Mga Tipo ug Paggamit sa Medium Voltage DC Circuit Breaker

Ang mga medium voltage DC circuit breakers ang katugasan sa paggamit sa mga barko, urban subway, elektrikong tren, microgrids (elektrikong sasayan), distributed generation (solar energy), ug battery-based systems (data centers).

Ang kauban nga mababa nga circuit impedance sa DC case magresulta og mas taas nga amplitude sa short circuits. Taliya, tungod kay ang mga winding sa transformer dili mogamit sa overall time constant sa DC systems, ang overall time constant mapuslan ug ang short circuit mahimo magpadayon sa kauban nga milisegundo. Mahimo usab ang voltage collapse kung di mapabilin ang uban 80% sa nominal DC voltage, isip usa ka precondition aron makapahimulos ang voltage source converter (VSC) station.

Arong mapahimpusa ang operasyon sa converter, kinahanglan nga mapatuman ang fault sa kauban nga milisegundo, lalo na para sa mga istasyon nga walay koneksyon sa faulted line o cable.

Mga uri ng medium voltage DC circuit breakers sa merkado:
Tulo ka pangunehang uri sa circuit breakers sa LVDC ug MVDC markets mao ang solid-state circuit breakers (SSCBs), mechanical circuit breakers (MCBs), ug hybrid circuit breakers (HCBs) nga usa ka kombinasyon sa SSCB sa parallel sa ultra-fast mechanical switch (UFMS).

Ang tradisyonal nga air ug SF6-based LV ug MV AC MCBs adunay limitadong DC interrupting capability sa kauban lang kaayo nga kilovolts ug amperes.

Solid-state medium voltage DC circuit breakers:
Ang topologies sa SSCBs kasagaran gibuhat pinaagi sa pipila ka Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCTs), Gate Turn-Off Thyristors (GTOs), o Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs), nga giconnect sa series. Bisag ang response times kasagaran labi ka quick, ang usa ka drawback mao ang substantial on-state losses sa kauban 15-30% sa losses sa VSC station.

Ang mataas nga component costs, lack of galvanic isolation, ug inadequate thermal absorption capacity mao ang uban pang disadvantages.

Ang Figura 1 nagpakita og pipila ka tipo sa solid-state medium voltage DC circuit breaker design:

Figura 1: a) IGCT-based medium voltage bi-directional solid-state circuit breaker, (b) IGCT-based medium voltage bi-directional solid-state circuit breaker, (c) GTO-based bidirectional solid-state circuit breaker

Gi-propose ang pipila ka SSCB topologies. Apan, ang daghan nian para sa voltages ≤ 1 kV, partikular sa low currents ≤ 1000 A. Importante nga ipahibalo nga ang labi ka challenging aspect sa SSCB technology mao ang high on-state loss, bisag adunay pipila ka articles nga nagsulti og MV SSCB nga nagsatisfy sa MV voltage level sama sa 6-15 kV, sila kasagaran para sa rated current less than 1000 A, apan ang required power handling capacity mahimo nga sa ilang MWs hangtod sa tens of MWs range sa least 3 parallel modules (3P:3*3.72 MW).

Kini, ang pagbuhat og DC CB nga may rated power nga less than 10 MW para sa future MVDC architectures mahimo nga dili na importante. Ang kasamtangan nga power semiconductor technologies dili makaya ang ganinyana nga power ratings; bisan pa, ang SSCBs para sa future MVDC architectures dili mobo-ot sa highly efficient cost-effective compact design. Sa karon, ang relatyebong large air blowers sa capacities sa around six thousand cubic feet per minute o active water cooling ang gikinahanglan alang sa multi-kilowatt levels sa on-state loss nga in-expect sa high currents.

Hybrid medium voltage DC circuit breakers (HCBs):
Ang hybrid medium voltage DC circuit breakers adunay current conduction path ug current interruption path.

Ang hybrid breaker nagcombine sa exceptionally low forward losses sa pure ultrafast switch sa quick performance sa solid-state breaker sa parallel path. Ang main breaker nahimutang sa parallel path ug gibuhat pinaagi sa series ug parallel solid-state switches nga giconnect sa series.

Nagdevelop usa ka modular HCB ug usa ka module nga gihatagan og rated voltage ug current, ug current breaking capability nga 6.2 kV, ug 600 A, respektibo.

Importante nga ipahibalo nga ang arc chamber sa ultrafast switch simple ra mag-generate og sufficient voltage aron mapakomunikar ang current ug facilitiate ang paralleling philosophy sa modules. Sa tanang SSCB ug HCB designs, gikinahanglan ang residual current disconnector (RCD) ug shunt resistor aron suklaban ang current nga gipakita sa Figura 2. Kung ang current mapuslan sa low value nga gispecify sa leakage current sa metal oxide varistor (MOV), ang disconnector magbukas, isolating the system ug preventing any leakage current through the semiconductors and MOV.

Figura 2: Hybrid medium voltage DC circuit breaker

Ang UFMS sa main path simple ra mag-generate og sufficient voltage aron mapakomunikar ang current sa parallel full IGBT breaker. Ang resistance sa auxiliary DC breaker, Rdson sa 2 kA, ug ang fast mechanical switch kinahanglan nga less than 20 mW aron mopareha ang characteristics sa electromechanical circuit breaker. Ang paggamit sa UFMS sa main path resulta sa lower on-state losses ug forward voltage kaysa full SSCB.

Ang proposed design beneficial over the high voltage HCBs manufactured by ABB and Alstom, tungod kay (1) wala'y on-state semiconductor loss, (2) its control circuit will be simpler, ug (3) ang expensive “Power Electronic Switch” sa main path, mahimo ma-avoid. Indeed, only one UFMS can substitute both the “Power Electronic Switch”, and the fast disconnector proposed by ABB for the main path.

Subong, kinahanglan siguraduhon nga ang UFMS contact resistance dili mas taas sa equivalent electromechanical contacts ug adunay withstand holding force capability sa 4.45×10-7 I2 N (i.e > 178 N for 10x in-rush at 2 kA rated with safety factor 2x or 356 N).

Ultrafast Mechanical Switch sa medium voltage hybrid DC circuit breaker:
Ang challenges para sa pagrealize sa mentioned philosophy mao (1) kon posible ba ang development sa ultrafast switches para sa MV levels, (2) kon sufficient ba ang buildup sa arc voltage for commutation, ug (3) kon possible ba ang same design para sa RCB. Ang tubag mao nga OOOO sa tanang questions as discussed below.

Ang electromagnetic Thomson coil (TC) actuators operating based on attractive or repulsive forces between current-carrying conductors labi ka suitable sa fast switching tungod kay mahimo niini ang high accelerations pinaagi sa precise control. Hangtod karon, duha ka teknik pinaagi sa TC ang gi-propose ug well-elaborated para sa ultra-fast mechanical switches, diin ang usa nga may series coils outperformed ang usa nga based sa induction sa terms sa efficiency. These two techniques were also compared by Multiphysics finite element modeling.

Ang single phase 12 kV (nominal voltage) ug 2 kA (nominal current) / 20 kA (short circuit) fault-current limiting circuit breaker (FCLCB) ug 24 kV, 3 kA / 40 kA FCLCB enabling the arc to be extinguished without any forced arc cooling within 100-300 μs were designed, built.

Ang induction-based fast switch sa rated current nga 7 kA nag-accelerate og HCB contact nga ~2 kg sa initial acceleration nga ~44,900 m/s2 nga resulta sa 4 mm contact separation after ~422 μs, enough to withstand a rated switch voltage of 3 kV.

Kini nga fast motion kinahanglan damping sa end of travel aron maprevent ang over-travel, bounce, fatigue, ug uban pang undesirable effects.