Keskihajontaisen jänniten verkon sulake-tyypit ja sovellukset

Keskijännitteiset DC-pistokeittimet sopivat sovelluksiin kuten laivoissa, kaupunkimetroissa, sähköjunissa, mikroverkoissa (sähköajoneuvoissa), hajautetussa tuotannossa (aurinkoenergialla) ja akkujärjestelmissä (tietokeskuksissa).

Vaihtokierrosten suhteellisen alhainen piirinvastus johtaa korkeampiin lyhytkiertovirtauksen amplituddeihin. Lisäksi muuntajan viksit eivät vaikuta kokonaisajankertoimeen DC-järjestelmissä, joten kokonaisajankerta pienenee ja lyhytkierros voi kestää vain muutaman millisekunnin. Voimanpurkaus voi myös tapahtua, kun vähintään 80 % nominaleista DC-voltia on edellytyksenä virtalähteen muuntajan (VSC) normaalille toiminnalle.

Muuntimen toiminnan häiriöiden vähentämiseksi virhe on poistettava muutamassa millisekunnissa, erityisesti asemille, jotka eivät ole yhteydessä vikalliseen linjaan tai kaapeliin.

Markkinoilla saatavilla olevat keskijännitteiset DC-pistokeittimet:
Kolme pääasiallista pistokeittimen tyyppiä LVDC- ja MVDC-markkinoilla ovat kiinteän tilan pistokeittimet (SSCB:t), mekaaniset pistokeittimet (MCB:t) ja hybridipistokeittimet (HCB:t), jotka ovat SSCB:n rinnalla kytketty nopea mekaaninen kytkin (UFMS).

Perinteiset ilma- ja SF6-perustaiset LV- ja MV-AC MCB:t ovat rajallinen DC-sulkuvalmius, joka on vain muutama kilovoltti ja muutama amperi.

Kiinteän tilan keskijännitteiset DC-pistokeittimet:
SSCB:n topologiat perustuvat tyypillisesti tietyssä määrin integroituihin portitohjattuihin thyristoreihin (IGCT), portitohjattuihin thyristoreihin (GTO) tai isoloiduihin portitohjattuihin bipoolareihin transistoriin (IGBT), jotka on kytketty sarjassa. Vaikka vastausajat ovat erittäin nopeat, yksi haittapuoli on huomattavat toimintatappiot, jotka ovat tyypillisesti VSC-aseman tappioiden 15-30 %.

Korkeat komponenttikustannukset, galvaanisen erottelun puute ja riittämätön lämpösuojaksi ovat muita haittapuolia.

Kuva 1 näyttää tietyn tyyppisen kiinteän tilan keskijännitteisen DC-pistokeittimen suunnittelun:

Kuva 1: a) IGCT-perustainen keskijännitteinen kaksisuuntainen kiinteän tilan pistokeitin, (b) IGCT-perustainen keskijännitteinen kaksisuuntainen kiinteän tilan pistokeitin, (c) GTO-perustainen kaksisuuntainen kiinteän tilan pistokeitin

Ehdotettuja erilaisia SSCB-topologioita on ollut. Kuitenkin useimmat niistä ovat voltteja ≤ 1 kV, erityisesti matalille sähkövirroille ≤ 1000 A. On huomattava, että yksi SSCB-teknologian haasteellisimmista näkökohdista on korkea toimintatappio, ja vaikka joissakin artikkeleissa raportoidaan MV SSCB:stä, joka täyttää MV-voltitasoa kuten 6-15 kV, ne ovat tyypillisesti arvostetuille sähkövirroille alle 1000 A, mutta vaadittu teho olisi jossain MW:n ja muutaman kymmenen MW:n välillä vähintään kolmella rinnakkaisella moduulilla (3P:3*3.72 MW).

Näin ollen tulevaisuuden MVDC-arkkitehtuurien kannalta alle 10 MW:n teholla varustettu DC-pistokeitin tulee melkein tarpeettomaksi. Nykyiset sähkökomponenttitekniikat eivät pysty täyttämään sellaisia tehosarjoja; siksi tulevaisuuden MVDC-arkkitehtuureille tarkoitettu SSCB ei johtaa tehokkaaseen ja kustannustehokkaaseen kompaktiin suunnitteluun. Tässä suhteessa tarvitaan suhteellisen suuria ilmanpuhalaitteita kapasiteettina noin kuusi tuhat kuutiometriä minuutissa ja/tai aktiivista vesi-jäähdytystä monikilowatin tasolle odotetuille toimintatappioille suurilla sähkövirroilla.

Hybridikeskijännitteiset DC-pistokeittimet (HCB:t):
Hybridikeskijännitteiset DC-pistokeittimet sisältävät sähkövirtakuljetuspolun ja sähkövirtasulku-polun.

Hybridipistokeitin yhdistää purun suuntaisen purun hyvin alhaiset tappiot nopean ultra-nopean kytkimen kanssa rinnakkaisessa polussa. Pääpistokeitti on sijoitettu rinnakkaiseen polkuun, joka koostuu sarjakytketyistä ja rinnakkaiskytketyistä kiinteän tilan kytkimistä.

Kehitetty modulaarinen HCB ja yksi moduuli kuvassa 2 arvostettu jännite ja sähkövirta, sekä sähkövirtasulku-valmius 6.2 kV, ja 600 A, vastaavasti.

On huomionarvoista, että ultra-nopean kytkimen arkku on vain tuottanut riittävästi jännitettä kommunikoimaan sähkövirta ja helpottamaan moduulien rinnakkaisfilosofiaa. Kaikissa SSCB- ja HCB-suunnitelmissa tarvitaan jäännösvirtasulku (RCD) ja shunttiresistori sähkövirtan mittaukseen, kuten kuvassa 2 näkyy. Kun sähkövirta laskee matalaksi arvoksi, joka on määritelty metallioksidelevyn (MOV) vuotojen perusteella, sulku avautuu, eristäen järjestelmän ja estäen mitään vuotojä sähkökomponenttien ja MOV:n kautta.

Kuva 2: Hybridikeskijännitteinen DC-pistokeitti

Pääpolun UFMS:n on vain tuotettava riittävästi jännitettä siirtääksensä sähkövirta rinnakkaiseen IGBT-pistokeittiin. Apu-DC-pistokeitin Rdson 2 kA:ssa ja nopea mekaaninen kytkin on oltava alle 20 mW saadakseen samankaltaiset ominaisuudet elektromekaaniselle pistokeittimelle. UFMS:n käyttö pääpolussa johtaa pienempiin toimintatappioihin ja etenemisjännitteeseen kuin täysi SSCB.

Ehdotettu suunnittelu voi olla hyödyllistä korkeajännitteisten HCB:n valmistajien ABB:n ja Alstomin tuotteiden verrattuna, koska (1) ei ole toimintatappioita, (2) sen ohjauskäytäntö on yksinkertaisempi, ja (3) kalliit "Power Electronic Switch" pääpolussa voidaan välttää. Tosiasiassa yksi UFMS voi korvata sekä "Power Electronic Switch" että ABB:n ehdottaman nopean sulun pääpolussa.

On kuitenkin varmistettava, että UFMS:n kontaktiresistanssi ei ole enempää kuin vastaavan elektromekaanisen sulun kontaktiresistanssi ja sillä on kestokyky 4.45×10-7 I2 N (eli > 178 N 10 kertaa suurelle sähkövirralle 2 kA arvostettu turvakerroin 2x tai 356 N).

Ultra-nopea mekaaninen kytkin keskijännitteisessä hybrid-DC-pistokeitin:
Mainittujen filosofian toteuttamisen haasteet ovat (1) voiko tällaisia ultra-nopeita kytkimiä kehitetä MV-tasolle, (2) onko arkun jännite riittävän korkea kommunikaatioon, ja (3) onko sama suunnittelu mahdollista RCB:lle. Vastaus kaikkiin kysymyksiin voi olla KYLLÄ, kuten alla selitetään.

Elektromagneettiset Thomson-kummitin (TC) toiminnalliset laitteet, jotka toimivat vetovoiman tai repeämisen perusteella, ovat erittäin sopivia nopealle kytkemiselle, koska ne voivat saavuttaa korkeita kiihtyviä tarkalla hallinnalla. Tähän mennessä on ehdotettu ja hyvin esitelty kaksi tekniikkaa TC-pohjalta, joista sarjakytkennällä perustuva oli tehokkaampi kuin induktiopohjalta perustuva. Nämä kaksi tekniikkaa vertailtiin myös multiphysics-finite element -mallinnuksella.

Yksi vaihe 12 kV (nomin