Mittlere-Spannungs-Gleichstrom-Schaltkreissicherungstypen und Anwendungen

Mittlere Spannung DC-Schaltkreissicherungen eignen sich für Anwendungen in Schiffen, städtischen U-Bahnen, elektrischen Zügen, Mikrogrids (elektrische Fahrzeuge), dezentralen Energieerzeugungssystemen (Solarenergie) und batteriebasierten Systemen (Rechenzentren).

Die relativ geringe Schaltungsimpedanz im DC-Fall führt zu höheren Amplituden von Kurzschlüssen. Darüber hinaus tragen die Transformatorwindungen nicht zur Gesamtzeitkonstante in DC-Systemen bei, sodass die Gesamtzeitkonstante kleiner wird und ein Kurzschluss innerhalb weniger Millisekunden auftreten kann. Es kann auch zu einem Spannungszusammenbruch kommen, wobei mindestens 80% der Nenn-DC-Spannung als Voraussetzung für das normale Funktionieren des Spannungsquellenumrichters (VSC) erforderlich sind.

Um Störungen im Umrichterbetrieb zu minimieren, muss der Fehler innerhalb weniger Millisekunden beseitigt werden, insbesondere für Stationen, die nicht mit der defekten Leitung oder dem Kabel verbunden sind.

Arten von mittlerer Spannung DC-Schaltkreissicherungen auf dem Markt:
Drei Hauptarten von Schaltkreissicherungen in den LVDC- und MVDC-Märkten sind feste Zustands-Schaltkreissicherungen (SSCBs), mechanische Schaltkreissicherungen (MCBs) und hybride Schaltkreissicherungen (HCBs), die eine Kombination aus SSCB und einem ultraschnellen mechanischen Schalter (UFMS) darstellen.

Konventionelle Luft- und SF6-basierte LV- und MV-AC-MCBs haben eine bestimmte DC-Unterbrechungsfähigkeit, die jedoch nur auf wenige Kilovolt und Ampere begrenzt ist.

Feste Zustands-Schaltkreissicherungen für mittlere Spannung DC:
Topologien für SSCBs basieren in der Regel auf einer bestimmten Anzahl integrierter Gatterkommutierter Thyristoren (IGCTs), Gatter-Ausschalt-Thyristoren (GTOs) oder isolierten Gate Bipolar Transistoren (IGBTs), die in Serie geschaltet sind. Obwohl die Reaktionszeiten extrem schnell sind, ist ein Nachteil die erheblichen Verluste im Ein-Zustand, die in der Regel im Bereich von 15-30% der Verluste eines VSC-Standorts liegen.

Die hohen Komponentenkosten, das Fehlen galvanischer Isolation und die unzureichende Wärmeabsorptionskapazität sind weitere Nachteile.

Abbildung 1 zeigt eine Art von festem Zustand Mittelspannung DC-Schaltkreissicherung:

Abbildung 1: a) IGCT-basierte mittlere Spannung bidirektionale feste Zustandsschaltkreissicherung, (b) IGCT-basierte mittlere Spannung bidirektionale feste Zustandsschaltkreissicherung, (c) GTO-basierte bidirektionale feste Zustandsschaltkreissicherung

Verschiedene Topologien für SSCBs wurden vorgeschlagen. Allerdings sind die meisten davon für Spannungen ≤ 1 kV, insbesondere für niedrige Ströme ≤ 1000 A. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass einer der anspruchsvollsten Aspekte der SSCB-Technologie die hohen Verluste im Ein-Zustand sind, und obwohl einige Artikel über einen MV-SSCB berichten, der ein MV-Spannungsniveau wie 6-15 kV erfüllt, sind sie in der Regel für Nennströme unter 1000 A, aber die erfordernde Leistungsbearbeitungskapazität würde im Bereich von einigen MW bis zu einigen Dutzend MW liegen, mit mindestens 3 parallelen Modulen (3P:3*3,72 MW).

Somit wird die Entwicklung einer DC-Schaltkreissicherung mit einer Nennleistung von weniger als 10 MW für zukünftige MVDC-Architekturen fast nutzlos. Die aktuelle Leistungshalbleiter-Technologie kann solche Leistungswerte nicht erfüllen; daher werden SSCBs für zukünftige MVDC-Architekturen nicht zu einem effizienten, kostengünstigen und kompakten Design führen. In diesem Zusammenhang sind relativ große Luftgebläse mit Kapazitäten von etwa sechstausend Kubikfuß pro Minute und/oder aktive Wasserkühlung für die mehrere Kilowatt betragenden Verluste im Ein-Zustand bei hohen Strömen erforderlich.

Hybride mittlere Spannung DC-Schaltkreissicherungen (HCBs):
Hybride mittlere Spannung DC-Schaltkreissicherungen umfassen einen Stromleitpfad und einen Stromunterbrechungspfad.

Ein hybrider Schalter kombiniert die extrem geringen Vorwärtsspannungsverluste eines reinen ultraschnellen Schalters mit der schnellen Leistung eines festen Zustandsschalters im parallelen Pfad. Der Hauptschalter befindet sich auf einem parallelen Pfad und besteht aus Serien- und Parallel-Solid-State-Schaltern, die in Serie geschaltet sind.

Es wurde ein modulares HCB entwickelt, und ein Modul, wie in Abbildung 2 gezeigt, mit Nennspannung und -strom, sowie einer Stromunterbrechungsfähigkeit von 6,2 kV und 600 A, respektive.

Es ist zu beachten, dass die Bogenkammer des ultraschnellen Schalters nur genug Spannung erzeugen muss, um den Strom zu kommunizieren und die Parallelschaltung der Module zu ermöglichen. In allen SSCB- und HCB-Designs ist ein Reststromtrenner (RCD) und ein Shunt-Widerstand zur Messung des Stroms, wie in Abbildung 2 dargestellt, erforderlich. Wenn der Strom auf einen niedrigen Wert, der durch den Leckstrom des Metalloxidvaristors (MOV) bestimmt wird, abfällt, öffnet sich der Trenner, isoliert das System und verhindert jegliche Leckströme durch die Halbleiter und den MOV.

Abbildung 2: Hybride mittlere Spannung DC-Schaltkreissicherung

Der UFMS im Hauptpfad muss nur eine hohe genug Spannung erzeugen, um den Strom zum parallelen vollständigen IGBT-Schalter zu kommutieren. Der Widerstand des Hilfs-DC-Schalters, Rdson bei 2 kA, und des schnellen mechanischen Schalters muss weniger als 20 mW betragen, um ähnliche Eigenschaften wie ein elektromechanischer Schaltkreis zu haben. Die Verwendung von UFMS im Hauptpfad führt zu geringeren Verlusten im Ein-Zustand und geringerer Vorwärtsspannung als ein vollständiger SSCB.

Das vorgeschlagene Design kann vorteilhaft sein im Vergleich zu den hochspannungs-HCBs, die von ABB und Alstom hergestellt werden, weil (1) es keine Verluste im Ein-Zustand gibt, (2) die Steuerungsschaltung einfacher ist und (3) der teure „Power Electronic Switch“ im Hauptpfad vermieden werden kann. Tatsächlich kann ein einzelner UFMS sowohl den „Power Electronic Switch“ als auch den schnellen Trenner ersetzen, den ABB für den Hauptpfad vorschlägt.

Allerdings muss sichergestellt werden, dass der Kontaktwiderstand des UFMS nicht höher als bei gleichwertigen elektromechanischen Kontakten ist und die Standfestigkeitskraft von 4,45 × 10^-7 I^2 N (d.h. > 178 N für 10-fachen Einschaltstrom bei 2 kA Nennstrom mit Sicherheitsfaktor 2x oder 356 N) aufweist.

Ultrastarke mechanische Schalter in hybriden mittleren Spannung DC-Schaltkreissicherungen:
Die Herausforderungen bei der Realisierung dieser Philosophie sind (1), ob solche ultrastarken Schalter für MV-Ebenen entwickelt werden können, (2), ob die Erzeugung der Bogenspannung für die Kommutation ausreichend hoch ist, und (3), ob das gleiche Design für RCB möglich ist. Die Antwort könnte für alle Fragen JA sein, wie unten diskutiert.

Elektromagnetische Thomson-Koil (TC)-Aktuatoren, die auf anziehenden oder abstossenden Kräften zwischen stromführenden Leitern basieren, sind sehr geeignet für schnelles Schalten, da sie durch präzise Steuerung hohe Beschleunigungen erreichen können. Bislang wurden zwei Techniken basierend auf TC vorgeschlagen und gut erläutert, wobei die Methode mit Reihenspulen gegenüber der induktiven Methode in Bezug auf Effizienz überlegen war. Diese beiden Techniken wurden auch durch Multiphysik-Finite-Elemente-Modellierung verglichen.

Ein einphasiger 12 kV (Nennspannung) und 2 kA (Nennstrom) / 20 kA (Kurzschluss) fehlerstrombegrenzender Schaltkreissicherung (FCLCB) und 24 kV, 3 kA / 40 kA FCLCB, die es ermöglicht, den Bogen ohne jede erzwungene Bogenkühlung innerhalb von 100-300 μs auszulöschen, wurden entworfen und gebaut.

Der induktionsbasierte schnelle Schalter mit einem Nennstrom von 7 kA beschleunigt einen HCB-Kontakt von ~2 kg mit einer Anfangsbeschleunigung von ~44.900 m/s², was nach ~422 μs zu einer Kontaktabstand von 4 mm führt, was ausreicht, um eine Nennspannung des Schalters von 3 kV zu halten.

Diese schnelle Bewegung muss am Ende des Weges gedämpft werden, um Überfahrt, Sprung, Ermüdung und andere unerwünschte Effekte zu verhindern.