Circuitores Interruptores Media Tensio Directa et Applicationes

Circuitus interruptores directi mediae tensionis sunt apti ad usus in navibus, subterraneis urbanis, trenis electricis, microreticulis (vehiculis electricis), generatione distributa (energia solari), et systematibus basatis super baterias (centra data).

Impedentia circuiti comparativae parva in casu directo ducit ad amplitudines maiores circuitorum brevium. Praeterea, quia spira transformer non contribuit ad constantem temporalem totalem in systematibus directis, constans temporalis totalis diminuitur, et circuitus brevis potest habere tempora incrementi tam brevia quam pauci millisecondes. Collapsus tensionis quoque evenire potest ubi conservatio saltem octoginta percent nominale tensionis directae est praecognitio ut statio converteris tensionis (VSC) normaliter operetur.

Ut conversionis operationis interruptiones minuantur, fautus debet elimini intra paucos millisecondes, praesertim pro stationibus non coniunctis cum linea vel cablo fautis.

Typi circuitorum interruptorum directi mediae tensionis in mercato:
Tres principes typi circuitorum interruptorum in mercatis LVDC et MVDC sunt circuiti interruptores solid-state (SSCBs), circuiti interruptores mechanicis (MCBs), et circuiti interruptores hybridi (HCBs) qui est mixtura SSCB in parallelo cum commutatore mecanico ultra-rapido (UFMS).

Conventuales aeris et SF6-based LV et MV AC MCBs habent certam capacitate interruptoris directi limitata ad tantum paucos kilovolts et paucos Ampers.

Circuiti interruptores solid-state mediae tensionis directi:
Topologias pro SSCBs sunt saepe basatae super certo numero Thyristorum Commutatorum Porta Integrata (IGCTs), Thyristoris Comutatorum Gate Turn-Off (GTOs), vel Transistoribus Bipolaribus Insulatis Porta (IGBTs), coniunctis in serie. Quamquam tempora responsionis sunt incredibiliter celeres, unum disadventagium est onera substantiales in stato-on quae sunt saepe in range 15-30% onerum stationis VSC.

Costus componentum altus, defectus isolationis galvanicae, et capacitas absorptionis thermicae inadeguata sunt alii disadventagia.

Figura 1 monstrat quoddam design circuiti interruptoris solid-state mediae tensionis directi:

Figura 1: a) circuitus interruptor bidirectionalis mediae tensionis basatus super IGCT, (b) circuitus interruptor bidirectionalis mediae tensionis basatus super IGCT, (c) circuitus interruptor bidirectionalis basatus super GTO

Diversae topologiae SSCB sunt propositae. Tamen, plures sunt pro tensionibus ≤ 1 kV, praesertim pro currentibus parvis ≤ 1000 A. Notandum est quod unum ex aspectibus maxime difficilibus technologiae SSCB est onus altum in stato-on, et, licet aliquot articuli reportent SSCB MV satisfacientem niveli tensionis MV sicut 6-15 kV, illae sunt saepe pro currente nominale minus quam 1000 A, sed capacitas potenti handling requiritur in range aliquot MW ad deceminales MW cum saltem 3 modulis parallelis (3P:3*3.72 MW).

Ita, developing circuitus interruptoris directi cum potencia nominale minor quam 10 MW pro futuris architecturis MVDC fere inutilis fit. Technologiae semiconductoriae actuales non possunt tali potencia satisfacere; consequenter, SSCBs pro futuris architecturis MVDC non ducunt ad design compactum cost-effectivum altum efficientiam. In hac re, relativa magni ventilatores aerei cum capacitatum circa sex milia cubic feet per minutum et/vel cooling aquae activa necessaria sunt pro multi-kilowatt niveis oneri in stato-on expectati pro currentibus altis.

Circuiti interruptores hybridi mediae tensionis directi (HCBs):
Circuiti interruptores hybridi mediae tensionis directi includunt viam conductionis currentis et viam interruptionis currentis.

Combinatur circuitus interruptor ultra-rapidus cum performance rapida circuiti interruptoris solid-state in via parallela. Circuitus principalis collocatur in via parallela et consistit ex commutationibus solid-state in serie et parallelo coniunctis in serie.

Modularis HCB et unus modus sicut in Figura 2 cum tensione et currente nominale, et capacitate interruptionis currentis 6.2 kV, et 600 A, respectivo.

Notandum est quod camera arcus commutatoris ultra-rapidus simpliciter debet generare tensionem sufficiens ad communicandum currentem et facilitando philosophiam parallelismi modulorum. In omnibus design SSCB et HCB, disconnector residuae currentis (RCD) et resistor shunt ad mensurandum currentem sicut in Figura 2 necessarius est. Quando currentus demittitur ad valorem parvum definitum per currentem defluxum varistoris oxidis metallici (MOV), disconnector aperit, isolando systema et praeveniendo omne currentem defluxum per semiconductores et MOV.

Figura 2: Circuitus interruptor hybridi mediae tensionis directi

Via principalis UFMS simpliciter debet generare tensionem sufficiens ad commutandum currentem ad circuitum interruptoris IGBT full in parallelo. Resistentia circuiti interruptoris auxiliaris DC, Rdson at 2 kA, et commutator mecanicus ultra-rapidus debet esse minor quam 20 mW ut habeat similes characteristicae circuito interruptori electromechanico. Utilizando UFMS in via principali resultat in minoribus oneris in stato-on et tensione antecedente quam circuitus interruptor full SSCB.

Design propositus potest esse beneficium super circuitis interruptoribus hybridis altae tensionis manufacturatis ab ABB et Alstom, quia (1) non est onus semiconductore in stato-on, (2) circuitus control erit simplicior, et (3) carus "Power Electronic Switch" in via principali, potest evitari. Enimvero, tantum unus UFMS potest substituere tam "Power Electronic Switch" quam disconnector rapidus propositus ab ABB pro via principali.

Tamen, oportet securari quod resistentia contactus UFMS non sit plus quam contactus equivalentes electromechanici et habeat capacitas forti tenendi 4.45×10-7 I2 N (i.e > 178 N pro 10x in-rush at 2 kA nominale cum factor safety 2x vel 356 N).

Commutator mecanicus ultra-rapidus in circuitu interruptore hybrido mediae tensionis directi:
Difficultates ad realisationem philosophiae mentionatae sunt (1) si tales commutatores ultra-rapidos possint developer pro nivibus MV, (2) si constructio tensionis arcus ad commutationem sit satis alta, et (3) si idem design possibile sit pro RCB. Responsum potest esse YES ad omnes questiones sicut discutitur infra.

Actuatores electromagnetic Thomson coil (TC) operantes super viribus attractivis vel repulsivis inter conductores portantes currentem sunt valde apti ad commutationem celerem quia possunt obtinere accelerationes altas per control precisionis. Hactenus, duae technicae basatae super TC sunt propositae et bene elaboratae pro commutatoribus mecanicis ultra-rapidis, ubi una cum bobinabus in serie superavit alteram basatam super inductionem in terminis efficientiae. Haec duae technicae comparatae sunt etiam per modeling finitum elementorum multiphysicum.

Unus phase 12 kV (tensione nominale) et 2 kA (currente nominale) / 20 kA (circuitus brevis) circuitus interruptor limitans currentem fautum (FCLCB) et 24 kV, 3 kA / 40 kA FCLCB permittens arcum extinguendum sine ullo refrigeratione arcus forzata intra 100-300 μs fuerunt designati, constructi.

Commutator rapidus basatus super inductione cum currente nominale 7 kA accelerat contactum HCB de ~2 kg cum acceleratione initiali de ~44,900 m/s2 quod resultat in separatione contactus 4 mm post ~422 μs, satis ad sustinendum tensionem nominalem commutatoris 3 kV.

Hoc motus celer debet dampnari ad finem itineris ut preveniat over-travel, bounce, fatigue, et alia effecta indesiderabilia.