أنواع وتطبيقات مقطّع الدائرة الكهربائية ذات التوتر المتوسط DC

تُعتبر قواطع الدائرة الكهربائية ذات الجهد المتوسط للتيار المستمر مناسبة للاستخدام في السفن، ومترو الأنفاق الحضري، والقطارات الكهربائية، والشبكات المصغرة (المركبات الكهربائية)، والتوليد الموزع (طاقة الشمس)، وأنظمة البطاريات (مراكز البيانات).

يؤدي انخفاض معاوقة الدائرة النسبي في حالة التيار المستمر إلى زيادة في سعة التصريف القصير. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن ملفات التحويل لا تساهم في الثابت الزمني الإجمالي في أنظمة التيار المستمر، ينخفض الثابت الزمني الإجمالي ويمكن أن يكون زمن الصعود للتصريف القصير بضعة مللي ثوانٍ فقط. قد يحدث أيضًا انهيار الجهد حيث يعتبر الحفاظ على ما لا يقل عن 80% من الجهد المستمر الاسمي شرطًا أساسيًا لعمل محطة المحول المصدر للجهد (VSC) بشكل طبيعي.

لتقليل اضطرابات تشغيل المحول، يجب إزالة العطل خلال بضعة مللي ثوانٍ، خاصة بالنسبة للمحطات غير المتصلة بالخط أو الكابل المعيب.

أنواع قواطع الدائرة الكهربائية ذات الجهد المتوسط للتيار المستمر المتاحة في السوق:
هناك ثلاثة أنواع رئيسية من قواطع الدائرة في أسواق LVDC و MVDC وهي قواطع الدائرة الصلبة (SSCBs)، وقواطع الدائرة الميكانيكية (MCBs)، وقواطع الدائرة الهجينة (HCBs) التي هي مزيج من SSCB متوازية مع مفتاح ميكانيكي فائق السرعة (UFMS).

تمتلك قواطع الدائرة التقليدية ذات الهواء والSF6 للتيار المتردد منخفض الجهد ومتوسط الجهد قدرة محدودة على قطع التيار المستمر تقتصر على بضعة كيلوفولت وبضعة أمبير.

قواطع الدائرة الكهربائية الصلبة ذات الجهد المتوسط للتيار المستمر:
تستند طوبولوجيات SSCBs عادةً على عدد معين من مقاومات التحكم المتكاملة (IGCTs)، أو مقاومات التحكم بالبوابة (GTOs)، أو الترانزستورات ثنائية القطب ذات العزل (IGBTs)، متصلة في سلسلة. رغم أن أوقات الاستجابة سريعة جدًا، إلا أن أحد العيوب هو الخسائر الكبيرة أثناء التشغيل والتي تتراوح عادة بين 15-30% من خسائر محطة VSC.

التكلفة المرتفعة للمكونات، وعدم وجود عزل كهربائي، وقدرة امتصاص حراري غير كافية هي عيوب أخرى.

يوضح الشكل 1 نوعًا من تصاميم قواطع الدائرة الكهربائية الصلبة ذات الجهد المتوسط للتيار المستمر:

الشكل 1: أ) قاطع الدائرة الصلب ثنائي الاتجاه ذو الجهد المتوسط القائم على IGCT، (ب) قاطع الدائرة الصلب ثنائي الاتجاه ذو الجهد المتوسط القائم على IGCT، (ج) قاطع الدائرة الصلب ثنائي الاتجاه القائم على GTO

تم اقتراح العديد من طوبولوجيات SSCB المختلفة. ومع ذلك، فإن معظمها مصمم لأجهزة الجهد ≤ 1 كيلوفولت، خاصة للأجهزة ذات التيار المنخفض ≤ 1000 أمبير. يجب ملاحظة أن أحد أكبر التحديات في تقنية SSCB هو الخسارة الكبيرة أثناء التشغيل، وعلى الرغم من أن بعض المقالات تذكر أن قاطع الدائرة MV يمكن أن يحقق مستوى جهد MV مثل 6-15 كيلوفولت، إلا أنه عادة ما يكون للتيار المحدد أقل من 1000 أمبير، ولكن القدرة المطلوبة ستتراوح بين بضعة ميجاوات إلى عشرات الميجاوات مع ما لا يقل عن ثلاثة وحدات متوازية (3P:3*3.72 MW).

وبالتالي، يصبح تطوير قاطع دائرة DC بقدرة محددة أقل من 10 ميجاوات لمعماريات MVDC المستقبلية تقريبًا بلا فائدة. لا يمكن لتكنولوجيا الأشباه الموصلات الحالية تحقيق هذه القدرات، وبالتالي لن يؤدي قواطع الدائرة الصلبة لمعماريات MVDC المستقبلية إلى تصميم فعال واقتصادي وصغير الحجم. من هذا المنطلق، تحتاج مضخات الهواء الكبيرة بقدرة حوالي ستة آلاف قدم مكعب في الدقيقة والتدفئة المائية الفعالة للتعامل مع مستويات الخسارة المتوقعة للتيارات العالية.

قواطع الدائرة الكهربائية الهجينة ذات الجهد المتوسط للتيار المستمر (HCBs):
تشمل قواطع الدائرة الكهربائية الهجينة ذات الجهد المتوسط للتيار المستمر مسار توصيل التيار ومسار قطع التيار.

يجمع القاطع الهجين بين الخسائر الأمامية المنخفضة للغاية للمفتاح الفائق السرعة النقي والأداء السريع لقاطع الدائرة الصلب في المسار المتوازي. يتم وضع القاطع الرئيسي على مسار متوازي ويتألف من مقاومات صلبة متسلسلة ومتوازية متصلة في سلسلة.

تم تطوير HCB معياري ووحدة واحدة كما هو موضح في الشكل 2 مع الجهد والمعدَّل الحالي، وقابلية قطع التيار البالغة 6.2 كيلوفولت، و600 أمبير على التوالي.

من المهم ملاحظة أن غرفة القوس للمفتاح الفائق السرعة تحتاج فقط إلى إنتاج جهد كافٍ للتواصل مع التيار وتسهيل فلسفة الوحدات المتوازية. في جميع تصاميم SSCB و HCB، يحتاج إلى فاصل تيار متبقي (RCD) ومقاومة متقاطعة لقياس التيار كما هو موضح في الشكل 2. عندما ينخفض التيار إلى قيمة منخفضة محددة بواسطة التسرب الكهربائي لمثبط التيار الزائد (MOV)، يفتح الفاصل ويعزل النظام ويمنع أي تسرب كهربائي عبر الأشباه الموصلات و MOV.

الشكل 2: قاطع الدائرة الكهربائية الهجين ذو الجهد المتوسط للتيار المستمر

يحتاج UFMS في المسار الرئيسي فقط لإنتاج جهد كافٍ لتوصيل التيار إلى القاطع الكامل IGBT المتوازي. يجب أن تكون مقاومة القاطع المساعد DC، Rdson عند 2 kA، والمفتاح الميكانيكي السريع أقل من 20 mW لكي يكون لديها خصائص مشابهة لقاطع الدائرة الكهروميكانيكي. استخدام UFMS في المسار الرئيسي يؤدي إلى خسائر أقل أثناء التشغيل ولحظة الجهد الأمامي أقل من القاطع الصلب الكامل.

يمكن أن يكون التصميم المقترح مفيدًا أكثر من قواطع الدائرة الكهربائية الهجينة ذات الجهد العالي التي تم تصنيعها بواسطة ABB و Alstom، لأنه (1) لا يوجد خسارة في الأشباه الموصلات أثناء التشغيل، (2) سيكون دائرته التحكمية أبسط، و(3) يمكن تجنب "المفتاح الإلكتروني للقوة" باهظ الثمن في المسار الرئيسي. في الواقع، يمكن أن يحل مفتاح UFMS واحد محل كل من "المفتاح الإلكتروني للقوة" والمفصل السريع المقترح بواسطة ABB للمسار الرئيسي.

ومع ذلك، يجب التأكد من أن مقاومة تلامس UFMS لا تزيد عن تلامسات الكهروميكانيكية المكافئة ولديها قدرة تحمل قوة 4.45×10-7 I2 N (أي > 178 N لـ 10x فيrush عند 2 kA محدد مع عامل الأمان 2x أو 356 N).

المفتاح الميكانيكي الفائق السرعة في قاطع الدائرة الكهربائية الهجين ذو الجهد المتوسط للتيار المستمر:
التحديات لتحقيق هذه الفلسفة هي (1) هل يمكن تطوير مثل هذه المفاتيح الفائقة السرعة لمستوى MV، (2) هل بناء جهد القوس للتوصيل كافٍ، و(3) هل يمكن تنفيذ نفس التصميم لRCB. الإجابة قد تكون نعم لكل الأسئلة كما هو مناقش أدناه.

يعتبر مفعولات Thomson الكهرومغناطيسية (TC) التي تعمل على أساس القوى الجاذبة أو المتنافرة بين الموصلات الحاملة للتيار مناسبة جدًا للتبديل السريع لأنها يمكن أن تحقق تسارعات عالية من خلال التحكم الدقيق. حتى الآن، تم اقتراح وشرح تقنيتان تعتمدان على TC للفتحات الميكانيكية الفائقة السرعة، حيث تفوقت التقنية ذات الملفات المتسلسلة على التقنية القائمة على الاستقراء من حيث الكفاءة. تم أيضًا مقارنة هاتين التقنيتين باستخدام نمذجة العناصر المحدودة متعددة الفيزياء.

تم تصميم وبناء قاطع دائرة محدد للتيار القصير بجهد فاز واحد 12 كيلوفولت (الجهد الاسمي) و2 كيلو أمبير (التيار الاسمي) / 20 كيلو أمبير (التيار القصير) وFCLCB بجهد 24 كيلوفولت، 3 كيلو أمبير / 40 كيلو أمبير مما يسمح بإطفاء القوس دون أي تبريد قسري للقوس في غضون 100-300 ميكرو ثانية.

الفتح السريع القائم على الاستقراء بتيار محدد 7 كيلو أمبير يسرع تلامس HCB بحوالي 2 كجم بتسارع أولي حوالي 44,900 م/ث2 مما يؤدي إلى فصل تلامس بـ 4 ملم بعد حوالي 422 ميكرو ثانية، وهو كافٍ لتحمل جهد محدد للمفتاح 3 كيلوفولت.

يجب تثبيت هذه الحركة السريعة في نهاية المسار لمنع الإفراط في الحركة والارتداد والإجهاد وغيرها من الآثار غير المرغوب فيها.