Mediumspændings DC-kredsløbsbrydere og deres anvendelser

Mellemspændings-DC-kredsløbsafbrydere er egnet til anvendelse i skibe, byundergrundsbaner, elektriske tog, mikronet (elektriske køretøjer), decentral strømproduktion (solenergi) og batteribaserede systemer (datacentre).

Den relativt lave kredsløbsimpedans i et DC-tilfælde fører til højere amplituder af kortslutninger. Desuden bidrager transformerindinger ikke til den samlede tidskonstant i DC-systemer, hvilket resulterer i en mindre tidskonstant, og en kortslutning kan have stigningstider på blot få millisekunder. Der kan også opstå spændingskollaps, hvor det er en forudsætning for at spændingsomformerstationen (VSC-station) kan fungere normalt, at mindst 80% af den nominelle DC-spænding vedholdende opretholdes.

For at minimere forstyrrelser i konverterens drift, skal fejlen fjernes inden for få millisekunder, især for stationer, der ikke er forbundet til den defekte ledning eller kabel.

Typer mellemspændings-DC-kredsløbsafbrydere på markedet:
De tre hovedtyper kredsløbsafbrydere på LVDC- og MVDC-markederne er fasttilstands-kredsløbsafbrydere (SSCBs), mekaniske kredsløbsafbrydere (MCBs) og hybrid-kredsløbsafbrydere (HCBs), som er en kombination af SSCB parallelt med en ultra-hurtig mekanisk kontakt (UFMS).

Konventionelle luft- og SF6-baserede LV- og MV-AC-MCBs har en vis DC-afbrydelsesevne, der er begrænset til kun få kilovolts og få amperer.

Fasttilstands-mellemspændings-DC-kredsløbsafbrydere:
Topologier for SSCBs er typisk baseret på et bestemt antal Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCTs), Gate Turn-Off Thyristors (GTOs) eller Isolerede Gate Bipolare Transistorer (IGBTs), forbundet i serie. Selvom svarstiden er ekstremt hurtig, er en ulempe de betydelige on-state tab, der typisk ligger i intervallet 15-30% af tabene i en VSC-station.

De høje komponentomkostninger, mangel på galvanisk isolation og utilstrækkelig varmeabsorberende kapacitet er andre ulemper.

Figur 1 viser en type fasttilstands-mellemspændings-DC-kredsløbsafbryderdesign:

Figur 1: a) IGCT-baseret mellemspændings tovejs fasttilstands-kredsløbsafbryder, (b) IGCT-baseret mellemspændings tovejs fasttilstands-kredsløbsafbryder, (c) GTO-baseret tovejs fasttilstands-kredsløbsafbryder

Forskellige SSCB-topologier er blevet foreslået. Dog er de fleste beregnet til spændinger ≤ 1 kV, især for lavstrøm ≤ 1000 A. Det bør bemærkes, at en af de mest udfordrende aspekter af SSCB-teknologi er høje on-state tab, og selvom nogle artikler rapporterer om en MV-SSCB, der opfylder en MV-spændingsniveau såsom 6-15 kV, er de typisk beregnet til en nominel strøm under 1000 A, men den nødvendige effektbehandlingskapacitet ville være i omegnen af flere MW til flere ti MW med mindst 3 parallelle moduler (3P:3*3.72 MW).

Derfor bliver udviklingen af en DC-afbryder med en nominel effekt på under 10 MW næsten ubrugelig for fremtidige MVDC-arkitekturer. De nuværende effektesemiconductor-teknologier kan ikke opfylde sådanne effekt-niveauer, og dermed vil SSCBs for fremtidige MVDC-arkitekturer ikke føre til et højeffektivt, kostnadseffektivt og kompakt design. I denne henseende er relativt store luftblæsere med kapaciteter omkring seks tusind kubikfod pr. minut og/eller aktiv vandkøling nødvendige for de multi-kilowatt niveauer af on-state tab, der forventes for høje strøm.

Hybrid mellemspændings-DC-kredsløbsafbrydere (HCBs):
Hybrid mellemspændings-DC-kredsløbsafbrydere inkluderer en strømføring og en strømafbrydelsessti.

En hybrid afbryder kombinerer de ekstremt lave forovers tab af en ren ultra-hurtig kontakt med den hurtige ydeevne af en fasttilstands-afbryder i den parallelle sti. Hovedafbryderen er placeret på en parallel sti og består af seriel og parallelle fasttilstandsswitches forbundet i serie.

En udviklet modular HCB og én module som vist i figur 2 med nominel spænding og strøm, samt en strømafbrydelseskapacitet på henholdsvis 6,2 kV og 600 A.

Det er værd at bemærke, at ultra-hurtig kontaktens buekammer bare behøver at generere nok spænding til at kommunikere strømmen og gøre det muligt at parallellisere modulerne. I alle SSCB- og HCB-designer er en reststrømfrakoblere (RCD) og en shunt-resistor til at måle strømmen, som vist i figur 2, nødvendig. Når strømmen falder til et lavt værdi angivet af leckstrømmen i metaloksid-varistor (MOV), åbnes frakoblere, isolerer systemet og forhindrer enhver leckstrøm gennem semiconductorerne og MOV.

Figur 2: Hybrid mellemspændings-DC-kredsløbsafbryder

Hovedstien UFMS skal bare generere en høj nok spænding til at kommutere strømmen til den parallelle fulde IGBT-afbryder. Modstandsværdien for den auxiliære DC-afbryder, Rdson ved 2 kA, og den hurtige mekaniske kontakt skal være mindre end 20 mW for at have lignende egenskaber som en elektromekanisk kredsløbsafbryder. Ved at bruge UFMS i hovedstien opnås lavere on-state tab og forovers spænding end en fuld SSCB.

Det foreslåede design kan være fordelagtigt i forhold til de højespændings-HCBs, der produceres af ABB og Alstom, fordi (1) der ikke er noget on-state semiconductor-tab, (2) dens kontrolcirkuit vil være enklere, og (3) den dyre "Power Electronic Switch" i hovedstien kan undgås. Virkelig, kun en UFMS kan erstatte både "Power Electronic Switch" og den hurtige afkobler, der foreslås af ABB for hovedstien.

Dog skal det sikres, at UFMS kontaktmodstanden ikke overstiger ækvivalente elektromekaniske kontakter og har holdningsstyrken på 4,45×10-7 I2 N (dvs. > 178 N for 10x in-rush ved 2 kA nominel med sikkerhedsfaktor 2x eller 356 N).

Ultra-hurtig mekanisk kontakt i hybrid mellemspændings-DC-kredsløbsafbryder:
Udfordringerne for at realisere den nævnte filosofi er (1) om sådanne ultra-hurtige kontakter kan udvikles for MV-niveauer, (2) om opbygningen af buespændingen til kommutation er tilstrækkeligt høj, og (3) om samme design er muligt for RCB. Svaret kan være JA på alle spørgsmål, som diskuteret nedenfor.

Elektromagnetiske Thomson coil (TC) aktuatorer, der arbejder baseret på attraktiv eller repulsiv kraft mellem strømbærende ledere, er meget egnet til hurtig switching, da de kan opnå høje accelerationer gennem præcis kontrol. Indtil videre er to teknikker baseret på TC blevet foreslået og godt uddybet for ultra-hurtige mekaniske switcher, hvor den med serie-spiraler overtraf den baseret på induktion i hensyn til effektivitet. Disse to teknikker blev også sammenlignet ved hjælp af multiphysics finite element-modellering.

En enefase 12 kV (nominel spænding) og 2 kA (nominel strøm) / 20 kA (kortslutning) fejlstrøm-begrænsende kredsløbsafbryder (FCLCB) og 24 kV, 3 kA / 40 kA FCLCB, der gør det muligt at slukke buen uden nogen tvungen buen nedkøling inden for 100-300 μs, blev designet og bygget.

Den induktionsbaserede hurtige kontakt med en nominel strøm på 7 kA accelererer en HCB-kontakt på ~2 kg med en initial acceleration på ~44.900 m/s², hvilket resulterer i 4 mm kontaktadskillelse efter ~422 μs, nok til at klare en nominel kontaktspænding på 3 kV.

Denne hurtige bevægelse skal dæmpes ved slutningen af rejsekursen for at forhindre over-rejse, hop, træthed og andre uønskede effekter.