中圧直流回路遮断器の種類と応用

中圧DC回路遮断器は、船舶、都市鉄道、電車、マイクログリッド（電気自動車）、分散発電（太陽エネルギー）、バッテリーを基盤とするシステム（データセンター）などの用途に適しています。

DCの場合、回路インピーダンスが比較的低いことから、短絡時の振幅が高くなります。さらに、トランスの巻線が全体の時間定数に寄与しないため、DCシステムでは全体の時間定数が縮小し、短絡の上昇時間が数ミリ秒以内になることもあります。また、電圧源コンバータ（VSC）ステーションが正常に動作するためには、名目上のDC電圧の少なくとも80%を維持することが前提条件であり、これが満たされないと電圧崩壊が起こる可能性があります。

変換器の運転障害を最小限に抑えるためには、特に故障した線路やケーブルに接続されていないステーションにおいて、故障を数ミリ秒以内に排除する必要があります。

市場にある中圧DC回路遮断器の種類：
LVDCおよびMVDC市場における主な回路遮断器の種類は、固体状態回路遮断器（SSCBs）、機械式回路遮断器（MCBs）、そして超高速機械スイッチ（UFMS）と並列に接続されたSSCBを組み合わせたハイブリッド回路遮断器（HCBs）です。

従来の空気およびSF6ベースのLVおよびMV AC MCBsは、数キロボルトと数アンペア程度のDC切断能力しかありません。

固体状態の中圧DC回路遮断器：
SSCBのトポロジーは通常、一定数の統合ゲート通電サイリスタ（IGCTs）、ゲートオフサイリスタ（GTOs）、または絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBTs）を直列に接続して構成されています。応答時間が非常に速い一方で、オン状態損失が通常、VSCステーションの損失の15-30%程度という大きな欠点があります。

部品コストが高いこと、ガルバニック絶縁がないこと、熱吸収容量が不十分であることも他の欠点です。

図1は、ある種の固体状態の中圧DC回路遮断器の設計を示しています：

図1：a) IGCTベースの中圧双方向固体状態回路遮断器、(b) IGCTベースの中圧双方向固体状態回路遮断器、(c) GTOベースの双方向固体状態回路遮断器

さまざまなSSCBトポロジーが提案されていますが、その多くは1 kV以下の電圧、特に1000 A以下の低電流向けです。SSCB技術において最も挑戦的な側面の一つは高いオン状態損失であり、一部の記事では6-15 kVのようなMV電圧レベルを満たすMV SSCBについて報告されていますが、それらは通常、1000 A未満の定格電流向けです。しかし、必要なパワーハンドリング容量は数MWから数十MWの範囲で、少なくとも3つの並列モジュール（3P:3*3.72 MW）が必要です。

したがって、将来のMVDCアーキテクチャ向けに10 MW未満の定格出力を持つDC CBを開発することはほとんど役に立ちません。現在のパワー半導体技術では、そのような出力レーティングを満たすことはできません。そのため、将来のMVDCアーキテクチャ向けのSSCBは、高効率かつコスト効果の高いコンパクトな設計につながらないでしょう。この点で、多キロワットレベルのオン状態損失に対応するために、毎分約6000立方フィートの空気送風機やアクティブウォーターコーリングが必要となります。

ハイブリッド中圧DC回路遮断器（HCBs）：
ハイブリッド中圧DC回路遮断器には、電流伝導パスと電流遮断パスが含まれています。

ハイブリッドブレーカーは、純粋な超高速スイッチの非常に低いフォワード損失と並列パスでの固体状態ブレーカーの迅速な性能を組み合わせています。メインブレーカーは並列パス上に配置され、直列に接続された固体状態スイッチのシリーズとパラレルで構成されています。

開発されたモジュラーHCBと、図2に示す1つのモジュールは、それぞれ6.2 kVの定格電圧と600 Aの定格電流、および電流遮断能力を持っています。

超高速スイッチのアークチャンバーは、単に電流を伝達し、モジュールの並列化哲学を実現するのに十分な電圧を生成する必要があることに注意してください。すべてのSSCBおよびHCB設計において、図2に示すように残存電流遮断器（RCD）と電流測定用のシャント抵抗が必要です。電流が金属酸化物バリスタ（MOV）の漏れ電流によって指定された低い値まで低下すると、遮断器が開き、システムを孤立させ、半導体とMOVを通じて任意の漏れ電流を防止します。

図2：ハイブリッド中圧DC回路遮断器

メインパスのUFMSは、電流を並列フルIGBTブレーカーに切り替えるのに十分な高電圧を生成するだけで十分です。補助DCブレーカーの抵抗Rdson（2 kA時）と高速機械スイッチの抵抗は、電磁気的回路遮断器と同様の特性を持つために20 mΩ以下である必要があります。メインパスでUFMSを使用することで、全SSCBよりも低いオン状態損失と前方電圧が得られます。

提案された設計は、ABBとAlstomが製造している高電圧HCBsよりも有益です。(1) 半導体のオン状態損失がない、(2) 制御回路が簡単になり、(3) メインパスに高価な「パワーエレクトロニックスイッチ」を避けることができます。実際、1つのUFMSだけで、「パワーエレクトロニックスイッチ」とABBが提案している高速遮断器を置き換えることができます。

ただし、UFMSの接触抵抗が同等の電磁気的接触抵抗以下であり、2 kA定格電流で10倍のインラッシュ電流に対する保持力（安全係数2倍または356 N）を有することを確認する必要があります。

中圧ハイブリッドDC回路遮断器の超高速機械スイッチ：
上記の哲学を実現するための課題は、(1) そのような超高速スイッチがMVレベルで開発できるかどうか、(2) コミュテーションのために十分なアーク電圧が生成できるかどうか、(3) RCBに対して同じ設計が可能かどうかです。これらの全ての質問に対する答えはYESであり、以下で説明します。

電流を流す導体間の吸引力または反発力に基づいて動作する電磁トムソンコイル（TC）アクチュエータは、精密な制御により高い加速度を達成できることから、高速スイッチングに非常に適しています。これまで、TCに基づく2つの技術が提案され、詳細に説明されており、直列コイルを使用する技術が誘導に基づく技術よりも効率的でした。これら2つの技術は、マルチフィジックス有限要素モデリングでも比較されました。

単相12 kV（定格電圧）および2 kA（定格電流）/ 20 kA（短絡電流）の故障電流制限回路遮断器（FCLCB）と24 kV、3 kA / 40 kA FCLCBは、強制的なアーク冷却なしで100-300 μs以内にアークを消去できるように設計・製造されました。

定格電流7 kAの誘導に基づく高速スイッチは、初期加速度約44,900 m/s²で約2 kgのHCB接触部を加速し、約422 μs後に4 mmの接触部分を分離し、3 kVの定格スイッチ電圧を耐えられるようにします。

この高速動作は、行程の最後で減衰させ、過行程、バウンス、疲労、その他の望ましくない影響を防ぐ必要があります。