Types de disjoncteurs à courant continu à moyenne tension et applications
Les disjoncteurs à courant continu de moyenne tension sont adaptés pour les applications dans les navires, les métros urbains, les trains électriques, les micro-réseaux (véhicules électriques), la génération distribuée (énergie solaire) et les systèmes basés sur des batteries (centres de données).
Dans le cas d'un circuit en courant continu, l'impédance du circuit relativement faible conduit à des amplitudes de courts-circuits plus élevées. De plus, comme les enroulements des transformateurs ne contribuent pas à la constante de temps globale dans les systèmes en courant continu, la constante de temps globale se réduit et un court-circuit peut avoir des temps de montée aussi brefs que quelques millisecondes. Une chute de tension peut également se produire, où le maintien d'au moins 80 % de la tension continue nominale est une condition préalable au fonctionnement normal de la station de convertisseur de source de tension (VSC).
Pour minimiser les perturbations du fonctionnement du convertisseur, la panne doit être éliminée en quelques millisecondes, en particulier pour les stations non connectées à la ligne ou au câble défectueux.
Types de disjoncteurs à courant continu de moyenne tension sur le marché :
Trois types principaux de disjoncteurs sur les marchés du LVDC et du MVDC sont les disjoncteurs à semi-conducteurs (SSCBs), les disjoncteurs mécaniques (MCBs) et les disjoncteurs hybrides (HCBs) qui combinent un SSCB en parallèle avec un commutateur mécanique ultra-rapide (UFMS).
Les MCBs conventionnels à air et à base de SF6 pour les tensions basses et moyennes en courant alternatif ont une capacité d'interruption en courant continu limitée à quelques kilovolts et quelques ampères.
Disjoncteurs à semi-conducteurs de moyenne tension en courant continu :
Les topologies des SSCBs sont généralement basées sur un certain nombre de thyristors à grille intégrée commandée (IGCTs), de thyristors à extinction par grille (GTOs) ou de transistors bipolaires à grille isolée (IGBTs), connectés en série. Bien que les temps de réponse soient extrêmement rapides, un inconvénient est la perte importante en état de conduite, généralement comprise entre 15 et 30 % des pertes d'une station VSC.
Le coût élevé des composants, l'absence d'isolement galvanique et la capacité d'absorption thermique insuffisante sont d'autres inconvénients.
La figure 1 montre un type de conception de disjoncteur à semi-conducteurs de moyenne tension en courant continu :
Figure 1 : a) Disjoncteur bidirectionnel à semi-conducteurs de moyenne tension à base d'IGCT, (b) Disjoncteur bidirectionnel à semi-conducteurs de moyenne tension à base d'IGCT, (c) Disjoncteur bidirectionnel à semi-conducteurs à base de GTO
Différentes topologies de SSCB ont été proposées. Cependant, la plupart d'entre elles sont pour des tensions ≤ 1 kV, en particulier pour des courants faibles ≤ 1000 A. Il convient de noter qu'un des aspects les plus difficiles de la technologie SSCB est la perte élevée en état de conduite et, bien que certains articles rapportent un SSCB de moyenne tension satisfaisant un niveau de tension de moyenne tension tel que 6-15 kV, ils sont généralement pour un courant nominal inférieur à 1000 A, mais la capacité de puissance nécessaire serait de plusieurs mégawatts à quelques dizaines de mégawatts avec au moins 3 modules parallèles (3P:3*3,72 MW).
Ainsi, le développement d'un disjoncteur DC avec une puissance nominale inférieure à 10 MW pour les architectures futures de MVDC devient presque inutile. Les technologies actuelles de semi-conducteurs de puissance ne peuvent pas répondre à de tels niveaux de puissance ; par conséquent, les SSCBs pour les architectures futures de MVDC ne conduiront pas à une conception compacte hautement efficace et rentable. À cet égard, des ventilateurs d'air relativement grands avec des capacités autour de six mille pieds cubes par minute et/ou un refroidissement actif à l'eau sont nécessaires pour les niveaux de pertes en état de conduite de plusieurs kilowatts anticipés pour les forts courants.
Disjoncteurs hybrides de moyenne tension en courant continu (HCBs) :
Les disjoncteurs hybrides de moyenne tension en courant continu comprennent un chemin de conduction du courant et un chemin d'interruption du courant.
Un disjoncteur hybride combine les pertes en avant extrêmement faibles d'un commutateur ultra-rapide pur avec la performance rapide d'un disjoncteur à semi-conducteurs dans le chemin parallèle. Le disjoncteur principal est positionné sur un chemin parallèle et est constitué de commutateurs à semi-conducteurs en série et en parallèle connectés en série.
Un HCB modulaire a été développé, et un module comme illustré à la figure 2, avec une tension et un courant nominaux, ainsi qu'une capacité d'interruption du courant de 6,2 kV et 600 A, respectivement.
Il est à noter que la chambre d'arc du commutateur ultra-rapide n'a besoin de générer qu'une tension suffisante pour communiquer le courant et faciliter la philosophie de parallélisation des modules. Dans toutes les conceptions de SSCB et HCB, un disjoncteur de courant résiduel (RCD) et une résistance shunt pour mesurer le courant, comme illustré à la figure 2, sont nécessaires. Lorsque le courant diminue à une valeur faible spécifiée par le courant de fuite du varistor à oxyde métallique (MOV), le disjoncteur s'ouvre, isolant le système et empêchant tout courant de fuite à travers les semi-conducteurs et le MOV.
Fig 2 : Disjoncteur hybride de moyenne tension en courant continu
Le UFMS du chemin principal n'a besoin de générer qu'une tension suffisamment élevée pour commuter le courant vers le disjoncteur IGBT complet parallèle. La résistance du disjoncteur DC auxiliaire, Rdson à 2 kA, et le commutateur mécanique rapide doivent être inférieurs à 20 mW pour avoir des caractéristiques similaires à celles d'un disjoncteur électromécanique. L'utilisation d'un UFMS dans le chemin principal entraîne des pertes en état de conduite et une tension en avant inférieures à celles d'un SSCB complet.
La conception proposée peut être avantageuse par rapport aux HCBs haute tension fabriqués par ABB et Alstom, car (1) il n'y a pas de perte en état de conduite des semi-conducteurs, (2) son circuit de commande sera plus simple, et (3) le "Commutateur Électronique de Puissance" coûteux dans le chemin principal peut être évité. En effet, un seul UFMS peut remplacer à la fois le "Commutateur Électronique de Puissance" et le disjoncteur rapide proposé par ABB pour le chemin principal.
Cependant, il faut s'assurer que la résistance de contact du UFMS n'est pas supérieure à celle des contacts électromécaniques équivalents et qu'il a la capacité de force de maintien de 4,45×10-7 I2 N (c'est-à-dire > 178 N pour 10x l'afflux initial à 2 kA nominal avec un facteur de sécurité 2x ou 356 N).
Commutateur mécanique ultra-rapide dans le disjoncteur hybride de moyenne tension en courant continu :
Les défis pour réaliser la philosophie mentionnée sont (1) savoir si de tels commutateurs ultra-rapides peuvent être développés pour les niveaux de moyenne tension, (2) savoir si la construction de la tension d'arc pour la commutation est suffisamment élevée, et (3) savoir si la même conception est possible pour le RCB. La réponse peut être OUI pour toutes ces questions, comme discuté ci-dessous.
Les actionneurs à bobine Thomson (TC) électromagnétiques fonctionnant sur la base des forces attractives ou répulsives entre conducteurs porteurs de courant sont très appropriés pour le commutage rapide car ils peuvent atteindre des accélérations élevées grâce à un contrôle précis. Jusqu'à présent, deux techniques basées sur TC ont été proposées et bien élaborées pour les commutateurs mécaniques ultra-rapides, l'une avec des bobines en série surpassant l'autre basée sur l'induction en termes d'efficacité. Ces deux techniques ont également été comparées par modélisation multiphysique par éléments finis.
Un disjoncteur limiteur de courant de court-circuit (FCLCB) monophasé 12 kV (tension nominale) et 2 kA (courant nominal) / 20 kA (court-circuit) et un FCLCB 24 kV, 3 kA / 40 kA permettant d'éteindre l'arc sans aucun refroidissement forcé de l'arc en 100-300 μs ont été conçus et construits.
Le commutateur rapide à induction avec un courant nominal de 7 kA accélère un contact HCB de ~2 kg avec une accélération initiale de ~44 900 m/s2, ce qui entraîne une séparation de contact de 4 mm après ~422 μs, suffisante pour résister à une tension nominale de 3 kV.
Ce mouvement rapide doit être amorti à la fin du parcours pour éviter le dépassement, le rebond, la fatigue et d'autres effets indésirables.
