Alacsony feszültségű DC szilárdtestes átmeneti kiváltók kulcsfontosságú technológiái
1 Technikai Kihívások
1.1 Eszközök párhuzamos működésének stabilitása
Az egyetlen erőművelesi eszköz áramerőssége gyakran korlátozott. A magas áramerősség kielégítése érdekében több eszközt szoktak párhuzamosan összekapcsolni. Azonban az eszközök paraméterei közötti eltérések, például a vezetőellenállás és a küszöbhatásvolt kis különbségei miatt a párhuzamos működés során a árameloszlás nem egyenletes lehet. A kapcsolóidők során a parasit induktivitás és kapacitancia tovább súlyosbítja ezt a problémát, ami miatt bizonyos eszközök túlmelegedhetnek és meghibásodhatnak, rövidítve a szilárdtestes átkapcsoló élettartamát.
1.2 Hibaérzékelés késleltetése
A DC rendszerekben a hibajáradat jellemzői jelentősen eltérnek az AC rendszerekenél, nincsenek nullapontok, amelyek segítenek a hibák felismerésében és megszakításában. Ezért a szilárdtestes átkapcsolóknak mikroszekundum-szintű hibaérzékelési algoritmusokat kell alkalmazniuk, hogy pontosan fel tudják ismerni a hibákat és gyorsan reagáljanak. A hagyományos hibaérzékelési módszerek jelentős késleltetést mutatnak a gyorsan változó DC hibajáradatok kezelésekor, ami nem felel meg a gyors védelem igényeinek.
1.3 Hővezetés és térfogat közötti ellentmondás
A modern erőművelesi rendszerek magas teljesítményű sűrűségének kielégítése érdekében a szilárdtestes átkapcsolók tervezése korlátozott térben nagyobb teljesítményt kell kezeljenek. Ugyanakkor a magasabb teljesítményhez tartozó hőtermelés jelentősen növekszik. A hővezetés hiánya túlmelegedéshez vezethet, ami rombolja az eszközök teljesítményét, és potenciálisan hőfutást és eszközhibát okoz. A hagyományos hűtési technikák rosszul teljesítenek a magas teljesítményű sűrűségű szilárdtestes átkapcsolókkal. Habár a folyadék hűtés javíthatja a hővezetés hatékonyságát, növeli az eszköz méretét és költségét. Így a hatékony hűtés és a megfelelő térfogat-kezelés közötti egyensúly megtalálása továbbra is kulcsfontosságú kihívás a szilárdtestes átkapcsolók tervezésében.
2 Fontos Technológiai Kutatások
2.1 Széles bandgapú eszközök alkalmazási technológiája
(1) SiC MOSFET kiválasztása és csomagolása
A széles bandgapú eszközök közül a SiC MOSFETek jelentős előnyökkel bírnak. A több eszköz párhuzamos használatában való teljesítmény javítása érdekében szimmetrikus Direct Bonded Copper (DBC) elrendezést alkalmaznak. Ez az elrendezés hatékonyan csökkenti a parasit induktivitást, ami létfontosságú a kapcsoló jellemzők javításához. A kapcsoláskor, különösen a kikapcsolás során, a parasit induktivitás és az eszköz kapacitancia közötti interakció áramkapu-feszültség rezgését okozza. Kísérleti tesztek szerint a szimmetrikus DBC elrendezés révén a kikapcsolási időben a kapu-feszültség rezgései 5% alatt maradnak. Ez nem csak a dinamikai stabilitást javítja a párhuzamos működés során, de csökkenti az eszközök károsodásának kockázatát a feszültség-rezgés miatt.
(2) Dinamikus áramelosztási irányítás
A párhuzamos eszközök áramelosztási kihívásának megoldása érdekében bevezetnek egy olyan irányítási stratégiát, amely egy áramelosztási busz és adaptív PI szabályozást kombinál. Az áramelosztási busz egyedi strukturális tervezés révén fizikailag egyensúlyos áramelosztási utat biztosít minden párhuzamos ág számára. Ezen felül az adaptív PI szabályozási algoritmus dinamikusan beállítja az egyes eszközök vezérlőjeleit a részág-áramok valós idejű figyelésére alapozva, így pontosabb áramelosztási irányítást ér el.
2.2 Gyors hibaérzékelés és megszakítás technológiája
(1) Kapu-feszültség alapú hibaérzékelés
A SiC MOSFET rövidzárt jellemzőinek elemzése alapján a rövidzárt hiba során a drain-source feszültség (VDS) gyorsan 900 V-ra emelkedik, míg a kapu-feszültség jelentősen csökken, 10 V/ns-es meredekséggel. Ez a jellemzőt kihasználva kialakítottak egy két-határértékű összehasonlítót a gyors hibaérzékeléshez, két áramhatárértéket állítva be: Ith1 = 500 A és Ith2 = 1.2 kA. Ha a detektált áram meghaladja az Ith1-et, előzetes figyelmeztetést ad; ha az Ith2-t meghaladja, akkor rövidzárt hibát jelez. A tervezett érzékelőkör és jel-előfeldolgozó algoritmus 0.8 μs-es késleltetés mellett működik. Ez a megközelítés a hagyományos módszerek bonyolult jelátalakítását és feldolgozást kerüli, a SiC MOSFET sajátos elektromos jellemzőit használva, jelentősen javítva a hibaérzékelés pontosságát.
(2) Többcélos optimalizált megszakítási stratégia
A szilárdtestes átkapcsolók magas teljesítményű hiba-megszakításának eléréséhez a megszakítási idő (Δt), energiafelvétel (EMOV) és impulzusáram (Ipeak) objektív függvényekként vannak beállítva, többcélos partícula-réteg optimalizálási (MOPSO) algoritmussal optimalizálva. A rövidebb megszakítási idő jobb védelmet nyújt a rendszeregyenestek számára; az energiafelvétel befolyásolja a védelmi komponensek, mint például a MOV kiválasztását és élettartamát; a túlzott impulzusáram jelentős elektromos stresszt okoz, ami befolyásolja a normál működést.
Több MOPSO optimalizációs iterációval meghatározták az optimális paramétereket: áramkorlátozó induktivitás LB = 15 μH és MOV feszültség-korlátozó tényező γ = 1.8. Ezekkel az optimalizált paraméterekkel a megszakítási idő 73.5 μs-ra csökkent, a maximális áram pedig 526 A-ra korlátozódik. A TOPSIS döntési módszerrel vizuálisan bemutatják az optimalizálás hatását, a képletek előtti és utáni eredmények összehasonlítása jelentős javulást mutat a megszakítási idő, energiafelvétel és impulzusáram kulcsfontosságú mutatóiban, jelentősen javítva az általános teljesítményt, és jobban megfelelve a gyors és megbízható megszakítás gyakorlati mérnöki igényeihez szilárdtestes átkapcsolókkal.
2.3 Magas megbízhatóságú mechanikai szerkezet tervezése
(1) Állandó mágneses izolátor kapcsoló
A szilárdtestes átkapcsolók megbízhatóságának és stabilitásának javítása érdekében terveztek egy állandó mágneses izolátor kapcsolót, amely kétállapotú állandó mágneses mechanizmust használ. Ebben a szerkezetben a bezárás és nyitás fenntartóerőjét főként állandó mágnesek biztosítják, a tekercs energiába csak pillanatnyilag kapcsolódik a kapcsoló műveletek során. Ez a hagyományos elektromos izolátor kapcsolókkal szemben kb. 90%-kal csökkenti a fogyasztást. Adams dinamikai szimulációs elemzés szerint ez az állandó mágneses izolátor kapcsoló több mint 1 millió műveletig életképes, a kapcsoló elválasztási sebessége 3 m/s. A magas elválasztási sebesség biztosítja a gyors áramkör lezárását a hiba bekövetkezésekor, csökkentve a híres generálás valószínűségét, és javítva a kapcsoló megszakítási képességét. A hosszú élettartam stabil teljesítményt biztosít hosszú ideig, csökkentve a karbantartás és cserének frekvenciáját, így erős támogatást nyújt a szilárdtestes átkapcsoló hatékony működéséhez.
(2) Hőkezelési megoldás 3 实验验证 3.1 原型参数 3.2 型式试验结果 对原型进行了全面的型式试验，以评估其性能是否满足实际应用的要求： (1) 短路中断试验 在中断过程中，测试人员密切观察了断路器的性能，整个过程中没有发生电弧重燃现象。这一结果不仅展示了快速故障检测和中断技术的高效率，还突显了固态断路器优异的中断性能。在传统断路器中，电弧重燃是一个难以避免的问题，常常导致二次故障甚至严重设备损坏。相比之下，固态断路器通过先进的中断技术成功避免了这一问题，从而为电力系统的稳定运行提供了强有力的支持。 (2) 温升试验 (3) 寿命试验 4 结论 它成功实现了微秒级快速中断和百万次操作寿命，为新能源配电系统的保护提供了一个实用可行的解决方案。展望未来，低压直流固态断路器有许多有前景的研究方向。例如，建立从器件封装到系统级别的集成仿真模型，可以更全面地模拟固态断路器在各种工作条件下的性能，从而为设计优化提供更多准确的理论支持。 3 Kísérleti Igazolás 3.1 Prototípus Paraméterei 3.2 Típusvizsgálati Eredmények A prototípusról számos típusvizsgálatot végeztek annak érdekében, hogy értékeljék, hogy a teljesítménye megfelel-e a gyakorlati alkalmazások igényeinek: (1) Rövidzárt Megszakító Próba A megszakítás során a próbatársak figyeltek a kapcsoló teljesítményére, és a folyamat során nem fordult elő vízszintű újraindulás. Ez az eredmény nem csak a gyors hibaérzékelési és megszakító technológia magas hatékonyságát, de a szilárdtestes átkapcsoló kiváló megszakító teljesítményét is bemutatja. A hagyományos átkapcsolók esetében a vízszintű újraindulás egy nehéz megoldású probléma, ami gyakran másodlagos hibákat vagy súlyos berendezéskárokat okoz. Ellenben a szilárdtestes átkapcsoló ezt a problémát sikeresen elkerüli a fejlett megszakítási technológiák révén, így erős támogatást nyújt a hálózatok stabil működéséhez. (2) Hőmérséklet-emelési Próba (3) Élettartami Próba 4 Összefoglalás Ez sikeresen megvalósítja a mikroszekundum-szintű gyors megszakítást és az egymillió műveleti ciklus élettartamot, gyakorlatias és megvalósítható megoldást nyújtva a szilárdtestes átkapcsolók védelmére az újenergia-hálózatokban. Jövőbeli kutatási irányok között sok ígéretes lehetőség van az alacsony feszültségű DC szilárdtestes átkapcsolók terén. Például a berendezés-csomagolás-rendszer szintű integrált szimulációs modell kialakítása lehetővé teheti a szilárdtestes átkapcsolók teljesítményének szélesebb körű szimulációját különböző működési feltételek mellett, így a tervezés optimalizálásához szükséges elméleti támogatást nyújtva.
A magas teljesítményű sűrűségű tervezés hővezetési kihívásainak megoldása érdekében egy olyan hibrid hűtési megoldást javasolnak, amely az evaporatív hűtést és a kényszerített levegőhűtést kombinálja. Az evaporatív hűtés a folyadék蒸发液体吸热的原理，实现紧凑空间内的高效传热。强制风冷通过风扇驱动的强制对流进一步增强散热效果。这种混合冷却方法使模块热点温度稳定在75°C以下，温升速率小于5°C/min，满足标准要求。
III. 实验验证
为了验证关键技术及设计方案的有效性，开发了一个低压直流固态断路器原型，主要参数如下：
短路故障是电力系统中最严重的故障类型之一，产生的巨大瞬时电流对设备运行构成严重威胁。为了模拟这种极端条件，建立了23 kA短路电流测试环境——这对固态断路器提出了严峻挑战。测试开始时，原型迅速启动，内置的快速故障检测和中断技术开始发挥作用。该技术通过高精度电流监测和快速响应机制，在极短时间内检测到异常电流并立即触发中断过程。
热性能是评价固态断路器的另一个关键因素。为了有效评估设备长时间运行时的散热能力，进行了温升试验。要求原型连续运行24小时，在此期间产生大量热量[9]。试验后，使用温度传感器测量了原型的温度。结果显示温升ΔT = 32 K。这些数据证实了结合蒸发冷却和强制风冷的混合冷却解决方案的有效性。通过整合蒸发冷却的自然散热原理和强制风冷的强制对流，系统有效地散去了运行过程中产生的热量，确保设备保持在可接受的温度范围内。良好的热管理不仅确保了固态断路器的稳定运行，还延长了其使用寿命。
寿命是确定固态断路器能否广泛应用于实际电力系统的关键指标。因此，为了验证其寿命性能，原型进行了百万次操作循环的耐久性试验。在整个试验过程中，人员密切监测了原型接触电阻的变化。试验后，测量发现接触电阻变化小于5%。这一结果验证了永磁隔离开关长寿命设计的有效性。即使经过长时间频繁操作，开关触点仍保持良好的导电性，确保了固态断路器可靠的通断功能。
综上所述，本文基于对宽禁带器件优化、智能控制算法和高可靠性结构设计等关键技术的深入研究，提出了一种低压直流固态断路器的技术解决方案。实验验证表明，所开发的原型在中断速度、故障检测精度和运行寿命等关键指标上达到了领先水平。
A kulcsfontosságú technológiák és tervezési terv hatékonyságának igazolása érdekében készítettek egy alacsony feszültségű DC szilárdtestes átkapcsoló prototípust, amelynek fő paramétereit a következők:
A rövidzárt hibák a legveszélyesebb hibatípusok közé tartoznak az erőművelesi rendszerekben, mivel a nagy, pillanatnyi áram jelentős veszélyt jelent a berendezések működésére. Ennek szimulálása érdekében 23 kA rövidzárt árampróbakörnyezetet hoztak létre – ami jelentős kihívást jelent a szilárdtestes átkapcsolónak. A próba kezdetén a prototípus gyorsan aktiválódott, és a beépített gyors hibaérzékelési és megszakító technológia elkezdte működni. Ez a technológia, a nagy pontosságú áramfigyelés és a gyors reakciós mechanizmus révén, a hibaáramot nagyon rövid idő alatt érzékelte, és azonnal indította el a megszakítási folyamatot.
A hőteljesítmény a szilárdtestes átkapcsolók értékelésének egy másik kulcsfontosságú faktora. A hosszú távú működés során a hővezetési képesség hatékony értékeléséhez hőmérséklet-emelési próbat végeztek. A prototípusnak 24 órát kellett folyamatosan működnie, mely során jelentős hőt termelt [9]. A próba után hőmérséklet-szenzorokkal mértek a prototípus hőmérsékletét. Az eredmények szerint a hőmérséklet-emelés ΔT = 32 K volt. Ez az adat a párázódó hűtés és a kényszerített levegőhűtés kombinált hibrid hűtési megoldás hatékonyságát igazolja. A párázódó hűtés természetes hővezetési elvét és a kényszerített levegőhűtés kényszerített konvekcióját integrálva, a rendszer hatékonyan hűti a működés során termelt hőt, biztosítva, hogy a berendezés elfogadható hőmérsékleti tartományban maradjon. A jó hőkezelés nem csak a szilárdtestes átkapcsoló stabil működését, de a szolgáltartási élettartamának is hosszabbítását biztosítja.
A szolgáltartási élettartam a szilárdtestes átkapcsolók széles körű alkalmazhatóságának meghatározó mutatója. Ennek igazolása érdekében a prototípuson egymillió műveleti ciklus ellenállóssági próbat végeztek. A próba során a próbatársak figyeltek a prototípus kapcsolási ellenállásának változásaira. A próba után a kapcsolási ellenállás mérésével kiderült, hogy a változás 5%-nál kisebb volt. Ez az eredmény a hosszú élettartamú tervezés hatékonyságát igazolja a permanens mágneses izolátor kapcsolónál. Akár hosszú, akár gyakori működés után is a kapcsolókontaktusok kiváló vezetőképességet mutatnak, biztosítva a szilárdtestes átkapcsoló megbízható be- és kikapcsolási funkcióit.
Összefoglalva, a tanulmány széles bandgapú eszközök optimalizálásán, intelligens irányítási algoritmusokon és magas megbízhatóságú szerkezeti tervezésen alapuló technikai megoldást mutat be alacsony feszültségű DC szilárdtestes átkapcsolóknak. A kísérleti igazolás azt mutatja, hogy a fejlesztett prototípus a megszakítási sebesség, a hibaérzékelési pontosság és a működési élettartam kulcsfontosságú mutatói szempontjából vezető teljesítményt éri el.
