Közép-feszültségű DC áramköri törésvédő típusai és alkalmazásai

A középhatású DC áramtörők alkalmasak hajók, városi metrók, villamos vonatok, mikrohálózatok (elektromos járművek), szórt termelés (napenergia) és akkumulátor-alapú rendszerek (adatközpontok) alkalmazásaira.

A DC esetben a viszonylag alacsony körzetellenállás magasabb rövidzárlati amplitúdóhoz vezet. Továbbá, mivel a transzformátor tekercsek nem járulnak hozzá az állandó időtartamhoz DC rendszerekben, az állandó időtartam csökken, és egy rövidzárítás emelkedési ideje rövid lehet, néhány milliszekundumra. A feszültség összeomlása is bekövetkezhet, ahol a nominális DC feszültség legalább 80%-ának fenntartása előfeltétel a feszültségforrás konverter (VSC) állomás normális működéséhez.

A konverter működési zavarainak minimalizálása érdekében a hiba meg kell legyen oldva néhány milliszekundumban, különösen olyan állomásoknál, amelyek nem kapcsolódnak a hibás vonalhoz vagy kábelehez.

A piaci középhatású DC áramtörő típusai:
A LVDC és MVDC piacokon három fő típusú áramtörő létezik: szilárdtestes áramtörők (SSCB-k), mechanikus áramtörők (MCB-k) és hibrid áramtörők (HCB-k), amelyek SSCB-t tartalmaznak párhuzamosan egy ultra-gyors mechanikus kapcsolóval (UFMS).

A hagyományos levegő- és SF6-alapú LV és MV AC MCB-k bizonyos DC megszakító képességgel rendelkeznek, amely korlátozódik csak néhány kilovolt és ampérre.

Szilárdtestes középhatású DC áramtörők:
Az SSCB topológiák tipikusan bizonyos számú Integrált Kapu Kommutált Thyristor (IGCT), Kapu Kikapcsoló Thyristor (GTO) vagy Izolált Kapu Bipoláris Tranzisztor (IGBT) sorban kapcsolt elemeken alapulnak. Bár a válaszidők rendkívül gyorsak, egy hátrány a jelentős működési veszteségek, amelyek általában a VSC állomás veszteségeinek 15-30%-a között mozognak.

A magas komponensköltségek, a galvánikus izoláció hiánya és a megfelelő hőfogadó képesség elérhetetlensége más hátrányok.

1. ábra egy szilárdtestes középhatású DC áramtörő tervezést mutat be:

Ábra 1: a) IGCT-alapú középhatású kéirányű szilárdtestes áramtörő, (b) IGCT-alapú középhatású kéirányű szilárdtestes áramtörő, (c) GTO-alapú kéirányű szilárdtestes áramtörő

Különböző SSCB topológiák kerültek javaslatra. Azonban a legtöbbük volt ≤ 1 kV feszültségnél, különösen alacsony áramerősségnél ≤ 1000 A. Megjegyzendő, hogy az SSCB technológia egyik legnehezebb aspektusa a magas működési veszteség, bár néhány cikk jelentést adott MV SSCB-ről, amely MV feszültség szintjét, mint például 6-15 kV teljesíti, általában kevesebb, mint 1000 A nominális áramerősség mellett. De a szükséges teljesítménykezelési kapacitás néhány MW-tól több tucatnyi MW-ig terjed, legalább 3 párhuzamos modullal (3P:3*3.72 MW).

Így, egy DC CB fejlesztése, amelynek nominális teljesítménye kevesebb, mint 10 MW jövőbeli MVDC architektúrákhoz majdnem haszontalan lesz. A jelenlegi hatáskörű szemilettechnológiák nem tudják megfelelően kezelni ilyen teljesítményeket; ezért a jövőbeli MVDC architektúrákhoz tartozó SSCB-k nem fogják eredményezni nagyon hatékony, költséghatékony, kompakt tervezést. Ezzel összefüggésben, relatíve nagy levegőszivattyúk, amelyek körülbelül hat ezer köbméter per perc képességgel, és/vagy aktív vízhűtés szükséges a sok kilowatt működési veszteség kezelésére, amelyet a nagy áramerősségek várhatóan okoznak.

Hibrid középhatású DC áramtörők (HCB-k):
A hibrid középhatású DC áramtörők tartalmaznak egy áramerő utat és egy áramerő megszakítási utat.

A hibrid áramtörő kombinálja a tiszta ultra-gyors kapcsoló rendkívül alacsony előre irányuló veszteségeit a szilárdtestes áramtörő gyors teljesítményével a párhuzamos úton. A fő áramtörő a párhuzamos úton helyezkedik el, és sorban kapcsolt szilárdtestes kapcsolókból áll, amelyek sorban kapcsoltak.

Fejlesztett egy moduláris HCB-t, és egy modult, ahogy az 2. ábrán látható, nominális feszültséggel és áramerősséggel, valamint 6.2 kV, illetve 600 A áramerő megszakítási képességgel.

Megjegyzendő, hogy az ultra-gyors kapcsoló ív kamra egyszerűen csak elegendő feszültséget kell generáljon, hogy kommunikálja az áramerőt, és segítse a modulok párhuzamos filozófiáját. Minden SSCB és HCB tervezésben szükséges egy maradék áramerő diszconnector (RCD) és egy párhuzamos ellenállás, amelyet 2. ábra mutat. Amikor az áramerő leereszkedik a fémmioxid varisztor (MOV) szivárgási áramerőjének meghatározott alacsony értékére, a diszconnector nyílik, elkülönítve a rendszert, és megelőzi a szemilettek és MOV-n keresztül történő szivárgást.

Ábra 2: Hibrid középhatású DC áramtörő

A fő út UFMS-nek csak elegendő feszültséget kell generálnia, hogy az áramerőt a párhuzamos IGBT áramtörőre átirányítsa. A segéd DC áramtörő Rdson ellenállása 2 kA-nál, és a gyors mechanikus kapcsolónak kevesebbnek kell lennie, mint 20 mW, hogy hasonló jellemzőket mutasson, mint egy elektromechanikus áramtörő. A UFMS felhasználása a fő úton kevesebb működési veszteséget és előre irányuló feszültséget eredményez, mint egy teljes SSCB.

A javasolt tervezés előnyös lehet az ABB és Alstom által gyártott magasfeszültségű HCB-kkel szemben, mert (1) nincs működési szemiletveszteség, (2) a vezérlő áramkör egyszerűbb, és (3) a drága "Power Electronic Switch" a fő úton elkerülhető. Valójában, egyetlen UFMS is helyettesítheti mind a "Power Electronic Switch"-et, mind a gyors diszconnectort, amelyet az ABB a fő útra javasolt.

Ugyanakkor biztosítani kell, hogy a UFMS kapcsolóellenállása ne legyen nagyobb, mint az elektromechanikus kapcsolók ekvivalens ellenállása, és 4.45×10-7 I2 N (azaz > 178 N 10-s inrush mellett 2 kA nominális feszültséggel, biztonsági tényező 2x vagy 356 N) tartós erőképességgel rendelkezzen.

Ultra-gyors mechanikus kapcsoló a középhatású hibrid DC áramtörőben:
A megemlített filozófia megvalósításának kihívásai (1) hogy ilyen ultra-gyors kapcsolókat lehet-e fejleszteni MV szintekre, (2) hogy az ív feszültség építődése elegendően magas-e a kommunikációhoz, és (3) hogy ugyanez a tervezés lehetséges-e RCB-re. A válasz minden kérdésre IGEN lehet, ahogy az alábbiakban bemutatott.

Az elektromágneses Thomson coil (TC) aktuátorok, amelyek vonzó vagy toló erők alapján működnek, nagyon alkalmasak gyors kapcsoláshoz, mivel nagy gyorsulást érhetnek el pontos vezérléssel. Addig, TC alapján két technika került javaslatra és részletesen kidolgozásra ultra-gyors mechanikus kapcsolókhoz, ahol a sorban kapcsolt tevékenységek hatékonyságban túlszárnyalták az indukciós alapú módszert. Ezek két technika szintén multiphysics véges elem modellezéssel is összehasonlításra került.

Egy egyfázisú 12 kV (nominális feszültség) és 2 kA (nominális áramerősség) / 20 kA (rövidzárlat) hibafolyam-korlátozó áramtörő (FCLCB) és 24 kV, 3 kA / 40 kA FCLCB, amelyek lehetővé teszik, hogy az ív 100-300 μs-on belül kihűljen, anélkül, hogy erőltetett ívhűtésre volna szükség, tervben és megépítésben volt.

Az indukciós alapú gyors kapcsoló, amelynek nominális áramerőssége 7 kA, ~2 kg HCB kapcsolót ~44,900 m/s2 kezdeti gyorsulással gyorsítja, ami ~422 μs múlva 4 mm kapcsolói elválasztást eredményez, ami elegendő a 3 kV nominális kapcsolófeszültség kitérítéséhez.

Ez a gyors mozgás végén le kell ütköznie, hogy elkerülje a túlmenetet, a pattanást, a fáradtságot és más indesírható hatásokat.