Tipos e Aplicações de Disjuntores de Corrente Contínua de Média Tensão

Os disjuntores de corrente contínua (CC) de média tensão são adequados para aplicações em navios, metrôs urbanos, trens elétricos, micro-redes (veículos elétricos), geração distribuída (energia solar) e sistemas baseados em baterias (centros de dados).

A impedância do circuito relativamente baixa no caso de CC leva a amplitudes mais altas de curto-circuito. Além disso, porque as bobinas dos transformadores não contribuem para a constante de tempo geral nos sistemas de CC, a constante de tempo geral diminui e um curto-circuito pode ter tempos de subida tão breves quanto alguns milissegundos. Também pode ocorrer o colapso de tensão, onde manter pelo menos 80% da tensão nominal de CC é uma pré-condição para que a estação de conversor de fonte de tensão (VSC) funcione normalmente.

Para minimizar as interrupções na operação do conversor, o defeito deve ser eliminado em poucos milissegundos, especialmente para estações não ligadas à linha ou cabo defeituoso.

Tipos de disjuntores de corrente contínua de média tensão no mercado:
Três tipos principais de disjuntores nos mercados de LVDC e MVDC são os disjuntores de estado sólido (SSCBs), disjuntores mecânicos (MCBs) e disjuntores híbridos (HCBs), que é uma mistura de SSCB em paralelo com um interruptor mecânico ultra-rápido (UFMS).

Disjuntores mecânicos convencionais de ar e SF6 baseados em LV e MV AC têm uma certa capacidade de interrupção de CC limitada a apenas alguns quilovolts e alguns amperes.

Disjuntores de corrente contínua de média tensão de estado sólido:
As topologias para SSCBs são tipicamente baseadas em um certo número de Tiristores Comutados por Porta Integrada (IGCTs), Tiristores de Desligamento por Porta (GTOs) ou Transistores Bipolares de Porta Isolada (IGBTs), conectados em série. Embora os tempos de resposta sejam incrivelmente rápidos, uma desvantagem é a perda substancial no estado de condução, geralmente na faixa de 15-30% das perdas de uma estação VSC.

Os altos custos dos componentes, a falta de isolamento galvânico e a capacidade inadequada de absorção térmica são outras desvantagens.

A Figura 1 mostra um tipo de design de disjuntor de corrente contínua de média tensão de estado sólido:

Figura 1: a) Disjuntor de estado sólido bidirecional de média tensão baseado em IGCT, (b) Disjuntor de estado sólido bidirecional de média tensão baseado em IGCT, (c) Disjuntor de estado sólido bidirecional baseado em GTO

Diferentes topologias de SSCB foram propostas. No entanto, a maioria delas é para tensões ≤ 1 kV, especialmente para correntes ≤ 1000 A. Deve-se notar que um dos aspectos mais desafiadores da tecnologia SSCB é a alta perda no estado de condução e, embora alguns artigos relatem um SSCB de MV satisfazendo um nível de tensão de MV como 6-15 kV, eles são tipicamente para corrente nominal inferior a 1000 A, mas a capacidade de potência necessária seria na faixa de alguns MWs a algumas dezenas de MWs com pelo menos 3 módulos em paralelo (3P:3*3.72 MW).

Assim, desenvolver um disjuntor de CC com potência nominal inferior a 10 MW para as arquiteturas futuras de MVDC torna-se quase inútil. As tecnologias atuais de semicondutores de potência não podem atender a tais classificações de potência; consequentemente, os SSCBs para as arquiteturas futuras de MVDC não levarão a um design compacto altamente eficiente e econômico. Nesse sentido, sopradores de ar relativamente grandes com capacidades ao redor de seis mil pés cúbicos por minuto e/ou resfriamento ativo a água são necessários para os níveis de perda no estado de condução de vários quilowatts previstos para correntes elevadas.

Disjuntores de corrente contínua de média tensão híbridos (HCBs):
Disjuntores de corrente contínua de média tensão híbridos incluem um caminho de condução de corrente e um caminho de interrupção de corrente.

Um disjuntor híbrido combina as perdas extremamente baixas no estado de condução de um interruptor ultra-rápuro puro com o desempenho rápido de um disjuntor de estado sólido no caminho paralelo. O disjuntor principal está posicionado em um caminho paralelo e é composto por chaves de estado sólido em série e paralelo conectadas em série.

Foi desenvolvido um HCB modular e um módulo conforme mostrado na Figura 2, com tensão e corrente nominais, e capacidade de interrupção de corrente de 6.2 kV e 600 A, respectivamente.

Vale a pena notar que a câmara de arco do interruptor ultra-rápido precisa gerar apenas tensão suficiente para comutar a corrente e facilitar a filosofia de paralelização dos módulos. Em todos os designs de SSCB e HCB, um desconector de corrente residual (RCD) e um resistor shunt para medir a corrente, conforme mostrado na Figura 2, são necessários. Quando a corrente cai para um valor baixo especificado pela corrente de fuga do varistor de óxido metálico (MOV), o desconector se abre, isolando o sistema e evitando qualquer corrente de fuga através dos semicondutores e MOV.

Figura 2: Disjuntor híbrido de corrente contínua de média tensão

O UFMS no caminho principal precisa gerar apenas tensão suficiente para comutar a corrente para o disjuntor IGBT completo paralelo. A resistência do disjuntor auxiliar de CC, Rdson a 2 kA, e o interruptor mecânico rápido precisam ser inferiores a 20 mW para ter características similares a um disjuntor eletromecânico. Utilizar UFMS no caminho principal resulta em perdas no estado de condução e tensão de polarização direta menores do que um SSCB completo.

O design proposto pode ser benéfico em relação aos HCBs de alta tensão fabricados pela ABB e Alstom, porque (1) não há perda de semicondutor no estado de condução, (2) seu circuito de controle será mais simples e (3) o caro "Power Electronic Switch" no caminho principal, pode ser evitado. De fato, apenas um UFMS pode substituir tanto o "Power Electronic Switch" quanto o desconector rápido proposto pela ABB para o caminho principal.

No entanto, é necessário garantir que a resistência de contato do UFMS não seja superior à dos contatos eletromecânicos equivalentes e tenha a capacidade de força de retenção de 4.45×10-7 I2 N (ou seja, > 178 N para 10x sobrecarga a 2 kA nominal com fator de segurança 2x ou 356 N).

Interruptor Mecânico Ultra-Rápido em disjuntor híbrido de corrente contínua de média tensão:
Os desafios para realizar a filosofia mencionada são (1) se tais interruptores ultra-rápidos podem ser desenvolvidos para níveis de MV, (2) se a geração de tensão de arco para comutação é suficientemente alta e (3) se o mesmo design é possível para RCB. A resposta pode ser SIM para todas as perguntas, conforme discutido abaixo.

Atuadores eletromagnéticos de bobina Thomson (TC) operando com base em forças atrativas ou repulsivas entre condutores portadores de corrente são muito adequados para comutação rápida, pois podem alcançar acelerações elevadas através de controle preciso. Até agora, duas técnicas baseadas em TC foram propostas e bem elaboradas para interruptores mecânicos ultra-rápidos, sendo a técnica com bobinas em série superando a baseada em indução em termos de eficiência. Essas duas técnicas também foram comparadas por modelagem de elementos finitos multiphysics.

Um disjuntor limitador de corrente de falha (FCLCB) de fase única 12 kV (tensão nominal) e 2 kA (corrente nominal) / 20 kA (curto-circuito) e 24 kV, 3 kA / 40 kA FCLCB permitindo que o arco seja extinto sem qualquer resfriamento forçado do arco em 100-300 μs foram projetados e construídos.

O interruptor rápido baseado em indução com corrente nominal de 7 kA acelera um contato HCB de ~2 kg com aceleração inicial de ~44.900 m/s2, resultando em separação de contato de 4 mm após ~422 μs, suficiente para suportar a tensão nominal do interruptor de 3 kV.

Este movimento rápido deve ser amortecido no final do percurso para evitar sobrecurso, rebote, fadiga e outros efeitos indesejáveis.