Tipusos i aplicacions dels interruptors de circuit DC a mitja tensió

Els interruptors de corrent contínua (CC) de mitjana tensió són adequats per a aplicacions en vaixells, metrovilles urbans, trens elèctrics, microxarxes (vehicles elèctrics), generació distribuïda (energia solar) i sistemes basats en bateries (centres de dades).

La baixa impedància del circuit en el cas de CC porta a amplituds més altes de circuits tancats. A més, ja que les bobines del transformador no contribueixen a la constant de temps total en els sistemes de CC, la constant de temps total es redueix i un circuit tancat pot tenir temps de creixement tan breus com alguns mil·lisegons. També pot produir-se una col·lapse de tensió, on mantenir almenys l'80% de la tensió nominal de CC és una condició prealable perquè la estació del convertidor de tensió (VSC) funcioni normalment.

Per minimitzar les interrupcions en l'operació del convertidor, el defecte ha de ser eliminat en uns pocs mil·lisegons, especialment per a les estacions que no estan connectades a la línia o cable defectuós.

Tipus d'interruptors de corrent contínua de mitjana tensió al mercat:
Els tres tipus principals d'interruptors en el mercat de LVDC i MVDC són els interruptors de circuit amb estat sòlid (SSCBs), els interruptors mecànics (MCBs) i els interruptors híbrids (HCBs), que són una combinació de SSCB en paral·lel amb un commutador mecànic ultra-ràpid (UFMS).

Els MCBs convencionals d'AC de LV i MV basats en aire i SF6 tenen una capacitat limitada d'interrupció de CC, només alguns quilovolts i alguns Amperes.

Interruptors de corrent contínua de mitjana tensió amb estat sòlid:
Les topologies per a SSCBs solen basar-se en un cert nombre de Tiristors Integrats de Porta Comutada (IGCTs), Tiristors de Desconnexió per Porta (GTOs) o Transistors Bipolars de Porta Aïllada (IGBTs), connectats en sèrie. Encara que els temps de resposta són increïblement ràpids, un inconvenient és la pèrdua significativa en estat d'encert, típicament en el rang del 15-30% de les pèrdues d'una estació VSC.

El cost elevat dels components, la falta d'aïllament galvànic i la capacitat insuficient d'absorció tèrmica són altres desavantatges.

La Figura 1 mostra un tipus de disseny d'interruptor de corrent contínua de mitjana tensió amb estat sòlid:

Figura 1: a) Interruptor de circuit bidireccional de mitjana tensió amb estat sòlid basat en IGCT, (b) Interruptor de circuit bidireccional de mitjana tensió amb estat sòlid basat en IGCT, (c) Interruptor de circuit bidireccional amb estat sòlid basat en GTO

S'han proposat diferents topologies de SSCB. No obstant això, la majoria d'elles són per tensions ≤ 1 kV, especialment per corrents ≤ 1000 A. Cal destacar que un dels aspectes més difícils de la tecnologia SSCB és la pèrdua elevada en estat d'encert, i encara que alguns articles informen d'un SSCB de MV que satisfà un nivell de tensió de MV com ara de 6-15 kV, sovint són per corrents nominals inferiors a 1000 A, però la capacitat de gestió de potència requerida seria en algun MW fins a uns quants dezenes de MW amb almenys 3 mòduls en paral·lel (3P:3*3,72 MW).

Així, desenvolupar un interruptor de CC amb una potència nominal inferior a 10 MW per a arquitectures futures de MVDC es converteix gairebé en inútil. Les tecnologies actuals de semiconductors de potència no poden complir aquests nivells de potència; en conseqüència, els SSCB per a les arquitectures futures de MVDC no portaran a un disseny compacte, eficient i econòmic. En aquest sentit, es necessiten ventiladors d'aire relativament grans amb capacitats al voltant de sis mil peus cúbics per minut i/o refrigeració activa d'aigua per als nivells de pèrdua en estat d'encert de diversos kW previstos per corrents elevades.

Interruptors híbrids de corrent contínua de mitjana tensió (HCBs):
Els interruptors híbrids de corrent contínua de mitjana tensió inclouen una via de conducció de corrent i una via d'interrupció de corrent.

Un interruptor híbrid combina les pèrdues extremadament baixes en avanç d'un commutador ultra-ràpid pur amb el rendiment ràpid d'un interruptor de circuit amb estat sòlid en la via paral·lela. El commutador principal es troba en una via paral·lela i està format per commutadors amb estat sòlid en sèrie i paral·lel connectats en sèrie.

S'ha desenvolupat un HCB modular i un mòdul com el mostrat a la Figura 2 amb tensió i corrent nominals, i una capacitat d'interrupció de corrent de 6,2 kV i 600 A, respectivament.

Cal destacar que la cambra d'arc del commutador ultra-ràpid només ha de generar suficient tensió per comunicar la corrent i facilitar la filosofia de paral·lelitat dels mòduls. En tots els dissenys de SSCB i HCB, cal un desconectador de corrent residual (RCD) i un resistor en derivació per mesurar la corrent, com es mostra a la Figura 2. Quan la corrent es redueix a un valor baix especificat pel corrent de fuga del varistor d'òxid metàl·lic (MOV), el desconectador s'obre, aïllant el sistema i evitant qualsevol corrent de fuga a través dels semiconductors i el MOV.

Figura 2: Interruptor híbrid de corrent contínua de mitjana tensió

La UFMS de la via principal només ha de generar una tensió prou alta per comutar la corrent a l'IGBT complet paral·lel. La resistència de l'interruptor auxiliar de CC, Rdson a 2 kA, i el commutador mecànic ràpid han de ser menors de 20 mW per tenir característiques similars a un interruptor electromecànic. L'ús de UFMS en la via principal resulta en pèrdues en estat d'encert i tensió en avanç més baixes que un SSCB complet.

El disseny proposat pot ser beneficiós sobre els HCBs de alta tensió fabricats per ABB i Alstom, perquè (1) no hi ha pèrdues de semiconductors en estat d'encert, (2) el seu circuit de control serà més simple, i (3) es pot evitar el "Commutador Electrònic de Potència" car en la via principal. De fet, només un UFMS pot substituir tant el "Commutador Electrònic de Potència" com el desconnectador ràpid proposat per ABB per la via principal.

No obstant això, cal assegurar que la resistència de contacte de UFMS no sigui més gran que la de contactes electromecànics equivalents i tingui la capacitat de força de retenció de 4,45×10-7 I2 N (és a dir, > 178 N per 10x de sobrecorrent a 2 kA amb un factor de seguretat de 2x o 356 N).

Commutador mecànic ultra-ràpid en interruptors híbrids de corrent contínua de mitjana tensió:
Els reptes per realitzar la filosofia mencionada són (1) si es poden desenvolupar aquests commutadors ultra-ràpids per a nivells de MV, (2) si la tensió d'arc construïda per la comutació és suficientment alta, i (3) si el mateix disseny és possible per RCB. La resposta pot ser SÍ a totes les preguntes, com es discuteix a continuació.

Els actuadors de bobina Thomson (TC) electromagnètics que funcionen basant-se en forces atractives o repulsives entre conductors portadors de corrent són molt adequats per a la commutació ràpida, ja que poden aconseguir acceleracions elevades a través d'un control precís. Fins ara, s'han proposat i ben elaborat dues tècniques basades en TC per a commutadors mecànics ultra-ràpids, on la que utilitza bobines en sèrie va superar la basada en inducció en termes d'eficiència. Aquestes dues tècniques també van ser comparades mitjançant modelització finita multiphysics.

S'han dissenyat i construït un interruptor de circuit limitador de corrent de defecte (FCLCB) monofàsic de 12 kV (tensió nominal) i 2 kA (corrent nominal) / 20 kA (circuits tancats) i un FCLCB de 24 kV, 3 kA / 40 kA que permet extinguir l'arc sense cap refredament forçat de l'arc en 100-300 μs.

El commutador ràpid basat en inducció amb una corrent nominal de 7 kA accelera un contacte HCB de ~2 kg amb una acceleració inicial de ~44.900 m/s², que resulta en una separació de contacte de 4 mm després de ~422 μs, suficient per suportar una tensió de commutador nominal de 3 kV.

Aquest moviment ràpid ha de ser amortit al final del recorregut per evitar el sobrepas, el reboteig, la fatiga i altres efectes indesitjables.