Tipi e applicazioni di interruttori a corrente continua a media tensione
Gli interruttori di corrente continua ad alta tensione media sono adatti per applicazioni su navi, metropolitane urbane, treni elettrici, microreti (veicoli elettrici), generazione distribuita (energia solare) e sistemi basati su batterie (centri di dati).
L'impedenza del circuito relativamente bassa in un caso di corrente continua porta a ampiezze di cortocircuito più elevate. Inoltre, poiché le bobine dei trasformatori non contribuiscono alla costante temporale complessiva nei sistemi in corrente continua, la costante temporale complessiva si riduce e un cortocircuito può avere tempi di salita brevi come pochi millisecondi. Può anche verificarsi un crollo della tensione, dove mantenere almeno l'80% della tensione nominale in corrente continua è una condizione preliminare affinché la stazione del convertitore sorgente di tensione (VSC) funzioni normalmente.
Per minimizzare le interruzioni dell'operatività del convertitore, il guasto deve essere eliminato entro pochi millisecondi, specialmente per le stazioni non collegate alla linea o al cavo difettoso.
Tipi di interruttori di corrente continua ad alta tensione media sul mercato:
I tre principali tipi di interruttori di corrente nel mercato LVDC e MVDC sono gli interruttori di stato solido (SSCBs), gli interruttori meccanici (MCBs) e gli interruttori ibridi (HCBs) che sono una combinazione di SSCB in parallelo con un interruttore meccanico ultra-rapido (UFMS).
Gli MCBs AC convenzionali a base d'aria e SF6 hanno una capacità di interruzione in corrente continua limitata a poche kilovolte e pochi Ampère.
Interruttori di corrente continua ad alta tensione media a stato solido:
Le topologie per gli SSCBs sono tipicamente basate su un certo numero di Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCTs), Gate Turn-Off Thyristors (GTOs) o Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) collegati in serie. Sebbene i tempi di risposta siano incredibilmente rapidi, uno svantaggio sono le perdite significative in stato on, tipicamente nell'intervallo del 15-30% delle perdite di una stazione VSC.
I costi elevati dei componenti, la mancanza di isolamento galvanico e la capacità di assorbimento termico inadeguata sono altri svantaggi.
La Figura 1 mostra un tipo di progettazione di interruttore di corrente continua ad alta tensione media a stato solido:
Figura 1: a) Interruttore di stato solido bidirezionale ad alta tensione media a base di IGCT, (b) Interruttore di stato solido bidirezionale ad alta tensione media a base di IGCT, (c) Interruttore di stato solido bidirezionale a base di GTO
Sono state proposte diverse topologie di SSCB. Tuttavia, la maggior parte di esse è per tensioni ≤ 1 kV, in particolare per correnti ≤ 1000 A. Si noti che uno degli aspetti più sfidanti della tecnologia SSCB è la perdita elevata in stato on, e sebbene alcuni articoli riportino un SSCB MV che soddisfa un livello di tensione MV come 6-15 kV, sono tipicamente per corrente nominale inferiore a 1000 A, ma la capacità di gestione della potenza richiesta sarebbe nell'ordine di alcune MW fino a decine di MW con almeno 3 moduli in parallelo (3P:3*3.72 MW).
Pertanto, lo sviluppo di un CB DC con una potenza nominale inferiore a 10 MW per le architetture future MVDC diventa quasi inutile. Le attuali tecnologie di semiconduttori di potenza non possono soddisfare tali valori di potenza; di conseguenza, gli SSCB per le architetture future MVDC non porteranno a un design compatto, efficiente e a basso costo. A questo riguardo, sono necessari ventilatori d'aria relativamente grandi con capacità intorno a sei mila piedi cubici al minuto e/o raffreddamento attivo ad acqua per i livelli multi-kilowatt di perdita in stato on previsti per correnti elevate.
Interruttori di corrente continua ad alta tensione media ibridi (HCBs):
Gli interruttori di corrente continua ad alta tensione media ibridi includono un percorso di conduzione della corrente e un percorso di interruzione della corrente.
Un interruttore ibrido combina le perdite in avanti eccezionalmente basse di un puro interruttore ultra-rapido con le prestazioni rapide di un interruttore a stato solido nel percorso parallelo. L'interruttore principale è posizionato su un percorso parallelo ed è composto da interruttori a stato solido in serie e parallelo collegati in serie.
È stato sviluppato un HCB modulare e un modulo come mostrato nella Fig. 2 con tensione e corrente nominali, e una capacità di interruzione della corrente di 6.2 kV e 600 A, rispettivamente.
È importante notare che la camera d'arco dell'interruttore ultra-rapido deve semplicemente generare una tensione sufficiente per far passare la corrente e facilitare la filosofia di parallelismo dei moduli. In tutti i disegni di SSCB e HCB, è necessario un disconnettore di corrente residua (RCD) e una resistenza shunt per misurare la corrente come mostrato nella Fig. 2. Quando la corrente scende a un valore basso specificato dalla corrente di fuga del varistor di ossido metallico (MOV), il disconnettore si apre, isolando il sistema e prevenendo qualsiasi corrente di fuga attraverso i semiconduttori e il MOV.
Fig 2: Interruttore di corrente continua ad alta tensione media ibrido
Il percorso principale dell'UFMS deve semplicemente generare una tensione sufficientemente alta per commutare la corrente all'interruttore IGBT completo parallelo. La resistenza dell'interruttore DC ausiliario, Rdson a 2 kA, e l'interruttore meccanico rapido devono essere inferiori a 20 mW per avere caratteristiche simili a un interruttore elettromeccanico. L'utilizzo di UFMS nel percorso principale comporta perdite in stato on e tensione in avanti inferiori rispetto a un SSCB completo.
Il design proposto può essere vantaggioso rispetto agli HCB ad alta tensione prodotti da ABB e Alstom, perché (1) non c'è perdita di semiconduttore in stato on, (2) il suo circuito di controllo sarà più semplice, e (3) il costoso "Power Electronic Switch" nel percorso principale, può essere evitato. Infatti, un solo UFMS può sostituire sia il "Power Electronic Switch" che il disconnettore rapido proposto da ABB per il percorso principale.
Tuttavia, è necessario assicurare che la resistenza di contatto dell'UFMS non superi quella equivalente dei contatti elettromeccanici e abbia la capacità di resistenza di trattenuta di 4.45×10-7 I2 N (cioè > 178 N per 10x di sovratensione a 2 kA nominale con fattore di sicurezza 2x o 356 N).
Interruttore meccanico ultra-rapido negli interruttori di corrente continua ad alta tensione media ibridi:
Le sfide per realizzare la filosofia menzionata sono (1) se tali interruttori ultra-rapidi possono essere sviluppati per livelli MV, (2) se la tensione dell'arco generata per la commutazione è sufficientemente alta, e (3) se lo stesso design è possibile per RCB. La risposta può essere SÌ per tutte le domande come discusso di seguito.
Gli attuatori a coil elettromagnetica Thomson (TC) che operano basandosi su forze attrattive o repulsive tra conduttori portanti corrente sono molto adatti per il commutatore rapido poiché possono raggiungere accelerazioni elevate attraverso un controllo preciso. Fino ad ora, sono state proposte e ben elaborate due tecniche basate su TC per interruttori meccanici ultra-rapidi, dove quella con coil in serie ha superato quella basata sull'induzione in termini di efficienza. Queste due tecniche sono state inoltre confrontate tramite modellazione multiphysics a elementi finiti.
È stato progettato e costruito un interruttore di limitazione di corrente di cortocircuito (FCLCB) monofase 12 kV (tensione nominale) e 2 kA (corrente nominale) / 20 kA (cortocircuito) e un FCLCB 24 kV, 3 kA / 40 kA che permette di estinguere l'arco senza alcun raffreddamento forzato dell'arco entro 100-300 μs.
L'interruttore rapido basato sull'induzione con corrente nominale di 7 kA accelera un contatto HCB di ~2 kg con un'accelerazione iniziale di ~44.900 m/s2 che risulta in una separazione di contatto di 4 mm dopo ~422 μs, sufficiente per resistere a una tensione nominale dell'interruttore di 3 kV.
Questo movimento rapido dovrebbe essere smorzato alla fine del percorso per prevenire l'iper-travaso, il rimbalzo, la fatica e altri effetti indesiderati.
