Средноволтови DC прекинувачи - типови и применувања

Средното напонски DC прекинувачи се пригодни за применување во бродови, градски метро системи, електрични возови, микрогрмези (електромобили), распределена генерација (солнечна енергија) и системи базирани на батерија (дата центрови).

Релативно ниската импеданса на кружницата во случај на DC доведува до повисоки амплитуди на кратки замкнувања. Поради тоа што намотките на трансформаторите не допринашуваат до општата константа на времето во DC системите, општата константа на времето се намалува и краткото замкнување може да има временски период од само неколку милисекунди. Може да се случи и колапс на напонот, каде што поддржувањето на барем 80% од номиналниот DC напон е претпоставка за нормална работа на станцијата со напонска конверторска станција (VSC).

За минимизирање на прекинувањето на работата на конверторот, грешката мора да се исчисти во неколку милисекунди, особено за станции кои не се поврзани со дефектната линија или кабел.

Типови на средно напонски DC прекинувачи на пазарот:
Три главни типови на прекинувачи на LVDC и MVDC пазарите се тврдотелни прекинувачи (SSCBs), механички прекинувачи (MCBs) и хибридни прекинувачи (HCBs) што е комбинација од SSCB паралелно со ултра-брз механички прекинувач (UFMS).

Конвенционалните воздухни и SF6-базирани LV и MV AC MCBs имаат одредена DC пресечна способност ограничена само на неколку киловолти и неколку ампери.

Тврдотелни средно напонски DC прекинувачи:
Топологиите за SSCBs обично се базирани на одреден број на Интегрирани Вратични Комутаторски Тиристори (IGCTs), Гајт Терн Офф Тиристори (GTOs) или Изолирани Вратични Биполарни Транзистори (IGBTs), поврзани во серија. Иако временските периоди на одговор се неверојатно брзи, еден недостаток е значителните загуби во состојба на вклучување, обично во опсег од 15-30% од загубите на VSC станцијата.

Високите компонентни трошоци, недостаток на галиваничко изолирање и недостаточна термална капацитет се други недостатоци.

Слика 1 покажува некој вид дизајн на тврдотелен средно напонски DC прекинувач:

Слика 1: а) IGCT-базиран бидирекционален тврдотелен средно напонски прекинувач, (б) IGCT-базиран бидирекционален тврдотелен средно напонски прекинувач, (в) GTO-базиран бидирекционален тврдотелен прекинувач

Били предложени различни топологии на SSCB. Меѓутоа, повеќето од нив се за напони ≤ 1 кВ, посебно за ниски стројеви ≤ 1000 А. Треба да се забележи дека еден од најизазвајните аспекти на технологијата SSCB е високата загуба во состојба на вклучување, иако некои статии докладуваат дека MV SSCB задоволува MV ниво на напон како 6-15 кВ, тие типично се за номинални стројеви помали од 1000 А, но потребната капацитет за управување со моќ би требало да биде во неколку MW до неколку десетки MW со барем 3 паралелни модули (3P:3*3.72 MW).

Поради тоа, развојот на DC прекинувач со номинална моќ помала од 10 MW за идните MVDC архитектури станува скоро безполезен. Тековните технологии на полупроводници не можат да задоволат такви нивоа на моќ; поради тоа, SSCB-овите за идните MVDC архитектури не ќе доведат до многу ефикасен и економски рентабелен компактен дизајн. Во овој контекст, потребни се релативно големи зрачни дувачи со капацитет околу шест хиляди кубични стапи во минута и/или активно водено хлаѓање за многукиловатни нивоа на загуби во состојба на вклучување при високи стројеви.

Хибридни средно напонски DC прекинувачи (HCBs):
Хибридните средно напонски DC прекинувачи вклучуваат пат за проводна струја и пат за прекинување на струја.

Хибридниот прекинувач комбинира изузетно ниските загуби во напредната насока на чисто ултра-брз прекинувач со брзата функционалност на тврдотелен прекинувач во паралелен пат. Главниот прекинувач е поставен на паралелен пат и е составен од серија и паралелни тврдотелни прекинувачи поврзани во серија.

Развиен модуларен HCB и еден модул како што е прикажано на Слика 2 со номинални напон и строј, и способност за прекинување на струја од 6.2 кВ и 600 А, соодветно.

Забележливо е дека арковата камера на ултра-брз прекинувач просто мора да генерира доволен напон за комуникација на струја и да овозможи филозофијата на паралелно поврзување на модулите. Во сите дизајни на SSCB и HCB, потребен е резидуален прекинувач на струја (RCD) и паралелен резистор за мерење на струја како што е прикажано на Слика 2. Кога струјата се свртува до ниско вредност специфицирана со изтечната струја на металоксиден вариостат (MOV), прекинувачот се отвара, изолирајќи системот и спречувајќи било каква изтечна струја низ полупроводници и MOV.

Слика 2: Хибридни средно напонски DC прекинувач

Ултра-брзото UFMS на главниот пат само мора да генерира доволен напон за комутација на струја на паралелен IGBT прекинувач. Отпорот на помошниот DC прекинувач, Rdson при 2 kA, и брзото механичко прекинувач мора да биде помал од 20 mW за да има слични карактеристики како електромеханички прекинувач. Користејќи UFMS во главниот пат, се достигнуваат помали загуби во состојба на вклучување и напон во напредната насока од целосен SSCB.

Предложеното дизајн може да биде корисно над високонапонските HCBs произведени од ABB и Alstom, бидејќи (1) нема загуби на полупроводници во состојба на вклучување, (2) неговата контролна кола ќе биде попроста, и (3) скапиот „Power Electronic Switch“ во главниот пат, може да се избегне. Наскоро, само еден UFMS може да замени и „Power Electronic Switch“, и брзото одсечување предложено од ABB за главниот пат.

Меѓутоа, мора да се осигура дека контактниот отпор на UFMS не е повеќе од еквивалентните електромеханички контакти и има капацитет за оддржување на силата од 4.45×10-7 I2 N (т.е. > 178 N за 10x захлев на 2 kA номинален со фактор на безбедност 2x или 356 N).

Ултра-брз механички прекинувач во хибридни средно напонски DC прекинувачи:
Изазвањата за реализирање на споменатата филозофија се (1) дали такви ултра-брзи прекинувачи можат да се развијат за MV нивоа, (2) дали градењето на напонот на арката за комутација е доволно високо, и (3) дали истата дизајн е можно за RCB. Одговорот може да биде ДА за сите прашања како што е дискутирано подолу.

Електромагнетните Thomson coil (TC) актуатори кои работат на основа на привлекување или одбијање на силите меѓу проводници со стројева се многу прилагодени за брзо прекинување бидејќи можат да постигнат високи акцелерации преку прецизна контрола. До сега, две техники базирани на TC биле предложени и добро детајлизирани за ултра-брзи механички прекинувачи, каде што онаа со серијски катушки надминува онаа базирана на индукција во однос на ефикасност. Овие две техники исто така беа споредени со Multiphysics конечен елемент моделирање.

Еднофазен 12 кВ (номинален напон) и 2 kA (номинален строј) / 20 kA (кратко замкнување) прекинувач за ограничување на краткосрочни струји (FCLCB) и 24 кВ, 3 kA / 40 kA FCLCB кои овозможуваат затрушување на арката без никакво приморано хлаѓање на арката во 100-300 μs беа дизајнирани и изградени.

Брзото прекинувач базирано на индукција со номинален строј од 7 kA акцелерира HCB контакт од ~2 kg со почетна акцелерација од ~44,900 m/s2 што резултира во 4 mm контактно раздвојување после ~422 μs, доволно за оддржување на номинален напон на прекинувачот од 3 kV.

Овој брз движење треба да се демпира на крајот на патот за да се спречи прекомерен пат, одскок, умор и други нежелани ефекти.