ng superconducting inductor. Ang proseso ng current-limiting ay esensyal na ang magnetization ng superconducting inductor. Kapag matatag na ang fault current, ang limiter ay nasisira. Kaya, ang fault ay dapat na maagang putulin ng circuit breaker bago ang short-circuit current umabot sa steady-state value. Sa figure, ang fault ay naputol ng circuit breaker sa t = 0.2 s.
1.2 Pagpapatibay sa Struktura ng Tulay-Tipong Superconducting Fault Current Limiters
Ang conventional na tulay-tipong superconducting fault current limiter (SFCL) ay maaaring lamang suppresin ang rate of rise ng short-circuit currents ngunit hindi epektibo sa pagkontrol ng kanilang steady-state values. Upang limitahan ang steady-state value ng short-circuit currents, ang hybrid SFCL ay nagpapakilala ng katangian ng zero resistance sa superconducting state at ang mabilis na pagtaas ng resistance sa panahon ng quench ng superconductors. Ito ay natutuklasan sa pamamagitan ng pag-integrate ng resistive superconducting fault current limiters sa tulay-tipong SFCLs. Ang schematic diagram ng hybrid approach na ito ay ipinalalatag sa Figure 3.
Sa normal na operasyon, ang switch K ay bukas, kaya ang resistive SFCL ay hindi nagpapakita ng anumang external impedance, na pinapayagan ang current i_L na dumaan sa pamamagitan nito nang walang resistance. Kapag nangyari ang fault, ang resistive SFCL ay agad na nagpapakita ng mataas na impedance at gumagana sa serye sa pamamagitan ng superconducting inductor upang magkasama na limitahan ang fault current. Pagkatapos maputol ang fault, ang switch K ay isinasara; sa punto na ito, dahil sa sarili nitong mataas na impedance, ang resistive SFCL ay short-circuited at mabilis na bumabalik sa superconducting state.
Dahil ang switch K ay may on-state resistance, ito ay maaring maging short-circuited ng recovered resistive SFCL, na sa gayon ay ginagawa ang buong hybrid bridge-type limiter bilang low impedance externally. Sa punto na ito, ang pagbubukas ng K ay nagtapos sa buong current-limiting process. Upang palakasin ang capacity ng resistive SFCL, karaniwang ginagamit ang series at parallel connections ng resistive SFCL units upang mapabuti ang voltage at current ratings ng device. Ang Figure 4 ay nagpapakita ng circuit schematic ng resistive superconducting limiter, kung saan ang R₁ hanggang R₆ ay kumakatawan sa superconducting resistors, at ang R ay nagsisilbing bypass resistor na maaaring hikayatin ang simultaneous quenching ng dalawang superconductors sa parehong series branch sa panahon ng short-circuit fault.
Ang papel ng inter-phase coupling transformer ay upang siguruhin na iL1 = iL2 = iL3, kaya ang SFCL units sa iba't ibang parallel branches ay maaaring mag-quench simultaneously pagkatapos ng short-circuit fault . Ang hybrid bridge-type SFCL ay epektibong limitado ang steady-state value ng short-circuit currents sa pamamagitan ng paggamit ng superconductor's transition characteristics mula sa superconducting to normal state (S/N), na awtomatikong nag-eengage ng current-limiting resistor pagkatapos makilala ang fault nang walang karagdagang fault detection mechanisms. Gayunpaman, ang pagdaragdag ng resistive superconducting fault limiting device ay nagpapataas ng kabuuang operational costs at nagpapahaba ng recovery time mula sa quench, na nagpapahirap sa coordination sa system reclosing operations.
2 Tulay-Tipong Non-Superconducting Fault Current Limiter
2.1 Solid-State Current Limiter
Sa nakaraang mga taon, ang mabilis na pag-unlad ng power electronics technology at high-capacity power semiconductor devices—tulad ng SCR, GTO, GTR, at IGBT—kasama ang kanilang malawak na aplikasyon sa praktikal na mga sistema, ay ginawang research hotspot ang fault current limiters na binubuo ng inductors, resistors, capacitors, at power electronic components. Ang non-superconducting bridge-type fault current limiter ay gawa mula sa conventional components, na iniiwasan ang mahirap na superconducting technology, at nagbibigay ng mga adhikain ng mataas na reliability at mabuting cost-effectiveness.
Ang Figure 5 ay nagpapakita ng schematic diagram ng ideal na single-phase bridge-type current limiter, na binubuo ng single-phase bridge circuit at isang current-limiting inductor L. Sa normal na operasyon, ang continuous trigger pulses ay ina-apply sa apat na thyristors. Pagkatapos ng maikling magnetizing process, ang current sa inductor ay umabot sa peak value ng load current. Kapag iniiwan ang voltage drop sa thyristors T₁ hanggang T₄, ang limiter ay hindi nagpapakita ng anumang external impedance.
Kapag nangyari ang short-circuit fault sa positive half-cycle ng supply voltage, ang T₃ ay pinipilit na mag-off, na naglalagay ng current-limiting inductor sa circuit upang limitahan ang fault current. Sa pamamagitan ng tamang pagtatakda ng halaga ng inductor L, ang short-circuit current ay maaaring limitahan sa anumang desired level. Bukod dito, ang limiter na ito ay may kakayahan na instantaneously interruptin ang short-circuit current. Gayunpaman, dahil sa paggamit ng apat na controllable switches, ang control logic para sa instantaneous interruption ay relatibong komplikado. Sa panahon ng fault current limiting, ang significant harmonics ay ginagawa; ang mga ito ay maaaring mabawasan nang epektibo sa pamamagitan ng pag-connect ng bypass inductors sa parallel sa mga bridge arms.
2.2 Semi-Controlled Bridge Short-Circuit Fault Current Limiter
Ang Figure 6 ay nagpapakita ng topology ng single-phase short-circuit fault current limiter na batay sa semi-controlled bridge at self-turn-off devices. Ang sistema na ito ay binubuo ng diodes D₁ hanggang D₄, self-turn-off devices T₁ at T₂, superconducting inductor L, current-limiting inductor Llim, at ZnO overvoltage absorber, na ang us ay kumakatawan sa AC power source at ang CB ay nagsisilbing line circuit breaker.
Sa normal na operasyon, ang dalawang self-turn-off devices T₁ at T₂ ay patuloy na triggered. Sa unang pagpower-up, ang current sa superconducting inductor ay unti-unting tumataas hanggang sa peak value ng line current sa ilalim ng impluwensiya ng voltage source. Kapag matatag na ang load, ang iL ay nananatiling constant. Iniiwan ang forward voltage drops sa diodes D₁ hanggang D₄ at self-turn-off devices T₁ at T₂, ang voltage sa bridge ay zero, at ang voltage sa current-limiting inductor Llim ay zero rin. Kaya, ang current limiter ay hindi nagpapakita ng anumang external impedance at walang epekto sa sistema.
Kapag nangyari ang short-circuit fault sa sistema, ang current iL sa superconducting inductor ay tumataas. Pagkatapos makilala ang short-circuit fault, ang T₁ at T₂ ay agad na in-off, na nagpapahinto sa bridge. Ang short-circuit current ay lumilipat sa bypass current-limiting inductor Llim, habang ang current sa superconducting inductor ay patuloy na dadaan sa pamamagitan ng diodes D₁ at D₄ hanggang ito ay bumaba sa zero. Ang Figure 7 ay nagpapakita ng steady-state at fault-state current at voltage curves ng single-phase short-circuit fault current limiter na batay sa semi-controlled bridge.
Ang sistema ay pinapower-up sa t=0.02 seconds at umabot sa steady state sa loob ng isang cycle. Nangyari ang short-circuit fault sa t=0.1 seconds, at ang T₁ ay in-off sa loob ng quarter cycle pagkatapos makilala ang fault. Ang mga parameter ng circuit na ginamit sa simulasyon ay ang mga sumusunod: ang peak phase voltage ng power supply ay 100V/50Hz; ang peak rated load current ay 10A; ang load resistance ay 10Ω; ang superconducting DC inductor L ay 10mH; ang forward voltage drop sa diodes at controllable switches ay 0.8V; at ang current-limiting inductor Llim ay 10mH.
Isa sa pangunahing layunin ng paggamit ng superconducting fault current limiters (SFCLs) sa mga power systems ay upang limitahan ang fault currents nang hindi sila lumampas sa instantaneous interrupting capacity ng line circuit breakers. Sa analisis, ang fault current reduction ratio D (0<D<1) ay karaniwang ginagamit upang ipakita ang percentage reduction sa peak fault current, at ang expression para sa D ay:
ay ang peak inrush current sa panahon ng short circuit nang walang SFCL na naka-install, at ang halaga nito ay may kaugnayan sa sistema's equivalent X/R ratio.
Sa Equation (7), Ip ay kumakatawan sa amplitude ng periodic component ng short-circuit current, at Ta ay ang time constant. ilim ay kumakatawan sa peak value ng limited short-circuit current, na depende sa magnitude ng current-limiting inductor Llim. Sa pamamagitan ng tamang pagpili ng halaga ng Llim, ang desired percentage reduction sa peak fault current ay maaaring makamit. Ang mga simulasyon ay isinagawa sa Llim na itinakda sa 10 mH, 15 mH, at 20 mH, at ang resulta ay ipinalalatag sa Figure 8. Maaaring makita na ang mas malaking Llim ay nagbibigay ng mas mahusay na current-limiting performance, ngunit nagreresulta din sa mas mataas na operational costs.
2.3 Pagpapatibay sa Semi-Controlled Bridge Short-Circuit Fault Current Limiter
Sa configuration na ipinalalatag sa Figure 6, ang T₁ at T₂ ay patuloy na triggered sa normal na operasyon. Kapag nangyari ang short-circuit fault, ang control circuit ay in-off ang parehong T₁ at T₂. Sa pamamagitan ng paglagay ng isang controllable switch T sa common path ng bridge upang palitan ang T₁ at T₂, ang katulad na current-limiting effectiveness ay maaaring makamit. Ang pagbabago na ito ay nagbabawas ng bilang ng controllable switch components, nagbabawas ng costs, at nagpapahusay ng circuit complexity. Ang schematic diagram ay ipinalalatag sa Figure 9.
3 Conclusion
Ang paper na ito ay nagpapakilala ng iba't ibang uri ng bridge-type short-circuit current limiters. Sa pamamagitan ng pag-cascade ng conventional na superconducting bridge-type fault current limiter sa resistive superconducting fault current limiter, ang peak at steady-state values ng short-circuit currents ay maaaring epektibong limitahan. Bukod dito, sa pamamagitan ng paggamit ng S/N (superconducting-to-normal) transition characteristics ng superconducting materials, ang sistema ay nag-iintegrate ng fault detection, triggering, at current limiting sa isang unit, na nagbibigay ng mabilis na response at mataas na reliability.
Sa nakaraang mga taon, sa mabilis na pag-unlad at praktikal na aplikasyon ng power electronics technology at high-capacity power electronic devices, ang non-superconducting bridge-type short-circuit current limiters—na binubuo ng conventional power electronic switches at inductors—ay nakamit ang mga adhikain sa reliability at cost-effectiveness dahil sa pag-iwas sa mahirap na superconducting technology. Ang mga resulta ng simulasyon ay nagpapakita na ang parehong uri ng current limiters ay nakamit ang mahusay na current-limiting performance, na nagpapatotoo sa feasibility ng proposed current-limiting approaches.