Typy i zastosowania średnionapięciowych wyłączników przepustowych DC

Średnionapięciowe przekaźniki obwodów DC są odpowiednie do zastosowań w statkach, miejskich metrach, elektrycznych pociągach, mikrosieciach (pojazdy elektryczne), rozproszonym generowaniu (energia słoneczna) oraz systemach opartych na bateriach (centra danych).

Relatywnie niska impedancja obwodu w przypadku DC prowadzi do wyższych amplitud krótkich zwarć. Ponadto, ponieważ wirowe cewki transformatorów nie mają wpływu na całkowitą stałą czasową w systemach DC, całkowita stała czasowa się zmniejsza, a krótkie zwarcie może mieć czas narastania zaledwie kilka milisekund. Może także dojść do kolapsu napięcia, gdzie utrzymanie co najmniej 80% nominalnego napięcia DC jest warunkiem wstępem dla normalnej pracy stacji konwertera napięciowego (VSC).

Aby zminimalizować zakłócenia w pracy konwertera, uszkodzenie musi być usunięte w ciągu kilku milisekund, szczególnie dla stacji nie połączonych z uszkodzoną linią lub kablem.

Rodzaje średnionapięciowych przekaźników obwodów DC dostępne na rynku:
Trzy główne rodzaje przekaźników w rynku LVDC i MVDC to przekaźniki stanu stałego (SSCBs), mechaniczne przekaźniki obwodów (MCBs) oraz hybrydowe przekaźniki obwodów (HCBs), które są kombinacją SSCB w równoległości z ultraszybkim przełącznikiem mechanicznym (UFMS).

Konwencjonalne LV i MV AC MCBs oparte na powietrzu i SF6 mają ograniczoną zdolność przerwania prądu DC do tylko kilku kilowoltów i kilku amperów.

Średnionapięciowe przekaźniki obwodów DC stanu stałego:
Topologie SSCB są zazwyczaj oparte na określonej liczbie Integracyjnych Gatów Komutujących Tysistronów (IGCTs), Gatów Zawracających Tysistronów (GTOs) lub Bipolarnych Tranzystorów z Izolowaną Bramką (IGBTs), połączonych szeregowo. Chociaż czasy reakcji są niezwykle szybkie, jednym z wad jest znaczny strata mocy w stanie przewodzenia, zwykle w zakresie 15-30% strat VSC stacji.

Wysokie koszty komponentów, brak galwanicznej izolacji oraz niewystarczająca zdolność absorpcji ciepła to inne wady.

Rysunek 1 pokazuje pewien typ projektu średnionapięciowego przekaźnika obwodów DC stanu stałego:

Rysunek 1: a) IGCT-based medium voltage bi-directional solid-state circuit breaker, (b) IGCT-based medium voltage bi-directional solid-state circuit breaker, (c) GTO-based bidirectional solid-state circuit breaker

Zostały zaproponowane różne topologie SSCB. Jednak większość z nich dotyczy napięć ≤ 1 kV, zwłaszcza dla małych prądów ≤ 1000 A. Należy zauważyć, że jednym z najtrudniejszych aspektów technologii SSCB jest wysoka strata mocy w stanie przewodzenia, a choć niektóre artykuły zgłaszają MV SSCB spełniające poziom napięcia MV takie jak 6-15 kV, są one zazwyczaj dla prądu nominalnego mniejszego niż 1000 A, ale wymagana zdolność przeprowadzania mocy wynosiłaby kilka MW do kilkudziesięciu MW z co najmniej 3 modułami równoległymi (3P:3*3.72 MW).

W związku z tym, rozwój przekaźnika DC o mocy nominalnej mniejszej niż 10 MW dla przyszłych architektur MVDC staje się prawie bezużyteczny. Obecne technologie półprzewodników mocy nie mogą spełnić takich wymogów mocowych; w konsekwencji, SSCB dla przyszłych architektur MVDC nie doprowadzą do bardzo efektywnego, taniego i kompaktowego projektu. W tym kontekście, potrzebne są stosunkowo duże wentylatory powietrzne o pojemności około sześciu tysięcy stóp sześciennych na minutę i/lub aktywne chłodzenie wodą dla wielokilowatowych strat w stanie przewodzenia przy dużych prądach.

Hybrydowe średnionapięciowe przekaźniki obwodów DC (HCBs):
Hybrydowe średnionapięciowe przekaźniki obwodów DC zawierają ścieżkę przewodzenia prądu i ścieżkę przerwania prądu.

Hybrydowy przekaźnik łączy niezwykle niskie straty w przód czystego ultraszybkiego przełącznika z szybką wydajnością przekaźnika stanu stałego w równoległej ścieżce. Główny przekaźnik jest umieszczony na równoległej ścieżce i składa się z szeregowych i równoległych przełączników stanu stałego połączonych szeregowo.

Rozwinięto modułowy HCB i jeden moduł, jak pokazano na Rys. 2, z napięciem i prądem nominalnym, oraz zdolnością przerwania prądu 6.2 kV i 600 A, odpowiednio.

Warto zauważyć, że komora łuku ultra-szybkiego przełącznika musi generować wystarczające napięcie, aby skomunikować prąd i umożliwić filozofię równoległości modułów. We wszystkich projektach SSCB i HCB potrzebny jest odłącznik resztkowego prądu (RCD) i rezystor szeregowy do pomiaru prądu, jak pokazano na Rys. 2. Kiedy prąd spada do niskiej wartości określonej przez przeciek prądu varistora oksydów metali (MOV), odłącznik otwiera, izolując system i zapobiegając przeciekowi prądu przez półprzewodniki i MOV.

Rys 2: Hybrydowy średnionapięciowy przekaźnik obwodów DC

Główna ścieżka UFMS musi generować wystarczająco wysokie napięcie, aby skomunikować prąd do pełnego przekaźnika IGBT w równoległej ścieżce. Opor pomocniczego przekaźnika DC, Rdson przy 2 kA, oraz szybkiego przełącznika mechanicznego musi być mniejszy niż 20 mΩ, aby miały podobne charakterystyki jak elektromechaniczny przekaźnik obwodów. Użycie UFMS w głównej ścieżce prowadzi do niższych strat w stanie przewodzenia i napięcia przód niż w pełnym SSCB.

Propozycja projektu może być korzystna w porównaniu z wysokonapięciowymi HCB produkowanymi przez ABB i Alstom, ponieważ (1) nie ma strat półprzewodników w stanie przewodzenia, (2) jego obwód sterujący będzie prostszy, a (3) drogi „Przełącznik Elektroniczny Mocy” w głównej ścieżce można uniknąć. Istotnie, tylko jeden UFMS może zastąpić zarówno „Przełącznik Elektroniczny Mocy”, jak i szybki odłącznik zaproponowany przez ABB dla głównej ścieżki.

Jednak należy zapewnić, że opór kontaktu UFMS nie przekracza oporu odpowiednich kontaktów elektromechanicznych i ma zdolność wytrzymywania siły trzymającej 4.45×10-7 I2 N (tj. > 178 N dla 10-krotnego napływu przy 2 kA z współczynnikiem bezpieczeństwa 2x lub 356 N).

Ultra-szybki przełącznik mechaniczny w hybrydowym średnionapięciowym przekaźniku obwodów DC:
Wyzwania dotyczące realizacji wspomnianej filozofii to (1) czy takie ultra-szybkie przełączniki mogą być opracowane dla poziomów MV, (2) czy budowanie napięcia łuku dla komutacji jest wystarczająco wysokie, oraz (3) czy ten sam projekt jest możliwy dla RCB. Odpowiedź na wszystkie pytania może być TAK, jak omówiono poniżej.

Elektromagnetyczne aktuatorki z cewką Thomsona (TC) działające na podstawie sił przyciągających lub odpychających między przewodnikami prądu są bardzo odpowiednie do szybkiego przełączania, ponieważ mogą osiągać wysokie przyspieszenia dzięki precyzyjnemu sterowaniu. Do tej pory zaproponowano i szczegółowo opisano dwie techniki oparte na TC, gdzie ta z cewkami szeregowymi wykazała się lepszą wydajnością niż ta oparta na indukcji. Te dwie techniki zostały również porównane za pomocą modelowania wieloparametrowego metodą elementów skończonych.

Zaprojektowano i zbudowano jednofazowy przekaźnik obwodów ograniczający prąd zwarciowy (FCLCB) o napięciu nominalnym 12 kV i prądzie nominalnym 2 kA / 20 kA (prąd zwarciowy) oraz FCLCB o 24 kV, 3 kA / 40 kA, umożliwiający zgaszenie łuku bez wymuszonego chłodzenia łuku w ciągu 100-300 μs.

Szybki przełącznik oparty na indukcji o prądzie nominalnym 7 kA przyspiesza kontakt HCB o masie ~2 kg z początkowym przyspieszeniem ~44,900 m/s², co prowadzi do oddzielenia kontaktu o 4 mm po ~422 μs, co jest wystarczające, aby wytrzymać nominalne napięcie przełącznika 3 kV.

To szybkie ruch powinien być tłumiony na końcu drogi, aby zapobiec nadmiernemu przemieszczeniu, odbiciu, zmęczeniu i innym niepożądanym efektom.