Mga Uri at Pagsasalanggam ng Medium Voltage DC Circuit Breaker

Ang mga medium voltage DC circuit breakers ay angkop para sa mga aplikasyon sa mga barko, urban subway, electric trains, microgrids (electric vehicles), distributed generation (solar energy), at battery-based systems (data centers).

Ang relatibong mababang circuit impedance sa DC case ay nagdudulot ng mas mataas na amplitude ng short circuits. Bukod dito, dahil ang mga winding ng transformer ay hindi nakakatulong sa overall time constant sa mga sistema ng DC, ang overall time constant ay bumababa at ang isang short circuit ay maaaring magkaroon ng rise times na mahigit-kumulang ilang milliseconds. Maaari ring mangyari ang voltage collapse kung saan ang pagpanatili ng hindi bababa sa 80% ng nominal DC voltage ay isang prekondisyon para sa normal na pag-operate ng voltage source converter (VSC) station.

Upang mapaliit ang mga disruption sa operasyon ng converter, kailangang matanggal ang fault sa loob ng ilang milliseconds, lalo na para sa mga estasyon na hindi konektado sa faulty line o cable.

Mga uri ng medium voltage DC circuit breakers sa merkado:
Ang tatlong pangunahing uri ng circuit breakers sa LVDC at MVDC markets ay ang solid-state circuit breakers (SSCBs), mechanical circuit breakers (MCBs), at hybrid circuit breakers (HCBs) na isang mix ng SSCB in parallel with an ultra-fast mechanical switch (UFMS).

Ang mga conventional air at SF6-based LV at MV AC MCBs ay may limitadong DC interrupting capability hanggang sa ilang kilovolts at amperes.

Solid-state medium voltage DC circuit breakers:
Ang mga topologies para sa SSCBs ay karaniwang batay sa tiyak na bilang ng Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCTs), Gate Turn-Off Thyristors (GTOs), o Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs), na konektado in series. Bagama't ang response times ay napakabilis, ang isang drawback ay ang malaking on-state losses na karaniwang nasa range ng 15-30% ng losses ng VSC station.

Ang mataas na cost ng mga komponente, ang kawalan ng galvanic isolation, at ang hindi sapat na thermal absorption capacity ay iba pang mga disadvantage.

Ipinaliwanag sa Figura 1 ang isang tipo ng disenyo ng solid-state medium voltage DC circuit breaker:

Figura 1: a) IGCT-based medium voltage bi-directional solid-state circuit breaker, (b) IGCT-based medium voltage bi-directional solid-state circuit breaker, (c) GTO-based bidirectional solid-state circuit breaker

Ipinroposahan ang iba't ibang SSCB topologies. Gayunpaman, ang karamihan sa kanila ay para sa voltages ≤ 1 kV, lalo na para sa low currents ≤ 1000 A. Dapat tandaan na isa sa mga pinakamahirap na aspeto ng teknolohiya ng SSCB ay ang mataas na on-state loss at, bagama't ang ilang mga artikulo ay nagsasabi ng isang MV SSCB na sumasatisfy sa isang MV voltage level tulad ng 6-15 kV, sila ay karaniwang para sa rated current na mas mababa sa 1000 A, ngunit ang kinakailangang power handling capacity ay dapat nasa ilang MWs hanggang sa ilang tens of MWs range na may hindi bababa sa 3 parallel modules (3P:3*3.72 MW).

Kaya, ang pag-develop ng isang DC CB na may rated power na mas mababa sa 10 MW para sa future MVDC architectures ay halos walang kwentang gawin. Ang kasalukuyang power semiconductor technologies ay hindi maaaring makapagtugon sa ganitong power ratings; kaya, ang SSCBs para sa future MVDC architectures ay hindi magiging highly efficient cost-effective compact design. Sa kinalabasan, ang mga relatively large air blowers na may capacities na nasa paligid ng anim na libong cubic feet per minute at/o active water cooling ay kailangan para sa multi-kilowatt levels ng on-state loss na inaasahan para sa high currents.

Hybrid medium voltage DC circuit breakers (HCBs):
Ang mga hybrid medium voltage DC circuit breakers ay kasama ang current conduction path at current interruption path.

Ang isang hybrid breaker ay naglalaman ng napakababang forward losses ng isang pure ultrafast switch at ang mabilis na performance ng isang solid-state breaker sa parallel path. Ang main breaker ay naka-position sa isang parallel path at binubuo ng isang series at parallel solid-state switches na konektado in series.

Isinagawa ang isang modular HCB at isang module na ipinaliwanag sa Fig. 2 na may rated voltage at current, at isang current breaking capability ng 6.2 kV, at 600 A, respectively.

Dapat tandaan na ang arc chamber ng ultrafast switch lamang kailangang lumikha ng sapat na voltage upang maipagbigay ang current at suportahan ang paralleling philosophy ng mga module. Sa lahat ng SSCB at HCB designs, kinakailangan ng isang residual current disconnector (RCD) at isang shunt resistor upang sukatin ang current na ipinaliwanag sa Fig. 2. Kapag ang current ay bumaba sa isang mababang value na tinukoy ng leakage current ng metal oxide varistor (MOV), ang disconnector ay bukas, na nag-iisolate ng sistema at nagpapahinto ng anumang leakage current sa pamamagitan ng semiconductors at MOV.

Fig 2: Hybrid medium voltage DC circuit breaker

Ang UFMS sa main path lamang kailangang lumikha ng sapat na voltage upang i-commutate ang current sa parallel full IGBT breaker. Ang resistance ng auxiliary DC breaker, Rdson sa 2 kA, at ang fast mechanical switch ay kailangang maging mas mababa sa 20 mW upang magkaroon ng katulad na characteristics ng isang electromechanical circuit breaker. Ang paggamit ng UFMS sa main path ay nagreresulta sa mas mababang on-state losses at forward voltage kaysa sa full SSCB.

Ang ipinropos na disenyo ay maaaring maging beneficial kumpara sa mga high voltage HCBs na ginawa ng ABB at Alstom, dahil (1) walang on-state semiconductor loss, (2) ang control circuit nito ay mas simple, at (3) ang mahal na "Power Electronic Switch" sa main path, ay maaaring iwasan. Tatsulok, ang isang UFMS lang ang maaaring palitan ang parehong "Power Electronic Switch", at ang fast disconnector na ipinropos ng ABB para sa main path.

Gayunpaman, kailangang siguraduhin na ang contact resistance ng UFMS ay hindi hihigit sa equivalent electromechanical contacts at may withstand holding force capability ng 4.45×10-7 I2 N (i.e > 178 N for 10x in-rush at 2 kA rated with safety factor 2x or 356 N).

Ultrafast Mechanical Switch sa medium voltage hybrid DC circuit breaker:
Ang mga hamon para sa pag-realize ng nabanggit na philosophy ay (1) kung maaaring ma-develop ang mga ultrafast switches para sa MV levels, (2) kung ang buildup ng arc voltage para sa commutation ay sapat na mataas, at (3) kung ang parehong disenyo ay posible para sa RCB. Ang sagot ay maaaring Oo para sa lahat ng tanong bilang ipinaliwanag sa ibaba.

Ang mga electromagnetic Thomson coil (TC) actuators na gumagana batay sa attractive o repulsive forces sa pagitan ng mga current-carrying conductors ay napakasuitable para sa mabilis na switching dahil maaari silang makamit ang mataas na accelerations sa pamamagitan ng precise control. Hanggang ngayon, dalawang teknik na batay sa TC ang ipinropos at maayos na ipinaliwanag para sa ultra-fast mechanical switches, kung saan ang may series coils ay naka-outperform ang may induction sa kawastuhan. Ang dalawang teknik na ito ay din na-compare gamit ang Multiphysics finite element modeling.

Isinagawa at binuo ang isang single phase 12 kV (nominal voltage) at 2 kA (nominal current) / 20 kA (short circuit) fault-current limiting circuit breaker (FCLCB) at 24 kV, 3 kA / 40 kA FCLCB na nagbibigay-daan para sa arc na mawala nang walang forced arc cooling sa loob ng 100-300 μs.

Ang induction-based fast switch na may rated current ng 7 kA ay nag-accelerate ng HCB contact na ~2 kg na may initial acceleration ng ~44,900 m/s2 na nagresulta sa 4 mm contact separation pagkatapos ng ~422 μs, sapat upang makataas ng rated switch voltage ng 3 kV.

Ang mabilis na motion na ito ay dapat damped sa dulo ng travel upang maiwasan ang over-travel, bounce, fatigue, at iba pang indesebable effects.