중간전압 직류 회로 차단기 유형 및 응용 분야

중간 전압 직류 회로 차단기는 선박, 도시 지하철, 전기 기차, 마이크로그리드(전기 자동차), 분산 발전(태양 에너지), 배터리 기반 시스템(데이터 센터) 등에 적합합니다.

직류의 경우 상대적으로 낮은 회로 임피던스로 인해 단락 고장의 진폭이 더 높아집니다. 또한 변압기 와인딩이 DC 시스템의 전체 시간 상수에 기여하지 않기 때문에, 전체 시간 상수가 줄어들고 단락 고장의 상승 시간이 몇 밀리초로 매우 짧아질 수 있습니다. 전압 소스 컨버터(VSC) 스테이션이 정상적으로 작동하기 위해서는 최소한 명목상의 DC 전압의 80%를 유지해야 하는 전압 붕괴도 발생할 수 있습니다.

컨버터 작동 중단을 최소화하려면 특히 고장난 선이나 케이블과 연결되지 않은 스테이션의 경우 몇 밀리초 내에 고장을 제거해야 합니다.

시장에서 판매되는 중간 전압 DC 회로 차단기 유형:
LVDC 및 MVDC 시장에서 주요 회로 차단기 유형은 고체 상태 회로 차단기(SSCBs), 기계식 회로 차단기(MCBs), 그리고 초고속 기계 스위치(UFMS)와 병렬로 구성된 하이브리드 회로 차단기(HCBs)입니다.

기존의 공기 및 SF6 기반 LV 및 MV AC MCBs는 몇 킬로볼트와 암페어 정도의 DC 차단 능력이 제한적입니다.

고체 상태 중간 전압 DC 회로 차단기:
SSCBs의 위상은 일반적으로 일정 수의 통합 게이트 교환 트랜지스터(IGCTs), 게이트 오프 트랜지스터(GTOs), 또는 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBTs)가 직렬로 연결되어 있습니다. 응답 시간은 매우 빠르지만, 한 가지 단점은 VSC 스테이션 손실의 15-30% 범위 내에서 상당한 온 상태 손실이 발생한다는 것입니다.

높은 구성 요소 비용, 갈바닉 격리 부족, 열 흡수 용량 부족 등이 다른 단점입니다.

그림 1은 일부 고체 상태 중간 전압 DC 회로 차단기 설계를 보여줍니다:

그림 1: a) IGCT 기반 중간 전압 양방향 고체 상태 회로 차단기, (b) IGCT 기반 중간 전압 양방향 고체 상태 회로 차단기, (c) GTO 기반 양방향 고체 상태 회로 차단기

다양한 SSCB 위상이 제안되었습니다. 그러나 대부분은 1 kV 이하의 전압, 특히 1000 A 이하의 저 전류에 대해 제안되었습니다. SSCB 기술의 가장 어려운 측면 중 하나는 고온 상태 손실이며, 일부 논문에서는 6-15 kV와 같은 MV 전압 수준을 만족하는 MV SSCB를 보고하고 있지만, 이들은 일반적으로 1000 A 미만의 정격 전류에 대해 제안되었습니다. 그러나 필요한 전력 처리 용량은 최소 3개의 병렬 모듈(3P:3*3.72 MW)로 몇 MW에서 수십 MW 범위여야 합니다.

따라서 미래의 MVDC 아키텍처를 위한 10 MW 미만의 정격 전력을 가진 DC CB 개발은 거의 무용지물이 됩니다. 현재의 전력 반도체 기술은 이러한 전력 등급을 충족할 수 없으며, 결과적으로 미래의 MVDC 아키텍처를 위한 SSCBs는 효율적이고 경제적인 컴팩트한 설계로 이어지지 않습니다. 이에 따라, 고 전류에서 예상되는 멀티 킬로와트 수준의 온 상태 손실을 위해 6천 입방 피트 분량의 대형 공기 블로워와/또는 활성 수 냉각이 필요합니다.

하이브리드 중간 전압 DC 회로 차단기(HCBs):
하이브리드 중간 전압 DC 회로 차단기는 전류 전도 경로와 전류 차단 경로를 포함합니다.

하이브리드 차단기는 순수 초고속 스위치의 매우 낮은 전방 손실과 병렬 경로에서의 고체 상태 차단기의 빠른 성능을 결합합니다. 메인 차단기는 병렬 경로에 위치하며, 직렬로 연결된 일련의 고체 상태 스위치로 구성됩니다.

개발된 모듈형 HCB와 그림 2에 표시된 하나의 모듈은 각각 6.2 kV, 600 A의 정격 전압과 전류, 그리고 6.2 kV, 600 A의 전류 차단 능력을 가지고 있습니다.

초고속 스위치의 아크 챔버는 단순히 모듈의 병렬 철학을 촉진하기 위해 전류를 전달하기에 충분한 전압을 생성하면 됩니다. 모든 SSCB와 HCB 설계에서 잔류 전류 차단기(RCD)와 그림 2에 표시된 전류를 측정하기 위한 분배 저항이 필요합니다. 전류가 금속 산화물 바리스터(MOV)의 누설 전류로 지정된 낮은 값으로 떨어지면, 차단기가 열려 시스템을 격리하고 반도체와 MOV를 통한 누설 전류를 방지합니다.

그림 2: 하이브리드 중간 전압 DC 회로 차단기

메인 경로의 UFMS는 단순히 전류를 병렬 IGBT 차단기로 전환하기에 충분한 전압을 생성하면 됩니다. 보조 DC 차단기의 저항, Rdson at 2 kA, 그리고 빠른 기계식 스위치는 전자기계식 회로 차단기와 유사한 특성을 갖기 위해 20 mW 미만이어야 합니다. 메인 경로에서 UFMS를 활용하면 전체 SSCB보다 낮은 온 상태 손실과 전방 전압을 가집니다.

제안된 설계는 ABB와 Alstom이 제조한 고전압 HCBs보다 유익할 수 있습니다. (1) 온 상태 반도체 손실이 없으며, (2) 제어 회로가 더 간단하며, (3) 메인 경로의 고가의 "파워 전자 스위치"를 피할 수 있기 때문입니다. 실제로, 하나의 UFMS만으로 ABB가 메인 경로를 위해 제안한 "파워 전자 스위치"와 빠른 차단기를 모두 대체할 수 있습니다.

그러나 UFMS 접촉 저항이 동등한 전자기계식 접촉과 같거나 그 이상이고, 4.45×10-7 I2 N(즉, 2 kA 정격 전류에서 안전 계수 2x 또는 356 N으로 10x 인rush 시 178 N 이상)의 견디는 유지력이 있어야 함을 확인해야 합니다.

중간 전압 하이브리드 DC 회로 차단기에서의 초고속 기계 스위치:
언급된 철학을 실현하기 위한 과제는 (1) 이러한 초고속 스위치가 MV 수준에서 개발될 수 있는지, (2) 전환을 위한 아크 전압의 축적이 충분히 높은지, (3) RCB에서도 같은 설계가 가능한지입니다. 아래에서 논의하겠지만, 모든 질문에 대한 답변은 "예"일 수 있습니다.

전류를 운반하는 도체 사이의 매력 또는 반발력에 기반하여 작동하는 전자기 톰슨 코일(TC) 액추에이터는 정확한 제어를 통해 높은 가속도를 달성할 수 있어 빠른 스위칭에 매우 적합합니다. 지금까지 TC를 기반으로 한 두 가지 기술이 제안되고 잘 설명되었으며, 직렬 코일을 사용한 기술이 유도를 기반으로 한 기술보다 효율성이 뛰어났습니다. 이 두 가지 기술은 또한 다중 물리 유한 요소 모델링을 통해 비교되었습니다.

단일 위상 12 kV(명목 전압) 및 2 kA(명목 전류)/20 kA(단락 고장) 고장 전류 제한 회로 차단기(FCLCB)와 24 kV, 3 kA/40 kA FCLCB는 강제 아크 냉각 없이 100-300 μs 내에 아크를 소멸시키도록 설계 및 제작되었습니다.

7 kA 정격 전류를 가진 유도 기반 빠른 스위치는 ~2 kg의 HCB 접점을 초기 가속도 ~44,900 m/s2로 가속하여 ~422 μs 후에 4 mm 접점 분리를 달성하며, 이는 3 kV의 정격 스위치 전압을 견딜 수 있는 충분한 거리입니다.

이 빠른 움직임은 여행의 끝에서 덜어져야 하며, 과도한 여행, 튀김, 피로, 기타 불필요한 효과를 방지해야 합니다.