Tipos y aplicaciones de interruptores de circuito de corriente continua de media tensión
Los interruptores de corriente continua (CC) de media tensión son adecuados para aplicaciones en barcos, subterráneos urbanos, trenes eléctricos, microredes (vehículos eléctricos), generación distribuida (energía solar) y sistemas basados en baterías (centros de datos).
La impedancia del circuito relativamente baja en el caso de CC conduce a amplitudes más altas de cortocircuitos. Además, debido a que los devanados del transformador no contribuyen a la constante de tiempo total en los sistemas de CC, la constante de tiempo total se reduce y un cortocircuito puede tener tiempos de ascenso tan breves como unos pocos milisegundos. También puede ocurrir un colapso de voltaje, donde mantener al menos el 80% del voltaje nominal de CC es una condición previa para que la estación de convertidor de fuente de voltaje (VSC) funcione normalmente.
Para minimizar las interrupciones en la operación del convertidor, el fallo debe ser eliminado en pocos milisegundos, especialmente para estaciones no conectadas a la línea o cable defectuoso.
Tipos de interruptores de corriente continua de media tensión en el mercado:
Tres tipos principales de interruptores en los mercados de LVDC y MVDC son los interruptores de estado sólido (SSCBs), interruptores mecánicos (MCBs) e interruptores híbridos (HCBs), que son una mezcla de SSCB en paralelo con un interruptor mecánico ultra-rápido (UFMS).
Los MCBs convencionales de aire y basados en SF6 para LV y MV AC tienen una cierta capacidad de interrupción de CC limitada a solo algunos kilovoltios y algunos amperios.
Interruptores de corriente continua de media tensión de estado sólido:
Las topologías para SSCBs suelen basarse en un cierto número de Tiristores Comutados por Puerta Integrada (IGCTs), Tiristores de Apagado por Puerta (GTOs) o Transistores Bipolares de Aislamiento de Puerta (IGBTs), conectados en serie. Aunque los tiempos de respuesta son increíblemente rápidos, una desventaja es la pérdida considerable en estado de conducción, generalmente en el rango del 15-30% de las pérdidas de una estación VSC.
Los altos costos de componentes, la falta de aislamiento galvánico y la capacidad de absorción térmica inadecuada son otras desventajas.
La Figura 1 muestra un tipo de diseño de interruptor de corriente continua de media tensión de estado sólido:
Figura 1: a) Interruptor de estado sólido bidireccional de media tensión basado en IGCT, (b) Interruptor de estado sólido bidireccional de media tensión basado en IGCT, (c) Interruptor de estado sólido bidireccional basado en GTO
Se han propuesto diferentes topologías de SSCB. Sin embargo, la mayoría de ellas son para voltajes ≤ 1 kV, en particular para corrientes ≤ 1000 A. Es importante señalar que uno de los aspectos más desafiantes de la tecnología SSCB es la alta pérdida en estado de conducción y, aunque algunos artículos informan sobre un SSCB de MV que satisface un nivel de voltaje de MV como 6-15 kV, generalmente son para corrientes nominales menores a 1000 A, pero la capacidad de manejo de potencia requerida sería en el rango de algunos MW hasta decenas de MW con al menos 3 módulos en paralelo (3P:3*3.72 MW).
Por lo tanto, desarrollar un interruptor de corriente (CB) de CC con una potencia nominal inferior a 10 MW para las arquitecturas futuras de MVDC se vuelve casi inútil. Las tecnologías actuales de semiconductores de potencia no pueden cumplir con dichas clasificaciones de potencia; en consecuencia, los SSCBs para las arquitecturas futuras de MVDC no llevarán a un diseño compacto altamente eficiente y rentable. En este sentido, se necesitan ventiladores de aire relativamente grandes con capacidades alrededor de seis mil pies cúbicos por minuto y/o enfriamiento activo por agua para los niveles de múltiples kilovatios de pérdida en estado de conducción anticipados para corrientes altas.
Interruptores de corriente continua de media tensión híbridos (HCBs):
Los interruptores de corriente continua de media tensión híbridos incluyen una ruta de conducción de corriente y una ruta de interrupción de corriente.
Un interruptor híbrido combina las pérdidas extremadamente bajas en estado de conducción de un interruptor ultra-rápuro puro con el rendimiento rápido de un interruptor de estado sólido en la ruta paralela. El interruptor principal está posicionado en una ruta paralela y está compuesto por interruptores de estado sólido en serie y paralelo conectados en serie.
Se ha desarrollado un HCB modular y un módulo como se muestra en la Figura 2 con voltaje y corriente nominales, y una capacidad de interrupción de corriente de 6.2 kV y 600 A, respectivamente.
Es importante destacar que la cámara de arco del interruptor ultra-rápuro necesita generar suficiente voltaje para comunicar la corriente y facilitar la filosofía de paralelización de los módulos. En todos los diseños de SSCB y HCB, se necesita un desconector de corriente residual (RCD) y una resistencia en derivación para medir la corriente, como se muestra en la Figura 2. Cuando la corriente se reduce a un valor bajo especificado por la corriente de fuga del varistor de óxido metálico (MOV), el desconector se abre, aislando el sistema y evitando cualquier corriente de fuga a través de los semiconductores y el MOV.
Figura 2: Interruptor híbrido de corriente continua de media tensión
El UFMS en la ruta principal solo necesita generar un voltaje suficientemente alto para conmutar la corriente al interruptor IGBT completo en paralelo. La resistencia del interruptor DC auxiliar, Rdson a 2 kA, y el interruptor mecánico rápido deben ser menores a 20 mW para tener características similares a un interruptor electromecánico. Utilizar UFMS en la ruta principal resulta en pérdidas en estado de conducción y voltaje en estado de conducción más bajos que un SSCB completo.
El diseño propuesto puede ser beneficioso en comparación con los HCB de alta tensión fabricados por ABB y Alstom, porque (1) no hay pérdida de semiconductores en estado de conducción, (2) su circuito de control será más simple, y (3) se puede evitar el caro "Interruptor Electrónico de Potencia" en la ruta principal. De hecho, solo un UFMS puede sustituir tanto el "Interruptor Electrónico de Potencia" como el desconector rápido propuesto por ABB para la ruta principal.
Sin embargo, es necesario asegurar que la resistencia de contacto del UFMS no sea mayor que la de contactos electromecánicos equivalentes y tenga la capacidad de soportar una fuerza de retención de 4.45×10-7 I2 N (es decir, > 178 N para 10 veces el arranque a 2 kA nominal con un factor de seguridad de 2x o 356 N).
Interruptor mecánico ultra-rápuro en interruptor híbrido de corriente continua de media tensión:
Los desafíos para realizar la filosofía mencionada son (1) si se pueden desarrollar tales interruptores ultra-rápidos para niveles de MT, (2) si la construcción del voltaje de arco para la conmutación es suficientemente alta, y (3) si el mismo diseño es posible para RCB. La respuesta puede ser SÍ para todas las preguntas, como se discute a continuación.
Los actuadores de bobina de Thomson (TC) electromagnéticos que funcionan basándose en fuerzas atractivas o repulsivas entre conductores portadores de corriente son muy adecuados para el conmutado rápido, ya que pueden lograr aceleraciones altas mediante un control preciso. Hasta ahora, se han propuesto y bien elaborado dos técnicas basadas en TC para interruptores mecánicos ultra-rápidos, siendo la que utiliza bobinas en serie superior a la basada en inducción en términos de eficiencia. Estas dos técnicas también se compararon mediante modelado de elementos finitos multiphysics.
Se diseñó y construyó un interruptor de limitación de corriente de falla (FCLCB) de una fase de 12 kV (voltaje nominal) y 2 kA (corriente nominal) / 20 kA (cortocircuito) y un FCLCB de 24 kV, 3 kA / 40 kA que permiten extinguir el arco sin ningún enfriamiento forzado del arco dentro de 100-300 μs.
El interruptor rápido basado en inducción con una corriente nominal de 7 kA acelera un contacto HCB de ~2 kg con una aceleración inicial de ~44,900 m/s2, lo que resulta en una separación de contacto de 4 mm después de ~422 μs, suficiente para soportar un voltaje de interruptor nominal de 3 kV.
Este movimiento rápido debe ser amortiguado al final del recorrido para prevenir sobrecorridos, rebotes, fatiga y otros efectos indeseables.
