Vidējā sprieguma Gāzes līdzstrāvas īstenošanas tipi un lietojums

Vidējas sprieguma Gāzes (G) līknišķējās izolētās apgaismojuma (LV) un vidējas sprieguma (MV) sistēmas ir piemērotas lietošanai kuģos, pilsētu metrotrenēs, elektrotraucējos, mikrotīklās (elektromobiļi), sadalītajā ģenerācijā (saules enerģija) un akumulatoru bāzētajās sistēmās (datu centri).

Salīdzinoši zema šķērsgrieža impedancē G sistēmā rada augstākas īsā gāzes amplitūdas. Turklāt, jo transformatora vijas neietver kopējo laika konstanti G sistēmās, kopējā laika konstante samazinās, un īsā gāze var sasniedzt augstus pieauguma laikus, kas var būt tikai daži milisekundes. Var notikt arī sprieguma sabrukums, kur nodrošināt vismaz 80% no nominālā G sprieguma ir nosacījums, lai sprieguma avota pārveidotāja (VSC) stacija strādātu normāli.

Lai minimizētu pārveidotāja darbības traucējumus, kļūda jānovērš pāris milisekundēs, it īpaši stacijām, kas nav savienotas ar defektāko līniju vai kabeļu.

Vidējas sprieguma G līknišķējās izolētās apgaismojuma (LV) un vidējas sprieguma (MV) tirgū esošo līknišķēju tipi:
Trīs galvenie līknišķēju tipi LVDC un MVDC tirgū ir solid-state līknišķēji (SSCB), mehāniskie līknišķēji (MCB) un hibrīdlīknišķēji (HCB), kas ir SSCB paralēli ar ultrā ātru mehānisko slēdzi (UFMS).

Parastie gaiss un SF6 balstīti LV un MV AC MCB ir ierobežoti tikai ar dažiem kilovoltiem un dažiem amperiem G pārtraukumu spēju.

Solid-state vidējas sprieguma G līknišķēji:
SSCB topoloģijas parasti balstās uz noteiktu Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCT), Gate Turn-Off Thyristors (GTO) vai Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT) skaitu, kas savienoti sērijā. Lai arī atbildes laiki ir ļoti ātri, viens trūkums ir nozīmīgie darba stāvokļa zaudējumi, kas parasti ir 15-30% no VSC stacijas zaudējumiem.

Augstās komponentu izmaksas, trūkst galvaniskās izolācijas un nepietiekama termiskā absorbēšanas spēja ir citi trūkumi.

Attēls 1 parāda dažus solid-state vidējas sprieguma G līknišķēju dizainus:

Attēls 1: a) IGCT balstīts vidējas sprieguma divvirziena solid-state līknišķējs, (b) IGCT balstīts vidējas sprieguma divvirziena solid-state līknišķējs, (c) GTO balstīts divvirziena solid-state līknišķējs

Ir piedāvātas dažādas SSCB topoloģijas. Tomēr, lielākoties tās ir voltāžai ≤ 1 kV, it īpaši mazām strāvēm ≤ 1000 A. Jāatzīmē, ka viens no sarežģītākajiem aspektiem SSCB tehnoloģijā ir augsts darba stāvoklis un, lai gan daži raksti ziņo par MV SSCB, kas apmierina MV voltāžas līmeni, piemēram, 6-15 kV, tos parasti aprēķina ar mazāku par 1000 A nomērēto strāvi, bet nepieciešamais enerģijas apstrādes spēks būtu jābūt dažiem MW līmenī līdz desmitiem MW ar vismaz 3 paralēlajām modulēm (3P:3*3.72 MW).

Tādējādi, MVDC arhitektūrai nākotnē ar nomērēto jaudu mazāk par 10 MW kļūst gandrīz bezjēdzīgi. Pašreizējās jaudas poluprovadītāju tehnoloģijas nevar apmierināt šādas jaudas rādītājus; tādējādi, SSCB nākotnes MVDC arhitektūrai neatrisinās augstu efektivitātes, ekonomiski rentablu un kompakto dizainu. Šajā saistībā, salīdzinoši lieli gaisa ventilatori ar jaudu aptuveni seši tūkstoši kubikmetru minūtē un/vai aktīva ūdens dzesēšana ir nepieciešami multi-kilowatt darba stāvokla zaudējumiem, ko paredz augstām strāvēm.

Hibrīdvidējas sprieguma G līknišķēji (HCB):
Hibrīdvidējas sprieguma G līknišķēji ietver strāves vedīšanas ceļu un strāves pārtraukšanas ceļu.

Hibrīdlīknišķējs kombinē ļoti zemos priekšgrieža zaudējumus čists ultrāātrā slēdza ar solid-state līknišķēja ātro veiktspēju paralēlā ceļā. Galvenais līknišķējs atrodas paralēlā ceļā un sastāv no sērijā un paralēli savienotiem solid-state slēdžiem, kas savienoti sērijā.

Izstrādāts modulārs HCB un viena module, kā parādīts Attēlā 2, ar nomērēto spriegumu un strāvi, un strāves pārtraukšanas spēju 6.2 kV un 600 A attiecīgi.

Jāatzīmē, ka ultrāātrā slēdza loks izveido tikai pietiekamu spriegumu, lai pārnestu strāvi un veicinātu moduļu paralēlo filozofiju. Visos SSCB un HCB dizainos, kā parādīts Attēlā 2, nepieciešams atlikušās strāves atslēgšanas (RCD) un šuntas rezistora, lai mērītu strāvi. Kad strāve samazinās līdz metaliskā oksīda varistora (MOV) cirkulācijas strāvei norādītajam zemajam vērtībai, atslēgšanas diskrēss atveras, izolējot sistēmu un novēršot jebkuru cirkulācijas strāvi caur poluprovadītājiem un MOV.

Attēls 2: Hibrīdvidējas sprieguma G līknišķējs

Galvenā ceļa UFMS tikai jāizveido pietiekami augsts spriegums, lai pārnestu strāvi uz paralēlo pilnu IGBT līknišķēju. Palīgdirekta G līknišķēja Rdson 2 kA un ātra mehāniskā slēdza rezistence jābūt mazākai par 20 mW, lai būtu līdzīgas īpašības elektromehāniskam līknišķējam. UFMS izmantošana galvenajā ceļā radīs mazākus darba stāvokla zaudējumus un priekšgrieža spriegumu nekā pilns SSCB.

Izstrādātais dizains var būt izdevīgs salīdzinājumā ar augstā sprieguma HCB, ko ražo ABB un Alstom, jo (1) nav darba stāvokla poluprovadītāju zaudējumu, (2) tā kontroles shēma būs vienkāršāka, un (3) dārgs "Power Electronic Switch" galvenajā ceļā, var tikt izvairīts. Patiesībā, tikai viens UFMS var aizstāt gan "Power Electronic Switch", gan ABB piedāvāto ātro atslēgu galvenajā ceļā.

Tomēr, jānodrošina, ka UFMS kontaktu rezistence nav lielāka par līdzīgajiem elektromehāniskajiem kontaktiem un spēj uzturēt 4.45×10-7 I2 N (t.j. > 178 N 10 reizes pie 2 kA nomērētā ar drošības koeficientu 2x vai 356 N).

Ultrāātrs mehāniskais slēdis vidējas sprieguma hibrīd G līknišķējā:
Realizēšanas izaicinājumi ir (1) vai tādi ultrāātrie slēdži var tikt izstrādāti MV līmeņiem, (2) vai luka sprieguma izveidošana pārnestai strāvei ir pietiekami augsta, un (3) vai tas pašā dizains ir iespējams RCB. Atbilde var būt JĀ visiem jautājumiem, kā tiek apspriests tālāk.

Elektromagnētiskie Thomson coil (TC) aktuatori, kas darbojas pārmeklējot vai atstumot spēkus starp strāvas nesējiem, ir ļoti piemēroti ātrai pārslēgšanai, jo tie var sasniegt augstus paātrinājumus, kontrolējot precīzi. Līdz šim ir piedāvātas un labi izstrādātas divas TC balstītas tehnoloģijas ultrāātriem mehāniskajiem slēdžiem, kurā sērijas spuldzes izpildīja labāku efektivitāti nekā indukcijas balstītā. Šīs divas tehnoloģijas tika salīdzinātas, izmantojot Multiphysics finīte elementu modelēšanu.

Vienvadiju 12 kV (nominālais spriegums) un 2 kA (nominālā strāve) / 20 kA (īsā gāze) kļūdas strāves ierobežojošais līknišķējs (FCLCB) un 24 kV, 3 kA / 40 kA FCLCB, kas ļauj luku iznīcināt bez jebkādas piespiedu luka dzesēšanas 100-300 μs laikā, tika izstrādāts un izgatavots.

Indukcijas balstītais ātrs slēdis ar nominālo strāvi 7 kA paātrina HCB kontaktu aptuveni 2 kg ar sākotnējo paātrinājumu aptuveni 44,900 m/s2, kas rezultē 4 mm kontaktu atdalīšanos pēc aptuveni 422 μs, pietiekami, lai izturētu 3 kV nominālo slēdza spriegumu.

Šis ātrais kustības jāsamazina ceļa beigās, lai novērstu pārmērīgu ceļu, spraucienus, iznomāšanos un citus nevēlamus efektus.