Типове и приложения на среднонапрастни DC предпълзигачи

Среднонапреговите DC прекъсвачи са подходящи за приложение в кораби, градски метрополитен, електрически поезда, микросети (електрически автомобили), разпределена генерация (слънчева енергия) и системи, базирани на батерии (центрове за обработка на данни).

Относително ниската схемна импеданс в DC случая води до по-високи амплитуди на краткосрочни замыкания. Освен това, тъй като оплитките на трансформаторите не допринасят за общата времева константа в DC системите, общата времева константа намалява и краткосрочното замыкание може да има време на изкачване от само няколко милисекунди. Може да се случи и спадане на напрежението, където поддържането на поне 80% от номиналното DC напрежение е предварително условие за нормалната работа на станцията с преобразувател на напрежението (VSC).

За минимизиране на прекъсванията в работата на преобразувателя, дефектът трябва да бъде устранен в рамките на няколко милисекунди, особено за станции, които не са свързани с дефектната линия или кабел.

Типове среднонапрегови DC прекъсвачи на пазара:
Три основни типа прекъсвачи на пазара LVDC и MVDC са твърдотелни прекъсвачи (SSCBs), механични прекъсвачи (MCBs) и хибридни прекъсвачи (HCBs), които са комбинация от SSCB в паралел с ултра-бърз механичен ключ (UFMS).

Конвенционалните MCBs на LV и MV AC, основани на въздух и SF6, имат определена способност за прекъсване на DC, ограничена до няколко киловолта и няколко ампера.

Твърдотелни среднонапрегови DC прекъсвачи:
Топологията на SSCBs обикновено е основана на определен брой интегрирани управляеми тиристори (IGCTs), тиристори с управление на затваряне (GTOs) или изолирани двуполюсни транзистори (IGBTs), свързани в ред. Въпреки че времето на отговор е изключително бързо, един недостатък е значителните загуби при проводимост, обикновено в диапазона от 15-30% от загубите на VSC станция.

Високите компонентни разходи, липсата на галивническа изолация и недостатъчната термична абсорбционна способност са други недостатъци.

Фигура 1 показва един тип твърдотелен среднонапрегов DC прекъсвач:

Фигура 1: a) Среднонапрегов бидирекционен твърдотелен прекъсвач, основан на IGCT, (b) Среднонапрегов бидирекционен твърдотелен прекъсвач, основан на IGCT, (c) Бидирекционен твърдотелен прекъсвач, основан на GTO

Предложени са различни топологии на SSCB. Обаче, повечето от тях са за напрежения ≤ 1 кВ, особено за малки токове ≤ 1000 А. Трябва да се отбележи, че един от най-трудните аспекти на технологията SSCB е високите загуби при проводимост и, въпреки че някои статии докладват MV SSCB, удовлетворяващ MV ниво на напрежението, като например 6-15 кВ, те обикновено са за номинален ток по-малък от 1000 А, но необходимата мощност за обработване би била в диапазона от няколко MW до няколко десетки MW с поне 3 паралелни модула (3P:3*3.72 MW).

Следователно, разработването на DC прекъсвач с номинална мощност по-малка от 10 MW за бъдещите MVDC архитектури става почти безполезно. Съвременните технологии на силови полупроводници не могат да удовлетворят такива мощности; следователно, SSCB за бъдещите MVDC архитектури няма да доведат до високо ефективен и икономически оправдан компактен дизайн. В този контекст, са необходими относително големи вентилатори с капацитет около шест хиляди кубически фута в минута и/или активно водно охлаждане за многокиловатовите нива на загуби при проводимост, очаквани при високи токове.

Хибридни среднонапрегови DC прекъсвачи (HCBs):
Хибридните среднонапрегови DC прекъсвачи включват път за провеждане на тока и път за прекъсване на тока.

Хибриден прекъсвач комбинира изключително ниските загуби при проводимост на чист ултра-бърз ключ с бързата работа на твърдотелен прекъсвач в паралелния път. Главният прекъсвач е поставен в паралелен път и е съставен от серия и паралелни твърдотелни ключове, свързани в ред.

Разработен е модуларен HCB и един модул, както е показано на Фигура 2, с номинално напрежение и ток, и способност за прекъсване на тока от 6.2 кВ и 600 А, съответно.

Забележително е, че арковата камера на ултра-бързия ключ просто трябва да генерира достатъчно напрежение, за да коммуникира тока и да осигури философията за паралелиране на модулите. Във всички дизайни на SSCB и HCB, е необходим резидуален прекъсвач на тока (RCD) и шунтиращ резистор за измерване на тока, както е показано на Фигура 2. Когато токът падне до ниска стойност, определена от изтичащия ток на металоксидния варистр (MOV), прекъсвачът се отваря, изолирайки системата и предотвратявайки всякакъв изтичащ ток през полупроводниците и MOV.

Фигура 2: Хибриден среднонапрегов DC прекъсвач

Ултра-бързият ключ в главния път просто трябва да генерира достатъчно високо напрежение, за да комутира тока към паралелния пълен IGBT прекъсвач. Съпротивлението на допълнителния DC прекъсвач, Rdson при 2 кА, и бързият механичен ключ трябва да бъдат по-малко от 20 мВ, за да имат сходни характеристики с електромеханичния прекъсвач. Използването на UFMS в главния път води до по-ниски загуби при проводимост и напрежение в сравнение с пълен SSCB.

Предложеният дизайн може да бъде полезен в сравнение с високонапреговите HCBs, произведени от ABB и Alstom, защото (1) няма загуби при проводимост на полупроводници, (2) контролния му път ще бъде по-прост, и (3) скъпият "Power Electronic Switch" в главния път, може да бъде избегнат. Наистина, само един UFMS може да замести както "Power Electronic Switch", така и бързия прекъсвач, предложен от ABB за главния път.

Однако, трябва да се гарантира, че контактното съпротивление на UFMS не надвишава еквивалентните електромеханични контакти и има способност за издържане на сила от 4.45×10-7 I2 N (т.е. > 178 Н за 10x връхен ток при 2 кА номинално с фактор на безопасност 2x или 356 Н).

Ултра-бърз механичен ключ в хибриден среднонапрегов DC прекъсвач:
Предизвикателствата за реализиране на споменатата философия са (1) дали такива ултра-бързи ключове могат да бъдат разработени за MV нива, (2) дали създаването на арково напрежение за комутация е достатъчно високо, и (3) дали същият дизайн е възможен за RCB. Отговорът може да бъде ДА за всички въпроси, както е обяснено по-долу.

Електромагнитните актьори Thomson Coil (TC), работещи на основата на привлекателни или отблъскващи сили между проводници, пренасящи ток, са много подходящи за бързо свързване, тъй като могат да постигнат високи ускорения чрез точен контрол. До сега, две техники, основани на TC, са предложени и добре обяснени за ултра-бързи механични ключове, където тази с сериен катушка превъзхожда тази, основана на индукция, по отношение на ефективността. Тези две техники също са сравнявани чрез многомерно моделиране с крайни елементи.

Еднофазен 12 кВ (номинално напрежение) и 2 кА (номинален ток) / 20 кА (краткосрочно замыкание) ограничител на тока (FCLCB) и 24 кВ, 3 кА / 40 кА FCLCB, позволяващи изгасването на дъгата без принудително охлаждане на дъгата в рамките на 100-300 μs, са проектирани и построени.

Бързият ключ, основан на индукция, с номинален ток от 7 кА, ускорява контакт на HCB от ~2 кг с начално ускорение от ~44,900 м/с2, което води до 4 мм разделяне на контакта след ~422 μs, достатъчно, за да издържи номинално напрежение на ключа от 3 кВ.

Това бързо движение трябва да бъде демпфирато в края на пътя, за да се предотврати прекомерно движение, подскачане, умора и други нежелани ефекти.