Middenspannings DC-schakelaartypen en toepassingen

Middenspannings DC-stroomonderbrekers zijn geschikt voor toepassingen in schepen, stedelijke metro's, elektrische treinen, microgrids (elektrische voertuigen), gedistribueerde generatie (zonne-energie) en batterijgebaseerde systemen (datacenters).

De relatief lage circuitsimpedantie in een DC-geval leidt tot hogere amplituden van kortsluitingen. Bovendien dragen de transformatorwindingen niet bij aan de algemene tijdsconstante in DC-systemen, waardoor de algemene tijdsconstante kleiner wordt en een kortsluiting opstijgtijden kan hebben van slechts enkele milliseconden. Er kan ook een spanningsinstorting optreden waarbij het behoud van ten minste 80% van de nominale DC-spanning een voorwaarde is voor normaal functioneren van de spanningsbronconverter (VSC)-station.

Om storingen in de werking van de converter te minimaliseren, moet de storing binnen enkele milliseconden worden opgelost, vooral voor stations die niet verbonden zijn met de defecte lijn of kabel.

Soorten middenspannings DC-stroomonderbrekers op de markt:
De drie belangrijkste soorten stroomonderbrekers in de LVDC- en MVDC-markten zijn vaste-toestandsstroomonderbrekers (SSCBs), mechanische stroomonderbrekers (MCBs) en hybride stroomonderbrekers (HCBs), welke een combinatie zijn van SSCB parallel met een ultra-snelle mechanische schakelaar (UFMS).

Conventionele lucht- en SF6-gebaseerde LV en MV AC MCBs hebben een bepaalde DC-onderbrekingscapaciteit die beperkt is tot slechts enkele kilovolts en enkele amperes.

Vaste-toestands middenspannings DC-stroomonderbrekers:
Topologieën voor SSCBs zijn meestal gebaseerd op een bepaald aantal geïntegreerde poortcommutatietyristoren (IGCTs), poortafsluitthyristoren (GTOs) of geïsoleerde poortbipolaire transistoren (IGBTs), verbonden in serie. Hoewel de reactietijden uiterst snel zijn, is een nadeel de aanzienlijke verlieswaarden in gesloten toestand, meestal in het bereik van 15-30% van de verliezen van een VSC-station.

De hoge componentenkosten, het ontbreken van galvanische isolatie en de onvoldoende thermische absorptiecapaciteit zijn andere nadelen.

Figuur 1 toont een type vaste-toestands middenspannings DC-stroomonderbreker:

Figuur 1: a) IGCT-gebaseerde middenspannings tweerichtings vaste-toestandsstroomonderbreker, (b) IGCT-gebaseerde middenspannings tweerichtings vaste-toestandsstroomonderbreker, (c) GTO-gebaseerde tweerichtings vaste-toestandsstroomonderbreker

Verschillende SSCB-topologieën zijn voorgesteld. Echter, de meeste daarvan zijn voor spanningen ≤ 1 kV, in het bijzonder voor lage stromen ≤ 1000 A. Het moet worden opgemerkt dat een van de meest uitdagende aspecten van SSCB-technologie de hoge verliezen in gesloten toestand zijn en, hoewel sommige artikelen rapporteren over een MV SSCB die voldoet aan een MV-spanningsniveau zoals 6-15 kV, zijn ze meestal voor een geregistreerde stroom minder dan 1000 A, maar de vereiste vermogensverwerkingscapaciteit zou in het bereik van enkele MWs tot enkele tientallen MWs liggen met ten minste 3 parallelle modules (3P:3*3.72 MW).

Daarom wordt het ontwikkelen van een DC-stroomonderbreker met een geregistreerd vermogen van minder dan 10 MW voor toekomstige MVDC-architecturen bijna nutteloos. De huidige krachtigste halvegeleider technologieën kunnen zulke vermogensclassificaties niet voldoen; als gevolg hiervan zullen SSCBs voor toekomstige MVDC-architecturen niet leiden tot een zeer efficiënte, kosteneffectieve compacte ontwerp. In dit opzicht zijn relatief grote luchtblazers met capaciteiten rond zesduizend kubieke voet per minuut en/of actieve waterkoeling nodig voor de multi-kilowatt niveaus van verliezen in gesloten toestand die verwacht worden voor hoge stromen.

Hybride middenspannings DC-stroomonderbrekers (HCBs):
Hybride middenspannings DC-stroomonderbrekers bevatten een stroomgeleidingspad en een stroomonderbrekingspad.

Een hybride onderbreker combineert de uitzonderlijk lage voorwaartse verliezen van een pure ultra-snelle schakelaar met de snelle prestaties van een vaste-toestandsstroomonderbreker in het parallelle pad. De hoofdonderbreker is geplaatst op een parallel pad en bestaat uit een serie en parallelle vaste-toestandschakelaars die in serie zijn verbonden.

Er is een modulaire HCB ontwikkeld en één module zoals weergegeven in Figuur 2 met een geregistreerde spanning en stroom, en een stroomonderbrekingscapaciteit van respectievelijk 6,2 kV en 600 A.

Het is de moeite waard om op te merken dat de boogkamer van de ultra-snelle schakelaar alleen voldoende spanning hoeft te genereren om de stroom over te brengen en de parallellisatie-filosofie van de modules te faciliteren. In alle SSCB- en HCB-ontwerpen is een reststromedisconnector (RCD) en een shuntweerstand nodig om de stroom te meten, zoals weergegeven in figuur 2. Wanneer de stroom afneemt naar een laag waarde zoals gespecificeerd door de lekkagestroom van de metaaloxide varistor (MOV), gaat de disconnector open, waardoor het systeem wordt geïsoleerd en elke lekkagestroom door de halfgeleiders en MOV wordt voorkomen.

Figuur 2: Hybride middenspannings DC-stroomonderbreker

Het UFMS op het hoofdpad hoeft alleen maar voldoende spanning te genereren om de stroom over te brengen naar de parallelle volledige IGBT-onderbreker. De weerstand van de hulp-DC-onderbreker, Rdson bij 2 kA, en de snelle mechanische schakelaar moeten minder dan 20 mW zijn om vergelijkbare eigenschappen te hebben als een elektromechanische stroomonderbreker. Het gebruik van UFMS op het hoofdpad resulteert in lagere verliezen in gesloten toestand en voorwaartse spanning dan een volledige SSCB.

Het voorgestelde ontwerp kan voordelig zijn ten opzichte van de hoge spanning HCBs die door ABB en Alstom worden geproduceerd, omdat (1) er geen verliezen in gesloten toestand van halfgeleiders zijn, (2) het bedieningscircuit eenvoudiger zal zijn, en (3) de dure "Power Electronic Switch" in het hoofdpad, kan worden vermeden. In feite kan slechts één UFMS zowel de "Power Electronic Switch" als de snelle disconnector die door ABB voor het hoofdpad is voorgesteld, vervangen.

Het is echter nodig om ervoor te zorgen dat de contactweerstand van de UFMS niet groter is dan equivalentele elektromechanische contacten en de weerstandskracht van 4,45×10-7 I2 N heeft (d.w.z. > 178 N voor 10x inrush bij 2 kA geregistreerd met veiligheidsfactor 2x of 356 N).

Ultra-snelle Mechanische Schakelaar in hybride middenspannings DC-stroomonderbreker:
De uitdagingen voor het realiseren van de genoemde filosofie zijn (1) of dergelijke ultra-snelle schakelaars kunnen worden ontwikkeld voor MV-niveaus, (2) of de opbouw van de boogspanning voor commutatie voldoende hoog is, en (3) of hetzelfde ontwerp mogelijk is voor RCB. Het antwoord kan JA zijn voor alle vragen, zoals hieronder besproken.

Elektromagnetische Thomson-coil (TC) actuators die werken op basis van aantrekkende of afstotende krachten tussen stroomvoerende geleiders zijn zeer geschikt voor snelle schakeling omdat ze hoge versnellingen kunnen bereiken door nauwkeurige controle. Tot nu toe zijn twee technieken op basis van TC voorgesteld en goed uitgewerkt voor ultra-snelle mechanische schakelaars, waarbij de techniek met seriespoelen beter presteerde dan de techniek op basis van inductie qua efficiëntie. Deze twee technieken werden ook vergeleken door Multiphysics finite element modeling.

Een eenfasige 12 kV (nominaalspanning) en 2 kA (nominaalstroom) / 20 kA (kortsluiting) foutstroombeperkende stroomonderbreker (FCLCB) en 24 kV, 3 kA / 40 kA FCLCB die het mogelijk maakt de boog te doven zonder enige gedwongen boogkoeling binnen 100-300 μs, werden ontworpen en gebouwd.

De inductie-gebaseerde snelle schakelaar met een geregistreerde stroom van 7 kA versnelt een HCB-contact van ~2 kg met een initiële versnelling van ~44.900 m/s2, wat resulteert in 4 mm contactafscheiding na ~422 μs, voldoende om een geregistreerde schakelaarspanning van 3 kV te weerstaan.

Deze snelle beweging moet aan het einde van de reis worden gedempt om overreizen, stuiteren, vermoeiing en andere ongewenste effecten te voorkomen.