Středně vysoké napětí DC spínací přerušovače a jejich aplikace

Přerušovače středně vysokého napětí pro DC jsou vhodné pro použití na lodích, městských metrách, elektrických vlacích, mikrosítích (elektrická vozidla), distribuované generaci (sluneční energie) a systémech založených na bateriích (data centra).

V případě DC je relativně nízká cirkvální impedance, což vede k vyššímu amplitudám krátkých spojení. Kromě toho, protože cívečné vinutí transformátorů nepřispívají k celkové časové konstantě v systémech DC, celková časová konstanta se zmenšuje a krátké spojení mohou mít doby vzrůstu pouze několik milisekund. Může také dojít k kolapsu napětí, kde udržení alespoň 80 % nominálního DC napětí je předpokladem pro normální fungování stanice s napěťovým zdrojem (VSC).

Aby bylo minimalizováno rušení provozu převodníku, musí být porucha odstraněna během několika milisekund, zejména pro stanice, které nejsou propojeny s vadnou linkou nebo kabelem.

Typy přerušovačů středně vysokého napětí DC na trhu:
Tři hlavní typy přerušovačů na trhu LVDC a MVDC jsou pevné stavy přerušovače (SSCBs), mechanické přerušovače (MCBs) a hybridní přerušovače (HCBs), které jsou kombinací SSCB v paralelním spojení s ultra rychlým mechanickým spínacím přepínačem (UFMS).

Tradiční LV a MV AC MCBs založené na vzduchu a SF6 mají určitou schopnost přerušovat DC, ale omezenou jen na několik kilovoltů a několik ampérů.

Pevné stavy středně vysokého napětí DC přerušovače:
Topologie SSCB jsou obvykle založeny na určitém počtu integrovaných bránách komutovaných thyristorů (IGCTs), bránách s vypínáním thyristorů (GTOs) nebo bipolárních tranzistorů s izolační bránou (IGBTs), spojených v sérii. Ačkoli reakční časy jsou velmi rychlé, jedním z nedostatků je významná ztráta v zapnutém stavu, obvykle ve rozmezí 15-30% ztrát stanice VSC.

Vysoké náklady na komponenty, chybějící galvanická izolace a nedostatečná tepelná absorpční kapacita jsou dalšími nevýhodami.

Obrázek 1 ukazuje některé typy pevného státu středně vysokého napětí DC přerušovače:

Obrázek 1: a) Založený na IGCT středně vysoký bidirekční pevný stavový přerušovač, (b) Založený na IGCT středně vysoký bidirekční pevný stavový přerušovač, (c) Založený na GTO bidirekční pevný stavový přerušovač

Byly navrženy různé topologie SSCB. Nicméně, většina z nich je pro napětí ≤ 1 kV, zejména pro nízké proudy ≤ 1000 A. Je třeba poznamenat, že jedním z nejtěžších aspektů technologie SSCB je vysoká ztráta v zapnutém stavu a i když některé články uvádějí MV SSCB splňující úroveň MV napětí jako 6-15 kV, jsou obvykle pro nominální proud menší než 1000 A, ale potřebná kapacita zpracování výkonu by byla v rozmezí několika MW až několika desítek MW s alespoň 3 paralelními moduly (3P:3*3.72 MW).

V důsledku toho se vytváření DC CB s nominálním výkonem méně než 10 MW pro budoucí architektury MVDC stává téměř bezvýznamným. Současné technologie polovodičových převodníků nemohou splnit takové výkonové hodnoty; v důsledku toho SSCB pro budoucí architektury MVDC nevedou k vysoko efektivnímu a ekonomickému kompaktnímu návrhu. V tomto ohledu jsou potřebné relativně velké ventilátory s kapacitou kolem šesti tisíc kubických stop za minutu a/nebo aktivní vodní chlazení pro multi-kilowattové úrovně ztrát v zapnutém stavu předpokládané pro vysoké proudy.

Hybridní středně vysoké napětí DC přerušovače (HCBs):
Hybridní středně vysoké napětí DC přerušovače zahrnují cestu pro vedení proudu a cestu pro přerušení proudu.

Hybridní přerušovač kombinuje vynikající nízké ztráty při předním směru proudu čistě ultra rychlého spínacího přepínače s rychlým výkonem pevného stavu v paralelní cestě. Hlavní přerušovač je umístěn na paralelní cestě a skládá se z série a paralelních pevných stavových spínacích přepínačů, které jsou spojeny v sérii.

Byl vyvinut modulární HCB a jeden modul, jak je znázorněno na obrázku 2, s nominálním napětím a proudem a schopností přerušovat proud 6,2 kV a 600 A, v daném pořadí.

Je třeba poznamenat, že komora oblouku ultra rychlého spínacího přepínače potřebuje jen vygenerovat dostatečné napětí, aby zajistila komunikaci proudu a umožnila paralelní filosofii modulů. V všech návrzích SSCB a HCB je potřebný odpadový přerušovač zbytkového proudu (RCD) a shuntový odpor pro měření proudu, jak je znázorněno na obrázku 2. Když průtok proudu klesne na nízkou hodnotu specifikovanou unikovým proudem oxidu kovu varistoru (MOV), otevře se odpadový přerušovač, izoluje systém a zabrání jakékoli unikovému proudu skrz polovodiče a MOV.

Obrázek 2: Hybridní středně vysoké napětí DC přerušovače obvodů

UFMS na hlavní cestě potřebuje jen vygenerovat dostatečně vysoké napětí, aby přesunul proud na paralelní plný IGBT přerušovač. Odpor pomocného DC přerušovače, Rdson při 2 kA, a rychlý mechanický spínací přepínač musí být méně než 20 mW, aby měli podobné vlastnosti jako elektromechanický přerušovač. Použití UFMS na hlavní cestě vede k nižším ztrátám v zapnutém stavu a předním napětí než plný SSCB.

Návrh může být výhodnější než vysoké napětí HCB vyrobené společností ABB a Alstom, protože (1) není žádná ztráta polovodičového přerušovače v zapnutém stavu, (2) jeho kontrolní obvod bude jednodušší a (3) lze vyhnout se drahému "Power Electronic Switch" na hlavní cestě. Skutečně, jen jeden UFMS může nahradit jak "Power Electronic Switch", tak i rychlý odpojovací přepínač navržený společností ABB pro hlavní cestu.

Nicméně, je třeba zajistit, aby odpor kontaktu UFMS nebyl větší než ekvivalentní elektromechanické kontakty a měl schopnost udržet sílu držení 4,45×10^-7 I^2 N (tj. > 178 N pro 10x vstupní proud s bezpečnostním koeficientem 2x nebo 356 N).

Ultra rychlý mechanický spínací přepínač v hybridním středně vysokém napětí DC přerušovači:
Výzvy pro realizaci zmíněné filosofie jsou (1) zda lze vyvinout takové ultra rychlé spínací přepínače pro úroveň MV, (2) zda je postupné vybudování napětí oblouku pro komutaci dostatečně vysoké a (3) zda je stejný návrh možný pro RCB. Odpověď může být ANO na všechny otázky, jak je diskutováno níže.

Elektromagnetické Thomsonovy cívečné aktuátory (TC) pracující na principu přitažlivých nebo odpuzujících sil mezi vodiči nesoucími proud jsou velmi vhodné pro rychlé přepínání, protože mohou dosáhnout vysokých zrychlení prostřednictvím přesného řízení. Dosud byly navrženy a dobře vysvětleny dvě techniky založené na TC, kde ta s sériovými cívkami překonala tu založenou na indukci vzhledem k efektivitě. Tyto dvě techniky byly také porovnány modelováním s více fyzikálními konečnými prvky.

Byl navržen a postaven jednofázový 12 kV (nominální napětí) a 2 kA (nominální proud) / 20 kA (krátké spojení) přerušovač obvodů s omezením výkonu (FCLCB) a 24 kV, 3 kA / 40 kA FCLCB, který umožňuje vyhasnutí oblouku bez jakéhokoli přinuceného chlazení oblouku během 100-300 μs.

Rychlý spínací přepínač založený na indukci s nominálním proudem 7 kA zrychlí kontakt HCB o hmotnosti ~2 kg s počátečním zrychlením ~44 900 m/s^2, což vede k oddělení kontaktu o 4 mm po ~422 μs, což je dostatečné pro udržení nominálního napětí přepínače 3 kV.

Tento rychlý pohyb by měl být na konci cesty tlumen, aby se předešlo přejíždění, odrazům, unavení materiálu a jiným nežádoucím efektům.