Tipove i primjene srednjenskih naponnih DC prekidača

Srednjenski naponi DC prekidnici struje odgovaraju za primjenu na brodovima, gradske podzemne željeznice, električni vlakovi, mikromreže (električna vozila), distribuirana proizvodnja (sunčeva energija) i sustavi temeljeni na baterijama (centri podataka).

Relativno niska impedancija kruga u slučaju DC vodi do većih amplituda kratkih spojeva. Nadalje, budući da se navojevi transformatora ne doprinose ukupnom vremenskom konstantu u DC sustavima, ukupna vremenska konstanta se smanjuje i kratki spoj može imati vrijeme rasta od samo nekoliko milisekundi. Može doći i do kollapse napona gdje je održavanje najmanje 80% nominalnog DC napona preduvjet za normalnu radnu točku stanice pretvarača napona (VSC).

Da bi se smanjile prekine u radu pretvarača, greška mora biti isključena unutar nekoliko milisekundi, posebno za stanice koje nisu povezane s defektom linije ili kabela.

Vrste srednjenskih naponih DC prekidnika struje na tržištu:
Tri glavne vrste prekidnika struje na tržištu LVDC i MVDC su pečatni prekidnici struje (SSCBs), mehanički prekidnici struje (MCBs) i hibridni prekidnici struje (HCBs) koji su kombinacija SSCB-a paralelno s ultra-brzim mehaničkim prekidnikom (UFMS).

Konvencionalni zračni i SF6 bazirani LV i MV AC MCB-i imaju određenu sposobnost prekida DC ograničenu samo na nekoliko kilovolata i nekoliko Ampera.

Pečatni srednjenski naponi DC prekidnici struje:
Topologije za SSCB-e obično su temeljene na određenom broju Integriranih Vratnih Komutiranih Tiristora (IGCTs), Tiristora s Isključivanjem Kroz Vrata (GTOs) ili Izoliranih Vratnih Bipolarnih Tranzistora (IGBTs), povezanih serijalno. Iako su vremena reakcije iznimno brza, jedan nedostatak je značajne gubitke u stanju priključenosti, tipično u rasponu od 15-30% gubitaka stanice VSC.

Visoke troškove komponenti, nedostatak galvanometrijske izolacije i nedovoljna kapacitet apsorpcije topline su drugi nedostaci.

Slika 1 pokazuje neku vrstu dizajna pečatnog srednjenskog naponog DC prekidnika struje:

Slika 1: a) IGCT temeljeni srednjenski naponi dvosmjerni pečatni prekidnik struje, (b) IGCT temeljeni srednjenski naponi dvosmjerni pečatni prekidnik struje, (c) GTO temeljeni dvosmjerni pečatni prekidnik struje

Predložene su različite topologije SSCB-a. Međutim, većina njih je za napone ≤ 1 kV, posebno za male struje ≤ 1000 A. Treba napomenuti da je jedan od najvećih izazova SSCB tehnologije visoki gubitak u stanju priključenosti i, iako neki članci izvještavaju o MV SSCB-u koji zadovoljava nivo MV napona kao što su 6-15 kV, oni su tipično za nominalnu struju manju od 1000 A, ali potrebna kapacitet obrade snage bi trebao biti u nekoliko MWa do desetak MWa s barem 3 paralelnim modulima (3P:3*3.72 MW).

Stoga, razvoj DC prekidnika s nominalnom snage manjom od 10 MW za buduće arhitekture MVDC postaje skoro beskoristan. Trenutne tehnologije poluprovodnika za snagu ne mogu zadovoljiti takve snage; stoga, SSCB-ovi za buduće arhitekture MVDC neće dovesti do visoko učinkovitog ekonomskog kompaktnog dizajna. U ovom kontekstu, potrebni su relativno veliki ventilatori sa kapacitetom oko šest tisuća kubičnih stopa po minuti i/ili aktivno hlađenje vodom za više kilowatt nivoe gubitaka u stanju priključenosti predviđenih za visoke struje.

Hibridni srednjenski naponi DC prekidnici struje (HCBs):
Hibridni srednjenski naponi DC prekidnici struje uključuju put provođenja struje i put prekida struje.

Hibridni prekidnik kombinira iznimno niske gubitke priključenosti čistog ultra-brzog prekidnika s brzim performansama pečatnog prekidnika u paralelnom putu. Glavni prekidnik smješten je na paralelnom putu i sastoji se od serijalnih i paralelnih pečatnih prekidnika struje povezanih serijalno.

Razvijen je modularni HCB i jedan modul prikazan na Slici 2 s nominalnim naponom i strujom, te sposobnosti prekida struje od 6.2 kV i 600 A, redom.

Važno je napomenuti da komora luka ultra-brzog prekidnika treba generirati dovoljan napon kako bi se komunikirala struja i omogućila paralelna filozofija modula. U svim dizajnima SSCB-a i HCB-a potreban je rezidualni disjunktor struje (RCD) i shunt otpornik za mjerenje struje prikazan na Slici 2. Kada struja pada na nisku vrijednost definiranu curenjem metaličkog oksidnog varistora (MOV), disjunktor se otvara, izolirajući sustav i sprečavajući bilo kakvo curenje struje kroz poluprovodnike i MOV.

Slika 2: Hibridni srednjenski naponi DC prekidnik struje

Glavni put UFMS-a treba generirati dovoljno visok napon kako bi se struja komutirala na paralelni pun IGBT prekidnik. Otpor pomoćnog DC prekidnika, Rdson na 2 kA, i brz mehanički prekidnik trebaju biti manji od 20 mW kako bi imali slične karakteristike kao elektromehanički prekidnik struje. Upotreba UFMS-a u glavnom putu rezultira nižim gubitcima u stanju priključenosti i napona priključenosti nego puni SSCB.

Predloženi dizajn može biti koristan u usporedbi s visokonaponskim HCB-ovima proizvedenim od strane ABB i Alstom, jer (1) nema gubitaka poluprovodnika u stanju priključenosti, (2) njegov kontrolni krug će biti jednostavniji, i (3) skupi "Power Electronic Switch" u glavnom putu, može se izbjegnuti. Zapravo, samo jedan UFMS može zamijeniti i "Power Electronic Switch" i brzi disjunktor predložen od strane ABB-a za glavni put.

Međutim, treba osigurati da kontakt otpor UFMS-a ne premašuje ekvivalentne elektromehaničke kontakte i ima sposobnost održavanja sile držanja od 4.45×10-7 I2 N (tj. > 178 N za 10x površinsku struju na 2 kA nominale s faktorom sigurnosti 2x ili 356 N).

Ultra-brz mehanički prekidnik u srednjenskom hibridnom DC prekidniku struje:
Izazovi za realizaciju spomenute filozofije su (1) može li se takvi ultra-brzi prekidnici razviti za nivoe MV, (2) dosta li je visok napon izgradnje luka za komutaciju, i (3) može li se isti dizajn primijeniti za RCB. Odgovor može biti DA na sve pitanja, kao što je diskutirano u nastavku.

Elektromagnetski Thomsonovo bobinasti (TC) aktuatori koji operiraju na osnovi privlačnih ili odbojnih sila između vodilaca nosača struje su vrlo prikladni za brzo prebacivanje jer mogu postići visoke akceleracije putem preciznog upravljanja. Do sada su predložene i detaljno obrađene dvije tehnike temeljene na TC, gdje je ona s serijalnim bobinama premašila onu temeljenu na indukciji u pogledu učinkovitosti. Ove dvije tehnike su također uspoređene modeliranjem kroz multiphysics metode konačnih elemenata.

Jednofazni 12 kV (nominalni napon) i 2 kA (nominalna struja) / 20 kA (kratki spoj) ograničitelj struje prekidnika (FCLCB) i 24 kV, 3 kA / 40 kA FCLCB omogućuju gasenje luka bez ikakvog prisilnog hlađenja luka unutar 100-300 μs, dizajnirani, izgrađeni.

Indukcijski brzi prekidnik s nominalnom strujom od 7 kA ubrzava kontakt HCB-a od ~2 kg s početnom akceleracijom od ~44,900 m/s2 što rezultira 4 mm razdvajanjem kontakta nakon ~422 μs, dovoljno da izdrži nominalni napon prekidnika od 3 kV.

Ova brza kretanja trebaju biti prigušena na kraju puta kako bi se sprečili prekomjeran put, odbijanje, umor i druge neželjene efekte.