मध्य वोल्टेज डीसी सर्किट ब्रेकर के प्रकार और अनुप्रयोग

मध्यम वोल्टेज डीसी सर्किट ब्रेकरहरू जहाज, शहरी मेट्रो, इलेक्ट्रिक ट्रेन, माइक्रोग्रिड (इलेक्ट्रिक वाहन), वितरित उत्पादन (सौर ऊर्जा), र बैटरी आधारित प्रणाली (डेटा केन्द्र) जस्ता अनुप्रयोगहरूमा उपयुक्त हुन्छन्।

डीसी मामलामा अपेक्षाकृत कम विद्युत प्रतिरोधले छोटो विद्युत लगामको उच्च आयाम उत्पन्न गर्छ। यसके अलावा, डीसी प्रणालीमा ट्रान्सफार्मर वाइंडिङहरू एकैकालीन समय स्थिरांकमा योगदान नदिन्छ, त्यसैले समग्र समय स्थिरांक कम हुन्छ र छोटो विद्युत लगामको उत्पन्न हुने समय छ या मिलिसेकेण्ड भन्दा ठूलो हुन सक्छ। वोल्टेज कोलेप्स भन्दा पनि हुन सक्छ, जहाँ नामित डीसी वोल्टेजको कमता ८०% बनाए राख्नु वोल्टेज स्रोत कन्वर्टर (VSC) स्टेशनलाई सामान्य रूपमा काम गर्न आवश्यक छ।

कन्वर्टरको संचालन अवरोधको न्यूनतम गर्न, फ़ाउल्टलाई केवल केही मिलिसेकेण्डभित्र खाली गर्नुपर्छ, विशेष गरी यस्ता स्टेशनहरू फ़ाउल्ट भएको लाइन वा केबलसँग जोडिएको छैन।

बाजारमा उपलब्ध मध्यम वोल्टेज डीसी सर्किट ब्रेकरको प्रकार:
LVDC र MVDC बाजारमा तीन प्रमुख प्रकारका सर्किट ब्रेकरहरू छन्: सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर (SSCBs), मेकानिकल सर्किट ब्रेकर (MCBs), र हाइब्रिड सर्किट ब्रेकर (HCBs) जसले SSCB र अत्यधिक फास्ट मेकानिकल स्विच (UFMS) को समान्तर मिलाइ गरिएको छ।

पारम्परिक एअर र SF6-आधारित LV र MV AC MCBs छ केही किलोवोल्ट र केही ऐम्परसम्म केवल डीसी अवरोधन क्षमता छ।

सोलिड-स्टेट मध्यम वोल्टेज डीसी सर्किट ब्रेकर:
SSCBs को टोपोलोजी अक्सर एक निश्चित संख्याका इन्टिग्रेटेड गेट कम्युटेटेड थ्रिस्टर्स (IGCTs), गेट टर्न-ऑफ थ्रिस्टर्स (GTOs), वा इन्सुलेटेड गेट बिपोलर ट्रान्जिस्टर्स (IGBTs) को श्रृंखला में जोडिएको छ। यद्यपि प्रतिक्रिया समय अत्यधिक शीघ्र छ, एक दुर्गुण यो छ कि विद्युत चालक निर्माण स्टेशनको नाटकीय नुकसानको १५-३०% भित्र उच्च अवस्थित नुकसान छ।

उच्च घटक लागत, गैल्वेनिक अलगावको अभाव, र अपर्याप्त तापीय अवशोषण क्षमता अन्य दुर्गुणहरू छन्।

आंकडा १ एक प्रकारको सोलिड-स्टेट मध्यम वोल्टेज डीसी सर्किट ब्रेकर डिझाइन देखाउँछ:

आंकडा १: a) IGCT आधारित मध्यम वोल्टेज द्विदिशात्मक सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर, (b) IGCT आधारित मध्यम वोल्टेज द्विदिशात्मक सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर, (c) GTO आधारित द्विदिशात्मक सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर

विभिन्न SSCB टोपोलोजीहरू प्रस्ताव गरिएका छन्। तर, तिनीहरूको अधिकांश वोल्टेज ≤ १ किलोवोल्ट, विशेष गरी निम्न ऐम्पर ≤ १००० A को लागि छन्। याद राख्नुहोस् कि SSCB प्रविधिको एक अत्यधिक चुनौतीपूर्ण पक्ष यो छ: उच्च अवस्थित नुकसान, र केही लेखहरूले ६-१५ किलोवोल्ट जस्ता MV वोल्टेज स्तर बनाउन सक्ने MV SSCB बारे रिपोर्ट गरेका छन्, तर उनीहरू अधिकतर १००० A भन्दा कम निर्धारित ऐम्परको लागि छन्, तर आवश्यक शक्ति निर्वहन क्षमता केही MW देखि दहा टेन MW भित्र हुनुपर्छ त्यसका लागि कम्तिमा ३ समान्तर माड्यूल (३P:३*३.७२ MW) आवश्यक छ।

त्यसैले, भविष्यको MVDC विन्यासको लागि १० MW भन्दा कम निर्धारित शक्तिको डीसी CB विकसित गर्न लगभग अप्रयोजनी हुन्छ। वर्तमान विद्युत अर्धचालक प्रविधिहरू यस्ता शक्ति रेटिंग भन्दा उच्च शक्ति निर्वहन गर्न सक्दैन; त्यसैले, भविष्यको MVDC विन्यासको लागि SSCBs उच्च दक्षताको साथ लागत-प्रभावी छोटो डिझाइन नहुने नहुने छ। यस संदर्भमा, उच्च ऐम्परको लागि अपेक्षित बहु-किलोवाट स्तरको अवस्थित नुकसानको लागि छह हजार घन फुट प्रति मिनेट र या अधिक क्षमताको साथ सापेक्ष ठूलो हवा ब्लाउर र/वा सक्रिय पानी जलन आवश्यक छ।

हाइब्रिड मध्यम वोल्टेज डीसी सर्किट ब्रेकर (HCBs):
हाइब्रिड मध्यम वोल्टेज डीसी सर्किट ब्रेकरहरू एक धारा चालन मार्ग र एक धारा अवरोधन मार्ग छन्।

एक हाइब्रिड ब्रेकर पुरे अत्यधिक फास्ट स्विचको अत्यधिक कम अगाडी नुकसान र समान्तर मार्गमा सोलिड-स्टेट ब्रेकरको शीघ्र प्रदर्शनलाई जोड्छ। मुख्य ब्रेकर समान्तर मार्गमा राखिएको छ र यसलाई श्रृंखला र समान्तर सोलिड-स्टेट स्विचहरू श्रृंखला में जोडिएको छ।

आंकडा २ मा देखाएको एक माड्यूलर HCB र एक माड्यूल निर्धारित वोल्टेज र ऐम्पर, र ६.२ किलोवोल्ट, र ६०० ऐम्पर भन्दा उच्च धारा अवरोधन क्षमता छ।

याद राख्नुहोस् कि अत्यधिक फास्ट स्विचको आर्क चेम्बर फक्त धारा चालन र माड्यूलहरूको समान्तर दर्शन फिलासफीलाई सुविधाजनक बनाउन सक्ने पर्याप्त वोल्टेज उत्पन्न गर्नुपर्छ। सबै SSCB र HCB डिझाइनहरूमा, एक अवशिष्ट धारा डिस्कनेक्टर (RCD) र धारा मापनको लागि एक शुंट रेसिस्टर (आंकडा २ मा देखाएको) आवश्यक छ। जब धारा धातु ऑक्साइड वेरिस्टर (MOV)को लीक धारा द्वारा निर्धारित केही निम्न मानमा गिर्छ, डिस्कनेक्टर खुल्छ, प्रणाली अलग गर्छ र अर्धचालक र MOV मार्फत लीक धारालाई रोक्छ।

आंकडा २: हाइब्रिड मध्यम वोल्टेज डीसी सर्किट ब्रेकर

मुख्य मार्गको UFMS फक्त धारा लाई पूर्ण IGBT ब्रेकरको समान्तर मार्गमा चलान गर्न पर्याप्त उच्च वोल्टेज उत्पन्न गर्नुपर्छ। अनुकूल डीसी ब्रेकरको प्रतिरोध, Rdson at २ kA, र फास्ट मेकानिकल स्विचको लागि २० mW भन्दा कम हुनुपर्छ जसले इलेक्ट्रोमेकानिकल सर्किट ब्रेकर जस्ता विशेषता दिन्छ। मुख्य मार्गमा UFMS प्रयोग गर्ने देखि उच्च अवस्थित नुकसान र अगाडी वोल्टेज फास्ट SSCB भन्दा कम हुन्छ।

प्रस्तावित डिझाइन ABB र Alstom द्वारा निर्मित उच्च वोल्टेज HCBs भन्दा फाइदा हुन सक्छ, किनकि (१) यसमा अवस्थित अर्धचालक नुकसान छैन, (२) यसको नियंत्रण सर्किट साधारण हुनेछ, र (३) मुख्य मार्गमा अमान्य "पावर इलेक्ट्रोनिक स्विच" बाहेक राखिन सकिन्छ। वास्तवमा, एक UFMS फक्त दुई "पावर इलेक्ट्रोनिक स्विच" र ABB द्वारा मुख्य मार्गको लागि प्रस्तावित फास्ट डिस्कनेक्टर बाट बाहेक राखिन सकिन्छ।

तर, यसलाई यकिन गर्नुपर्छ कि UFMS संपर्क प्रतिरोध निम्न इलेक्ट्रोमेकानिकल संपर्क भन्दा बढी छ र ४.४५×१०-७ I2 N (यानी २ kA निर्धारित र २x सुरक्षा गुणांक वा ३५६ N भित्र १०x इन-रश साथ) र टिकाउने बलक्षमता छ।

मध्यम वोल्टेज हाइब्रिड डीसी सर्किट ब्रेकरमा अत्यधिक फास्ट मेकानिकल स्विच:
उल्लिखित दर्शन लाई वास्तविक बनाउनका लागि चुनौतीहरू छन्: (१) यस्ता अत्यधिक फास्ट स्विचहरू MV स्तरका लागि विकसित गर्न सकिन्छ कि छैन, (२) चालनको लागि आर्क वोल्टेजको निर्माण पर्याप्त उच्च छ कि छैन, र (३) RCB लाई यस्ता डिझाइन संभव छ कि छैन। निम्न विवरणमा यस्ता सबै प्रश्नहरूको उत्तर जास्तै येसक्छ।

विद्युत धारा लिने चालकहरू बीच आकर्षण वा विकर्षण बल आधारित इलेक्ट्रोमेग्नेटिक थॉम्सन कोइल (TC) एक्चुएटरहरू तीव्र स्विचिंगको लागि अत्यधिक उपयुक्त छन् किनकि यसले निश्चित नियंत्रण द्वारा उच्च त्वरण लाभ गर्न सक्छ। यहाँ सम्म TC आधारित दुई तकनीकहरू प्रस्ताव गरिएका छन् र यसलाई अच्छै विवरण दिएका छन्, जहाँ श्रृंखला कोइल आधारित तकनीक उत्पादनशीलतामा उत्पादन आधारित तकनीक भन्दा बढी उत्कृष्ट छ। यी दुई तकनीकहरू बहु-भौतिक फाइनाइट एलिमेन्ट मॉडलिंग द्वारा तुलना गरिएका छन्।

एक एकल चर १२ किलोवोल्ट (नामित वोल्टेज) र २ kA (नामित ऐम्पर) / २० kA (छोटो विद्युत लगाम) फ़ाउल्ट-करेन्ट लिमिटिङ सर्किट ब्रेकर (FCLCB) र २४ किलोवोल्ट, ३ kA / ४० kA FCLCB डिझाइन गरिएको छ, जसले १००-३०० μs भित्र आर्क बन्द गर्न सक्छ बिना कुनै बलित आर्क जलनको आवश्यकता।

निम्न आधारित तीव्र स्विच ७ kA निर्धारित ऐम्परको लागि ~२ kg वटा HCB संपर्क ~४४,९०० m/s² आरंभिक त्वरण द्वारा त्वरित गर्छ जसले ~४२२ μs भित्र ४ mm संपर्क विभाजन उत्पन्न गर्छ, जसले ३ kV निर्धारित स्विच वोल्टेज सहन गर्न सक्छ।

यो तीव्र गति यात्राको अंतमा रोक्नुपर्छ ताकि ओवर-ट्रावल, बाउंस, थकाउ, र अन्य अवांछित प्रभावहरू रोकिन सकिन्छ।