Mediumspannings DC-sirkuitbreker Tipes en Toepassings

Middelspannings DC-sirkelbrekers is geskik vir toepassings in skepe, stedelike metrorailweë, elektriese treine, mikrogroep (elektriese voertuie), verspreide opwekking (sonenergie), en batterigebaseerde stelsels (data sentrums).

Die relatief lae sirkelimpedansie in 'n DC-geval lei tot hoër amplitudes van kortsluitings. Verder dra die transformatorwindings nie by tot die algehele tydkonstante in DC-stelsels, sodat die algehele tydkonstante verminder en 'n kortsluiting kan verhoog in 'n paar millisekondes. Spanninginskrywing kan ook plaasvind waar die handhawing van ten minste 80% van die nominale DC-spanning 'n voorwaarde is vir die spanningbron omskakelaar (VSC) stasie om normaal te werk.

Om omskakelaarbedryfstoornisse te minimeer, moet die fout binne 'n paar millisekondes uitgeskakel word, veral vir stasies wat nie aan die foutiewe lyn of kabel gekoppel is nie.

Tipes middelspannings DC-sirkelbrekers op die mark:
Drie hooftipes sirkelbrekers in die LVDC en MVDC-mark is vaste-toestand sirkelbrekers (SSCBs), meganiese sirkelbrekers (MCBs), en hibriede sirkelbrekers (HCBs) wat 'n kombinasie is van SSCB parallel met 'n ultra-vinnige meganiese skakelaar (UFMS).

Konvensionele lug- en SF6-gedraaide LV en MV AC MCBs het 'n beperkte DC-onderbreekvermoë tot slegs 'n paar kilovolts en 'n paar Amperes.

Vaste-toestand middelspannings DC-sirkelbrekers:
Topologieë vir SSCBs is tipies gebaseer op 'n sekere aantal geïntegreerde hekgestuurde kommuterende thyristors (IGCTs), hekgestuurde afsluitthyristors (GTOs), of geïsoleerde hekgestuurde bipolaire transistors (IGBTs), verbonden in reeks. Alhoewel die reaksietye uiterst vinnig is, is een nadeel die aansienlike toestand-verliese, tipies in die bereik van 15-30% van die verliese van 'n VSC-stasie.

Hoë komponentkoste, 'n gebrek aan galvaniese isolering, en onvoldoende termiese absorpsievermoë is ander nadele.

Figuur 1 wys 'n tipe vaste-toestand middelspannings DC-sirkelbrekerontwerp:

Figuur 1: a) IGCT-gebaseerde middelspannings tweirigting vaste-toestand sirkelbreker, (b) IGCT-gebaseerde middelspannings tweirigting vaste-toestand sirkelbreker, (c) GTO-gebaseerde tweirigting vaste-toestand sirkelbreker

Verskeie SSCB-topologieë is voorgestel. Egter, die meeste daarvan is vir spannings ≤ 1 kV, veral vir lae strome ≤ 1000 A. Dit moet opgemerk word dat een van die moeilikste aspekte van SSCB-tegnologie hoë toestand-verlies is, en alhoewel sommige artikels 'n MV SSCB rapporteer wat 'n MV-spanningsvlak soos 6-15 kV bevredig, is hulle tipies vir geregte stroom minder as 1000 A, maar die vereiste kraghanteringvermoë sou in die orde van 'n paar MW tot 'n paar tientale MW wees met ten minste 3 parallelle module (3P:3*3.72 MW).

Dus, die ontwikkeling van 'n DC CB met 'n geregte krag van minder as 10 MW vir toekomstige MVDC-argitektuur word byna nutteloos. Die huidige kragsemiconductor tegnologieë kan nie sodanige kragratings bevredig nie; gevolglik sal SSCBs vir toekomstige MVDC-argitektuur nie lei tot 'n hoë-effektiewe koste-effektiewe kompak ontwerp nie. In hierdie opsig is relatief groot lugblazers met vermoës van sowat sesduisend kubieke voet per minute en/of aktiewe waterkoeling nodig vir die multi-kilowatt vlakke van toestand-verlies wat verwag word by hoë strome.

Hibriede middelspannings DC-sirkelbrekers (HCBs):
Hibriede middelspannings DC-sirkelbrekers sluit in 'n stroomgeleiweg en 'n stroomonderbreekweg.

'n Hibriede breker kombinseer die uiterst lae voorwaartse verliese van 'n puur ultra-vinnige skakelaar met die vinnige prestasie van 'n vaste-toestand breker in die parallelle weg. Die hoofbreker is op 'n parallelle weg geposisioneer en bestaan uit 'n reeks en parallelle vaste-toestand skakelaars wat in reeks verbonden is.

'n Ontwikkelde modulêre HCB en een module soos getoon in Fig. 2 met geregte spanning en stroom, en 'n stroomonderbreekvermoë van 6.2 kV, en 600 A, onderskeidelik.

Dit is belangrik om op te merk dat die boogkamer van die ultra-vinnige skakelaar net genoeg spanning moet genereer om die stroom te kommunikeer en die parallelingfilosofie van die module te fasiliteer. In alle SSCB en HCB-ontwerpe is 'n residuele stroomafskakelaar (RCD) en 'n shunt weerstand om die stroom te meet soos getoon in Fig. 2 nodig. Wanneer die stroom na 'n lae waarde soos deur die lekkagestroom van die metaaloxide varistor (MOV) gespesifiseer, oop die afdrukker, isoleer die stelsel en verhoed enige lekkagestroom deur die semiconductors en MOV.

Figuur 2: Hibriede middelspannings DC-sirkelbreker

Die UFMS van die hoofweg moet net 'n hoë genoeg spanning genereer om die stroom na die parallelle volledige IGBT-breker te kommunikeer. Die weerstand van die bykomende DC-breker, Rdson by 2 kA, en die vinnige meganiese skakelaar moet minder as 20 mW wees om soortgelyke eienskappe as 'n elektromeganiese sirkelbreker te hê. Die gebruik van UFMS in die hoofweg lei tot laer toestand-verliese en voorwaartse spanning as 'n volledige SSCB.

Die voorgestelde ontwerp kan voordeel bied oor die hoëspannings HCBs vervaardig deur ABB en Alstom, omdat (1) daar geen toestand-semikonduktor-verlies is, (2) sy beheersirkuiet eenvoudiger sal wees, en (3) die duur "Power Electronic Switch" in die hoofweg, kan vermy word. In feite kan slegs een UFMS beide die "Power Electronic Switch" en die vinnige afdrukker voorgestel deur ABB vir die hoofweg vervang.

Egter, dit moet verseker word dat die UFMS-kontakweerstand nie meer is as ekwivalente elektromeganiese kontakke en die standhoukapasiteit van 4.45×10-7 I2 N (d.w.s. > 178 N vir 10x-inrus by 2 kA geregte met veiligheidsfaktor 2x of 356 N) het nie.

Ultra-vinnige meganiese skakelaar in middelspannings hibriede DC-sirkelbreker:
Die uitdagings om die genoemde filosofie te realiseer is (1) of sulke ultra-vinnige skakelaars vir MV-niveaus ontwikkel kan word, (2) of die opbou van die boogspanning vir kommunikasie hoogs genoeg is, en (3) of dieselfde ontwerp moontlik is vir RCB. Die antwoord mag JA wees vir alle vrae soos hieronder bespreek.

Elektromagnetiese Thomson-koil (TC) aktuatoren wat op aantrekkende of afstotende kragte tussen stroomdragende geleiders gebaseer is, is baie geskik vir vinnige skakeling omdat hulle hoë versnelling kan bereik deur presiese beheer. Tot dusver is twee tegnieke gebaseer op TC voorgestel en goed uitgewerk vir ultra-vinnige meganiese skakelaars, waar die een met reeks koiel die een op induksie oortref in terme van effektiwiteit. Hierdie twee tegnieke is ook vergelyk deur Multiphysics eindige elementemodelering.

'n Eenfasige 12 kV (nominaal spanning) en 2 kA (nominaal stroom) / 20 kA (kortsluiting) foutstroombeperkende sirkelbreker (FCLCB) en 24 kV, 3 kA / 40 kA FCLCB wat die boog sonder enige gedwonge boogkoeling binne 100-300 μs kan uitdruk, is ontwerp en gebou.

Die induksie-gebaseerde vinnige skakelaar met 'n geregte stroom van 7 kA versnel 'n HCB-kontak van ~2 kg met 'n beginversnelling van ~44 900 m/s2 wat 4 mm kontakverdeling na ~422 μs veroorsaak, genoeg om 'n geregte skakelaarspanning van 3 kV te weerstaan.

Hierdie vinnige beweging moet aan die einde van die reis gedemp word om oorreis, terugkaatsing, vermoeidheid, en ander ongewenste effekte te verhoed.