Мостовий тип обмежувача току короткого замикання | Суперпровідний та твердотільний
1 Містковий суперпровідний обмежувач струму при аварії
1.1 Структура та принцип роботи місткового SFCL
Рисунок 1 показує однофазну електричну схему місткового SFCL, який складається з чотирьох діодів D₁ до D₄, джерела похиленого напруги V_b та суперпровідного катушка L. Вимикач CB підключений паралельно до обмежувача, щоб перервати аварійний струм після його обмеження. Джерело похиленого напруги V_b забезпечує похилену струм i_b для суперпровідної катушки L. Напруга V_b встановлюється настільки високо, щоб подолати прямий нападавання напруги пари діодів (D₁ і D₃, або D₂ і D₄), створюючи похилену струм i₀. Значення i₀ встановлюється більшим за максимальне значення лінійного струму i_max, враховуючи можливість перевантаження.
Тому у нормальних умовах місткова схема продовжує проводити, і SFCL не демонструє жодного опору до лінійного струму i, ігноруючи незначну пряму нападавання напруги через міст. Припустимо, що під час нормальної роботи струми, що проходять через діоди D₁ до D₄, відповідно, iD1 до iD4, лінійний струм становить:
Це отримано відповідно до закону Кірхгофа для струмів (KCL):
При виникненні короткозамкнення на лінії лінійний струм швидко зростає до i₀. Під час позитивного та негативного півперіодів одна пара діодів стає оберненою і вимикається, автоматично вводячи катушку L у цеп. Аварійний струм таким чином обмежується індуктивним опором катушки.
Встановлюючи критичний струм суперпровідної катушки правильно, катушка залишається у суперпровідному стані під час аварії, уникнення впливу часу відгуку та відновлення після запекання. Однак, якщо аварія триває, струм через суперпровідний індуктор продовжує зростати, врешті-решт наближаючись до стабільного значення короткозамкнення, яке б існувало без обмежувача. Тому джерело аварії повинно бути своєчасно перервано вимикачем протягом визначеного часу. Для простоти припускається, що короткозамкнення виникає в момент, коли напруга джерела проходить через нуль (t = t₀). Згідно з законом Кірхгофа для напруг (KVL), отримуємо наступне рівняння:
Початкові умови , вирішуючи це диференціальне рівняння, отримуємо:
Рисунок 2 показує форми струму індуктора та лінійного струму під час нормальної роботи та після виникнення аварії, з аварією, що починається в момент t = 0.1 с. Результати моделювання показують, що короткозамкнений струм повільно зростає завдяки обмежувальному ефекту суперпровідного індуктора. Процес обмеження струму є, по суті, намагнічуванням суперпровідного індуктора. Коли аварійний струм стабілізується, обмежувач перестає бути ефективним. Тому аварію необхідно усунути вимикачем перед тим, як короткозамкнений струм досягне свого стабільного значення. На рисунку аварія усунена вимикачем в момент t = 0.2 с.
1.2 Структурне покращення місткових суперпровідних обмежувачів струму при аварії
Звичайний містковий суперпровідний обмежувач струму при аварії (SFCL) може лише приглушити швидкість зростання короткозамкнених струмів, але не може контролювати їх стабільні значення. Для обмеження стабільних значень короткозамкнених струмів гібридний SFCL поєднує характеристики нульового опору в суперпровідному стані та швидкого зростання опору під час запекання суперпровідників. Це досягається за допомогою інтеграції резистивних суперпровідних обмежувачів струму з містковими SFCL. Схематичний діаграма цього гібридного підходу показана на рисунку 3.
У нормальних умовах роботи перемикач K відкритий, тому резистивний SFCL не демонструє жодного зовнішнього опору, дозволяючи струму i_L проходити через нього без опору. При виникненні аварії резистивний SFCL негайно представляє високий опір і працює в серії з суперпровідним індуктором, щоб разом приглушити аварійний струм. Після усунення аварії перемикач K закривається; в цей момент, через власний високий опір, резистивний SFCL замиканий і швидко повертається до суперпровідного стану.
Оскільки у вимикачу K є опір у включеному стані, він буде коротковитамний через відновлений резистивний SFCL, що робить весь гібридний місткоподібний обмежувач зовнішньо низькоопорним. У цей момент відкриття K завершує весь процес обмеження струму. Для підвищення потужності резистивного SFCL зазвичай використовуються серійне та паралельне з'єднання одиниць резистивного SFCL, щоб покращити напругу та струмові характеристики пристрою. Рисунок 4 ілюструє схему електричної кола резистивного надпровідного обмежувача, де R₁ до R₆ представляють надпровідні резистори, а R служить як обхідний резистор, який може сприяти одночасному затуханню двох надпровідників в одній серійній гілці під час короткого замикання.
Роль міжфазного купуючого перетворювача полягає в тому, щоб забезпечити iL1 = iL2 = iL3, так що одиниці SFCL по різних паралельних гілках могли одночасно затухати після настання короткого замикання. Гібридний місткоподібний SFCL ефективно обмежує стаціонарне значення струму короткого замикання, використовуючи переходні характеристики надпровідника з надпровідного до нормального стану (S/N), автоматично включаючи обмежувач струму при виявленні аварії без потреби додаткових механізмів виявлення аварій. Однак, додавання резистивного надпровідного пристрою обмеження аварійного струму збільшує загальні витрати на експлуатацію та збільшує час відновлення після затухання, складаючи координацію з операціями повторного закриття системи.
2 Місткоподібний не-надпровідний обмежувач аварійного струму
2.1 Твердотільний обмежувач струму
У останні роки швидке розвиток технологій електроніки живлення та високоємних силових напівпровідникових пристроїв, таких як SCR, GTO, GTR та IGBT, разом з їх широкою застосованістю в практичних системах, зробили обмежувачі аварійного струму, складені з індукторів, резисторів, конденсаторів та компонентів електроніки живлення, предметом активних досліджень. Не-надпровідний місткоподібний обмежувач аварійного струму побудований зі стандартних компонентів, уникнувши складної технології надпровідності, і має переваги високої надійності та хорошої економічності.
Рисунок 5 показує схему ідеального однофазного місткоподібного обмежувача струму, який складається з однофазного місткового контуру та обмежувача струму індуктора L. Під час нормальної роботи на чотири тирістора неперервно подаються імпульси запуску. Після короткого процесу намагнічування струм в індукторі досягає пікового значення струму навантаження. Коли опущено напругу на тирісторах T₁ до T₄, обмежувач не має зовнішнього опору.
Якщо коротке замикання виникає під час позитивного півперіоду напруги живлення, T₃ примушено вимкнути, вводячи обмежувач струму індуктора в контур для придушення аварійного струму. Встановленням правильного значення індуктора L, аварійний струм можна обмежити до бажаного рівня. Крім того, цей обмежувач має здатність моментально переривати аварійний струм. Однак, через використання чотирьох керованих вимикачів, логіка управління моментальним перериванням є відносно складною. Під час обмеження аварійного струму генеруються значні гармоніки; ці гармоніки можна ефективно знизити, з'єднуючи обхідні індуктори паралельно містковим плечам.
2.2 Напівкерований містковий обмежувач аварійного струму короткого замикання
Рисунок 6 ілюструє топологію однофазного обмежувача аварійного струму короткого замикання на основі напівкерованого моста та самовимкнення пристроїв. Ця система складається з діодів D₁ до D₄, самовимкнення пристроїв T₁ і T₂, надпровідного індуктора L, обмежувача струму індуктора Llim, та ZnO поглинача наднапруг, з us, що представляє черговий джерело живлення, а CB - як лінійний вимикач контуру.
Під час нормальної роботи два самовимкнення пристроїв T₁ і T₂ неперервно запускаються. При початковому запуску струм в надпровідному індукторі поступово зростає до пікового значення лінійного струму під впливом джерела напруги. Коли навантаження стабілізується, iL залишається постійним. Знехтувавши нападаючими напругами на діодах D₁ до D₄ та самовимкнення пристроїв T₁ і T₂, напруга на мосту дорівнює нулю, а напруга на обмежувачі струму індуктора Llim також дорівнює нулю. В результаті, обмежувач струму не має зовнішнього опору та не впливає на систему.
Коли в системі виникає коротке замикання, струм iL в надпровідному індукторі зростає. Після виявлення короткого замикання, T₁ і T₂ негайно вимикаються, що призводить до виходу моста з роботи. Аварійний струм тоді передається на обхідний обмежувач струму індуктора Llim, а струм в надпровідному індукторі продовжує течію через діоди D₁ і D₄, поки не спаде до нуля. Рисунок 7 показує стаціонарні та аварійні криві струму та напруги однофазного обмежувача аварійного струму короткого замикання на основі напівкерованого моста.
Система запускається о 0.02 секунди і досягає стаціонарного стану протягом одного циклу. Коротке замикання виникає о 0.1 секунди, і T₁ вимикається протягом чверті циклу після виявлення аварії. Параметри контуру, використані для моделювання, такі: пікова фазова напруга джерела живлення становить 100V/50Hz; пікова номінальна струмова навантаження становить 10A; опір навантаження становить 10Ω; надпровідний DC індуктор L становить 10mH; нападаюча напруга на діодах та керованих вимикачах становить 0.8V; обмежувач струму індуктора Llim становить 10mH.
Однією з основних цілей використання суперпровідних обмежувачів струму при аваріях (SFCL) у системах електропостачання є обмеження аварійного струму, щоб він не перевищував миттєву відключаючу здатність лінійних автоматів. У аналізі часто використовується коефіцієнт зменшення аварійного струму D (0<D<1), який представляє відсоток зменшення пікового аварійного струму, і вираз для D має вигляд:
- це пікова струмова впливна величина під час короткого замикання без встановленого SFCL, і його значення пов'язане з еквівалентним співвідношенням X/R системи.
У рівнянні (7) Ip позначає амплітуду періодичної компоненти струму короткого замикання, а Ta - це постійна часу. ilim позначає пікове значення обмеженого струму короткого замикання, яке залежить від величини обмежувального дроселя Llim. Правильним вибором значення Llim можна досягти бажаного відсотка зменшення пікового аварійного струму. Були проведено симуляції з Llim, встановленим на 10 мГн, 15 мГн та 20 мГн, і результати показано на рисунку 8. Можна помітити, що більші Llim забезпечують кращу ефективність обмеження струму, але також призводять до вищих операційних витрат.
2.3 Вдосконалення напівкерованого мостового обмежувача струму при короткому замиканні
У конфігурації, показаній на рисунку 6, T₁ і T₂ неперервно активуються у нормальних умовах роботи. Як тільки виявлена аварія короткого замикання, контрольна схема вимикає обидва T₁ і T₂. Розташування одного керованого виплеску T у загальному шляху моста замість T₁ і T₂ дозволяє досягти подібної ефективності обмеження струму. Ця модифікація зменшує кількість керованих компонентів, знижує витрати та спрощує складність схеми. Схематичний діаграма показана на рисунку 9.
3 Висновок
Ця стаття представляє кілька типів мостових обмежувачів коротких замикань. Шляхом каскадування традиційного надпровідного мостового обмежувача спотворень з резистивним надпровідним обмежувачем коротких замикань можна ефективно обмежити як пікові, так і стаціонарні значення струмів коротких замикань. Більше того, використовуючи характеристики переходу S/N (надпровідний-нормальний) надпровідних матеріалів, система інтегрує виявлення аварій, запуск та обмеження струму в одному пристрої, що забезпечує швидку реакцію та високу надійність.
У останні роки, зі швидким розвитком та практичним застосуванням технологій електроніки живлення та високої потужності електронних пристроїв, не-надпровідні мостові обмежувачі коротких замикань, що складаються з традиційних електронних ключів живлення та індукторів, отримали переваги у надійності та економічності через відсутність складної надпровідної технології. Результати моделювання показують, що обидва типи обмежувачів струму досягають відмінної продуктивності обмеження струму, що підтверджує можливість запропонованих методів обмеження струму.
