Middelspenning DC-sirkuitbrytere Typer og Anvendelser

Mellomspennings-DK-sirkuitsbrytere er egnet for bruk i skip, byundergrunnsbaner, elektriske tog, mikronettverk (elektriske kjøretøy), fordelt kraftproduksjon (solenergi) og batteribaserte systemer (datasentre).

Den relativt lave sirkuitimpedansen i et DK-tilfelle fører til høyere amplituder av kortslutninger. Dessuten, da transformatorvindinger ikke bidrar til den totale tidskonstanten i DK-systemer, blir den totale tidskonstanten mindre, og en kortslutning kan ha stigningstider så korte som noen få millisekunder. Det kan også oppstå spenningsfall, der det er en forutsetning at minst 80% av den nominelle DK-spenningen opprettholdes for at spenningskildekonverterstasjonen (VSC) skal fungere normalt.

For å minimere forstyrrelser i konverterens drift, må feilen ryddes innen noen få millisekunder, spesielt for stasjoner som ikke er koblet til den defekte linjen eller kabelen.

Typer mellomspennings-DK-sirkuitsbrytere på markedet:
Tre hovedtyper sirkuitsbrytere i LVDC- og MVDC-markedet er fasttilstandssirkuitsbrytere (SSCBs), mekaniske sirkuitsbrytere (MCBs) og hybrid sirkuitsbrytere (HCBs) som er en blanding av SSCB parallelt med en ultra-hurtig mekanisk bryter (UFMS).

Konvensjonelle luft- og SF6-baserte LV- og MV-AC-MCBs har en viss DK-avbrytingskapasitet begrenset til bare noen kilovolt og noen ampere.

Fasttilstands mellomspennings-DK-sirkuitsbrytere:
Topologier for SSCBs er typisk basert på et visst antall Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCTs), Gate Turn-Off Thyristors (GTOs) eller Isolerte Gate Bipolare Transistorer (IGBTs) koblet i serie. Selv om responstidene er utrolig rask, er en ulempe de betydelige on-state-tapene, typisk i området 15-30% av tapene ved en VSC-stasjon.

Høye komponentkostnader, mangel på galvanisk isolasjon og utilstrekkelig termisk absorberingskapasitet er andre ulemper.

Figur 1 viser en type fasttilstands mellomspennings-DK-sirkuitsbryterdesign:

Figur 1: a) IGCT-basert mellomspennings toveis fasttilstands sirkuitsbryter, (b) IGCT-basert mellomspennings toveis fasttilstands sirkuitsbryter, (c) GTO-basert toveis fasttilstands sirkuitsbryter

Forskjellige SSCB-topologier har blitt foreslått. Imidlertid er de fleste av dem for spenninger ≤ 1 kV, spesielt for lavstrømmer ≤ 1000 A. Det bør merkes at en av de mest utfordrende aspektene ved SSCB-teknologi er høye on-state-tap, og selv om noen artikler rapporterer en MV-SSCB som tilfredsstiller et MV-spenningsnivå som f.eks. 6-15 kV, er de typisk for en anbefalt strøm under 1000 A, men den nødvendige effektkapasiteten ville være i noen MWs til noen tiere MWs med minst 3 parallelle moduler (3P:3*3.72 MW).

Dermed blir utvikling av en DK-sirkuitsbryter med en anbefalt effekt under 10 MW nesten ubrukelig for fremtidige MVDC-arkitekturer. Nåværende effektkomponentteknologier kan ikke oppfylle slike effektspesifikasjoner; derfor vil SSCBs for fremtidige MVDC-arkitekturer ikke føre til et høyt effektivt kostnadseffektivt kompakt design. I denne sammenheng kreves relativt store luftblåsere med kapasiteter rundt seks tusen kubikkmeter per minutt og/eller aktiv vannkjøling for multi-kilowatt-nivåer av on-state-tap forsvart for høye strømmer.

Hybrid mellomspennings-DK-sirkuitsbrytere (HCBs):
Hybrid mellomspennings-DK-sirkuitsbrytere inkluderer en strømføringsbane og en strømavbrytningsbane.

En hybridbryter kombinerer de ekstremt lave forovertapene til en ren ultra-hurtig bryter med hurtig ytrengde av en fasttilstandssirkuitsbryter i den parallelle banen. Hovedbryteren er plassert i en parallel bane og består av serie- og parallelle fasttilstandsbrytere koblet i serie.

Det er utviklet en modulær HCB og en modul som vist i Figur 2 med anbefalt spenning og strøm, samt en strømavbrytningskapasitet på henholdsvis 6.2 kV og 600 A.

Det er verdt å merke seg at ultra-hurtig bryters buelokk kun trenger å generere nok spenning til å kommunisere strømmen og gjøre det mulig med parallellfilosofien for modulene. I alle SSCB- og HCB-design er en reststrømavkoplingsbryter (RCD) og en shuntmotstand for å måle strømmen som vist i Figur 2 nødvendig. Når strømmen faller til et lavt verdi angitt av lekkasje-strømmen av metalloksidvaristor (MOV), åpnes avkoplingen, isolerer systemet og forhindrer eventuell lekkasje-strøm gjennom halvlederne og MOV.

Figur 2: Hybrid mellomspennings-DK-sirkuitsbryter

Hovedbanens UFMS trenger bare å generere nok spenning til å overføre strømmen til den parallelle full IGBT-bryteren. Motstanden til hjelpesirkuitsbryteren, Rdson ved 2 kA, og den raske mekaniske bryteren må være mindre enn 20 mW for å ha lignende egenskaper som en elektromekanisk sirkuitsbryter. Bruk av UFMS i hovedbanen fører til lavere on-state-tap og foroverspenning enn en full SSCB.

Det foreslåtte designet kan være fordelaktig sammenlignet med de høyspennings-HCBs produsert av ABB og Alstom, fordi (1) det ikke er noen on-state-semikonduktortap, (2) kontrollkretsen vil være enklere, og (3) den dyre "Power Electronic Switch" i hovedbanen, kan unngås. Faktisk kan bare en UFMS erstatte både "Power Electronic Switch" og den raske avkopplingsbryteren foreslått av ABB for hovedbanen.

Imidlertid må det sikres at UFMS-kontaktmotstanden ikke er mer enn ekvivalente elektromekaniske kontakter og har holdbarhetskraften 4.45×10-7 I2 N (dvs. > 178 N for 10x inrush ved 2 kA anbefalt med sikkerhetsfaktor 2x eller 356 N).

Ultra-hurtig mekanisk bryter i hybrid mellomspennings-DK-sirkuitsbryter:
Ufordringene for å realisere den nevnte filosofien er (1) om slike ultra-hurtige brytere kan utvikles for MV-nivåer, (2) om opbyggingen av buespenningskommutasjonen er tilstrekkelig høy, og (3) om samme design er mulig for RCB. Svaret kan være JA på alle spørsmål som diskuteres nedenfor.

Elektromagnetiske Thomson-spiral (TC) aktuatorer som fungerer basert på attraksjon eller repulsjon mellom strømførende ledere er svært egnet for rask skifteoperasjon, da de kan oppnå høye akselerasjoner gjennom nøyaktig kontroll. Så langt har to teknikker basert på TC blitt foreslått og godt utviklet for ultra-hurtige mekaniske brytere, der den med serie-spiraler overgikk den basert på induksjon i hensyn til effektivitet. Disse to teknikkene ble også sammenlignet ved hjelp av multiphysics endelige elementmodellering.

En enefase 12 kV (nominell spenning) og 2 kA (nominell strøm) / 20 kA (kortslutning) feilstrøm-begrensende sirkuitsbryter (FCLCB) og 24 kV, 3 kA / 40 kA FCLCB som tillater at buen slukkes uten noen tvungen buenkjøling innen 100-300 μs ble designet og bygd.

Den induksjonsbaserte raske bryteren med en anbefalt strøm på 7 kA akselererer en HCB-kontakt på ~2 kg med en initiell akselerasjon på ~44 900 m/s² som resulterer i 4 mm kontaktdeling etter ~422 μs, nok til å motstå en anbefalt brytespenning på 3 kV.

Denne raske bevegelsen må dempes ved slutten av reisen for å forhindre overfart, hopp, utmattelse og andre uønskede effekter.