Interruptores de Circuito de Corrente Directa de Media Tensión Tipos e Aplicacións

Os interruptores de corrente continua (CC) de media tensión son adecuados para aplicacións en barcos, metros urbanos, trens eléctricos, microredes (vehículos eléctricos), xeración distribuída (enerxía solar) e sistemas baseados en baterías (centros de datos).

A impedancia do circuito relativamente baixa no caso de CC conduce a amplitudes máis altas de cortocircuito. Ademais, xa que as bobinas dos transformadores non contribúen á constante de tempo global nos sistemas de CC, a constante de tempo global diminúe e un cortocircuito pode ter tempos de subida tan breves como uns poucos milisegundos. Tamén pode ocorrer o colapso de tensión, onde manter polo menos o 80% da tensión nominal de CC é unha precondición para que a estación de conversor de fonte de tensión (VSC) funcione normalmente.

Para minimizar as interrupcións na operación do conversor, o fallo debe ser eliminado en poucos milisegundos, especialmente para estacións non ligadas á liña ou cabo defectuosos.

Tipos de interruptores de corrente continua de media tensión no mercado:
Hai tres tipos principais de interruptores no mercado de LVDC e MVDC: interruptores de estado sólido (SSCBs), interruptores mecánicos (MCBs) e interruptores híbridos (HCBs), que son unha combinación de SSCB en paralelo cun interruptor mecánico ultra-rápido (UFMS).

Os MCBs convencionais de aire e baseados en SF6 para LV e MV AC teñen unha capacidade limitada de interrupción de CC, restrinxida a poucos quilovoltios e poucos amperios.

Interruptores de corrente continua de media tensión de estado sólido:
As topoloxías para os SSCBs baseanse tipicamente nun número determinado de Tiristores Comutados por Porta Integrados (IGCTs), Tiristores Desconectables por Porta (GTOs) ou Transistores Bipolares de Porta Aislada (IGBTs), conectados en serie. Aínda que os tempos de resposta son extremadamente rápidos, unha desvantaxe é a perda significativa no estado de conducción, xeralmente no rango do 15-30% das perdas dunha estación VSC.

O alto custo dos compoñentes, a falta de aislamento galvánico e a capacidade térmica inadecuada son outras desvantaxes.

A figura 1 amosa un tipo de deseño de interruptor de corrente continua de media tensión de estado sólido:

Figura 1: a) Interruptor de estado sólido bidireccional de media tensión baseado en IGCT, (b) Interruptor de estado sólido bidireccional de media tensión baseado en IGCT, (c) Interruptor de estado sólido bidireccional baseado en GTO

Propuxéronse diferentes topoloxías de SSCB. No entanto, a maioría delas son para voltaxes ≤ 1 kV, en particular para correntes baixas ≤ 1000 A. É importante notar que un dos aspectos máis desafiantes da tecnoloxía SSCB é a alta perda no estado de conducción, e aínda que algúns artigos informan dun SSCB de MT que satisfai un nivel de voltaxe de MT como 6-15 kV, xeralmente son para corrente nominal inferior a 1000 A, pero a capacidade de manejo de potencia necesaria sería de algunhas MWs ata decenas de MWs con polo menos 3 módulos en paralelo (3P:3*3.72 MW).

Así, desenvolver un IC de CC con unha potencia nominal inferior a 10 MW para as arquitecturas futuras de MVDC resulta case inútil. As tecnoloxías actuais de semiconductores de potencia non poden cumprir esas clasificacións de potencia; en consecuencia, os SSCBs para as arquitecturas futuras de MVDC non levarán a un deseño compacto altamente eficiente e económico. Neste sentido, son necesarios ventiladores de aire relativamente grandes con capacidades ao redor de seis mil pés cúbicos por minuto e/o refrigeración activa por auga para os niveis de perda no estado de conducción previstos para correntes altas.

Interruptores de corrente continua de media tensión híbridos (HCBs):
Os interruptores de corrente continua de media tensión híbridos inclúen unha vía de conducción de corrente e unha vía de interrupción de corrente.

Un interruptor híbrido combina as baixas perdas frontais dun interruptor ultra-rápuro puro co rendemento rápido dun interruptor de estado sólido na vía paralela. O interruptor principal está situado en unha vía paralela e está formado por switches de estado sólido en serie e paralelo.

Desenvolveuse un HCB modular e un módulo como se mostra na Fig. 2 con tensión e corrente nominais, e unha capacidade de interrupción de corrente de 6.2 kV e 600 A, respectivamente.

É importante notar que a cámara de arco do interruptor ultra-rápido só necesita xerar suficiente tensión para comunicar a corrente e facilitar a filosofía de paralelización dos módulos. En todos os deseños de SSCB e HCB, é necesario un desconectador de corrente residual (RCD) e un resistor en derivación para medir a corrente, como se mostra na Fig. 2. Cando a corrente cae a un valor baixo especificado pola corrente de fuga do varistor de óxido metálico (MOV), o desconectador abre, aislando o sistema e evitando calquera corrente de fuga a través dos semiconductores e MOV.

Fig 2: Interruptor de corrente continua de media tensión híbrido

A UFMS da vía principal só necesita xerar unha tensión suficientemente alta para comutar a corrente ao interruptor IGBT completo en paralelo. A resistencia do interruptor DC auxiliar, Rdson a 2 kA, e o interruptor mecánico rápido deben ser menores de 20 mW para ter características similares a un interruptor electromecánico. O uso de UFMS na vía principal resulta en perdas no estado de conducción e tensión frontais menores que un SSCB completo.

O deseño proposto pode ser beneficioso sobre os HCBs de alta tensión fabricados por ABB e Alstom, porque (1) non hai perdas de semiconductores no estado de conducción, (2) o seu circuito de control será máis simple, e (3) o caro "Power Electronic Switch" na vía principal, pode evitarse. De feito, só un UFMS pode substituír tanto o "Power Electronic Switch" como o desconectador rápido proposto por ABB para a vía principal.

No entanto, é necesario asegurar que a resistencia de contacto do UFMS non sexa superior á dos contactos electromecánicos equivalentes e que teña a capacidade de forza de sostenemento de 4.45×10-7 I2 N (ou seja, > 178 N para 10x sobrecorrente a 2 kA nominal con factor de seguridade 2x ou 356 N).

Interruptor mecánico ultra-rápido en interruptor de corrente continua de media tensión híbrido:
Os desafíos para realizar a filosofía mencionada son (1) se poden desenvolver tales interruptores ultra-rápidos para niveis de MT, (2) se a construción da tensión de arco para a comutación é suficientemente alta, e (3) se o mesmo deseño é posible para RCB. A resposta pode ser SÍ para todas as preguntas, como se discute a continuación.

Os actuadores de bobina Thomson (TC) electromagnéticos que funcionan baseándose nas forzas atractivas ou repulsivas entre conductores portadores de corrente son moi adecuados para o conmutación rápida porque poden lograr aceleracións altas mediante un control preciso. Ata a data, propuxéronse e elaboráronse ben dous técnicas basadas en TC para interruptores mecánicos ultra-rápidos, sendo a que usa bobinas en serie mellor que a baseada en indución en termos de eficiencia. Estas dúas técnicas tamén foron comparadas mediante modelización finita de elementos multiphysics.

Deseñouse e construíuse un interruptor de circuito de límite de corrente de fallo (FCLCB) de 12 kV (tensión nominal) e 2 kA (corrente nominal) / 20 kA (cortocircuito) monofásico e un FCLCB de 24 kV, 3 kA / 40 kA que permite extinguir o arco sen ningún resfriamento forzado do arco dentro de 100-300 μs.

O interruptor rápido baseado en indución con una corrente nominal de 7 kA acelera un contacto HCB de ~2 kg con unha aceleración inicial de ~44,900 m/s2, que resulta en unha separación de contacto de 4 mm despois de ~422 μs, suficiente para soportar unha tensión nominal de interruptor de 3 kV.

Este movemento rápido debe amortiguarse ao final do percorrido para evitar o exceso de viaxe, rebote, fatiga e outros efectos indeseables.