Jenis dan Aplikasi Pemutus Sirkuit DC Tegangan Menengah

Pemutus sirkuit DC tegangan menengah cocok untuk aplikasi di kapal, metro perkotaan, kereta listrik, mikrogrid (kendaraan listrik), pembangkit terdistribusi (energi surya), dan sistem berbasis baterai (pusat data).

Impedansi sirkuit yang relatif rendah dalam kasus DC menyebabkan amplitudo pendek sirkuit yang lebih tinggi. Selain itu, karena lilitan transformator tidak berkontribusi pada konstanta waktu keseluruhan dalam sistem DC, konstanta waktu keseluruhan mengecil dan pendek sirkuit dapat memiliki waktu naik sependek beberapa milidetik. Kollapse tegangan juga mungkin terjadi di mana pemeliharaan setidaknya 80% dari tegangan DC nominal adalah prasyarat bagi stasiun konverter sumber tegangan (VSC) untuk bekerja normal.

Untuk meminimalkan gangguan operasional konverter, gangguan harus diatasi dalam beberapa milidetik, terutama untuk stasiun yang tidak terhubung ke garis atau kabel yang bermasalah.

Jenis pemutus sirkuit DC tegangan menengah di pasaran:
Tiga jenis utama pemutus sirkuit di pasar LVDC dan MVDC adalah pemutus sirkuit padat (SSCBs), pemutus sirkuit mekanis (MCBs), dan pemutus sirkuit hibrid (HCBs) yang merupakan campuran SSCB paralel dengan saklar mekanis ultra-cepat (UFMS).

Pemutus sirkuit AC MCB berbasis udara dan SF6 konvensional memiliki kemampuan menghentikan arus DC yang terbatas hanya beberapa kilovolt dan beberapa Ampere.

Pemutus sirkuit DC tegangan menengah padat:
Topologi untuk SSCBs biasanya didasarkan pada jumlah tertentu Thyristor Komutasi Gerbang Terintegrasi (IGCTs), Thyristor Matikan Gerbang (GTOs), atau Transistor Bipolar Gerbang Terisolasi (IGBTs), yang dihubungkan secara seri. Meskipun waktu respon sangat cepat, satu kekurangan adalah kerugian on-state yang substansial biasanya dalam rentang 15-30% dari kerugian stasiun VSC.

Biaya komponen yang tinggi, kurangnya isolasi galvanik, dan kapasitas penyerapan panas yang tidak memadai adalah kekurangan lainnya.

Gambar 1 menunjukkan beberapa desain pemutus sirkuit DC tegangan menengah padat:

Figur 1: a) Pemutus sirkuit padat bi-arah tegangan menengah berbasis IGCT, (b) Pemutus sirkuit padat bi-arah tegangan menengah berbasis IGCT, (c) Pemutus sirkuit padat bi-arah berbasis GTO

Beberapa topologi SSCB telah diajukan. Namun, sebagian besar untuk tegangan ≤ 1 kV, khususnya untuk arus rendah ≤ 1000 A. Perlu dicatat bahwa salah satu aspek paling menantang dari teknologi SSCB adalah kerugian on-state yang tinggi, meskipun beberapa artikel melaporkan SSCB MV yang memenuhi tingkat tegangan MV seperti 6-15 kV, mereka biasanya untuk arus nominal kurang dari 1000 A, tetapi kapasitas penanganan daya yang diperlukan akan berada dalam kisaran beberapa MW hingga puluhan MW dengan setidaknya 3 modul paralel (3P:3*3.72 MW).

Dengan demikian, pengembangan pemutus sirkuit DC dengan daya nominal kurang dari 10 MW untuk arsitektur MVDC masa depan menjadi hampir tidak berguna. Teknologi semikonduktor daya saat ini tidak dapat memenuhi peringkat daya tersebut; oleh karena itu, SSCB untuk arsitektur MVDC masa depan tidak akan menghasilkan desain yang efisien, hemat biaya, dan ringkas. Dalam hal ini, blower udara yang relatif besar dengan kapasitas sekitar enam ribu kaki kubik per menit dan/atau pendinginan air aktif diperlukan untuk tingkat kerugian on-state multi-kilowatt yang diantisipasi untuk arus tinggi.

Pemutus sirkuit DC tegangan menengah hibrid (HCBs):
Pemutus sirkuit DC tegangan menengah hibrid termasuk jalur konduksi arus dan jalur penghentian arus.

Saklar hibrid menggabungkan kerugian maju yang sangat rendah dari saklar ultra-cepat murni dengan kinerja cepat pemutus sirkuit padat di jalur paralel. Saklar utama ditempatkan di jalur paralel dan terdiri dari saklar padat seri dan paralel yang dihubungkan secara seri.

Modular HCB dikembangkan dan satu modul ditunjukkan dalam Gambar 2 dengan tegangan dan arus nominal, serta kemampuan memutus arus 6.2 kV, dan 600 A, masing-masing.

Perlu dicatat bahwa ruang busur saklar ultra-cepat hanya perlu menghasilkan tegangan yang cukup untuk mengkomunikasikan arus dan memfasilitasi filosofi paralel modul. Dalam semua desain SSCB dan HCB, disconnector arus residu (RCD) dan resistor shunt untuk mengukur arus seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2 diperlukan. Ketika arus turun ke nilai rendah yang ditentukan oleh arus bocor varistor oksida logam (MOV), disconnector terbuka, mengisolasi sistem dan mencegah arus bocor melalui semikonduktor dan MOV.

Gambar 2: Pemutus sirkuit DC hibrid tegangan menengah

UFMS jalur utama hanya perlu menghasilkan tegangan yang cukup untuk mengkomutasi arus ke pemutus sirkuit IGBT penuh paralel. Resistensi pemutus DC bantu, Rdson pada 2 kA, dan saklar mekanis cepat perlu kurang dari 20 mW untuk memiliki karakteristik yang sama dengan pemutus sirkuit elektromekanis. Menggunakan UFMS di jalur utama menghasilkan kerugian on-state dan tegangan maju yang lebih rendah daripada SSCB penuh.

Desain yang diusulkan dapat bermanfaat dibandingkan dengan HCB tegangan tinggi yang diproduksi oleh ABB dan Alstom, karena (1) tidak ada kerugian semikonduktor on-state, (2) rangkaian kontrolnya akan lebih sederhana, dan (3) "Power Electronic Switch" yang mahal di jalur utama, dapat dihindari. Memang, hanya satu UFMS dapat menggantikan baik "Power Electronic Switch", maupun disconnector cepat yang diusulkan oleh ABB untuk jalur utama.

Namun, perlu memastikan bahwa resistensi kontak UFMS tidak lebih dari kontak elektromekanis yang setara dan memiliki kemampuan tahan gaya 4.45×10-7 I2 N (yaitu > 178 N untuk 10x in-rush pada 2 kA rated dengan faktor keselamatan 2x atau 356 N).

Saklar Mekanis Ultra Cepat dalam pemutus sirkuit DC hibrid tegangan menengah:
Tantangan untuk mewujudkan filosofi yang disebutkan adalah (1) apakah saklar ultra cepat seperti itu dapat dikembangkan untuk tingkat MV, (2) apakah pembentukan tegangan busur untuk komutasi cukup tinggi, dan (3) apakah desain yang sama mungkin untuk RCB. Jawabannya mungkin YA untuk semua pertanyaan seperti dibahas di bawah ini.

Aktuator Thomson coil (TC) elektromagnetik yang beroperasi berdasarkan gaya tarik atau tolak antara konduktor penghantar arus sangat cocok untuk switching cepat karena dapat mencapai percepatan tinggi melalui kontrol yang tepat. Sampai saat ini, dua teknik berbasis TC telah diusulkan dan dijelaskan dengan baik untuk saklar mekanis ultra cepat, di mana yang satu dengan koil seri unggul dibandingkan yang berbasis induksi dalam hal efisiensi. Kedua teknik ini juga dibandingkan menggunakan model elemen hingga Multiphysics.

FCLCB fase tunggal 12 kV (tegangan nominal) dan 2 kA (arus nominal) / 20 kA (sirkuit pendek) dan FCLCB 24 kV, 3 kA / 40 kA yang memungkinkan busur padam tanpa pendinginan busur paksa dalam 100-300 μs telah dirancang dan dibangun.

Saklar cepat berbasis induksi dengan arus nominal 7 kA mengakselerasi kontak HCB sekitar 2 kg dengan percepatan awal sekitar 44.900 m/s2 yang menghasilkan pemisahan kontak 4 mm setelah sekitar 422 μs, cukup untuk menahan tegangan saklar nominal 3 kV.

Gerakan cepat ini harus diredam di akhir perjalanan untuk mencegah over-travel, pantulan, kelelahan, dan efek-efek yang tidak diinginkan lainnya.