Типы и применения выключателей среднего напряжения постоянного тока

Средненапряженные DC выключатели подходят для применения на судах, городских метрополитенах, электрических поездах, микросетях (электромобили), распределенной генерации (солнечная энергия) и системах на основе аккумуляторов (дата-центры).

Относительно низкое сопротивление цепи в случае DC приводит к более высоким амплитудам коротких замыканий. Кроме того, поскольку обмотки трансформатора не влияют на общую постоянную времени в DC системах, общая постоянная времени уменьшается, и короткое замыкание может иметь время нарастания всего несколько миллисекунд. Может также произойти обрушение напряжения, где поддержание как минимум 80% номинального DC напряжения является предварительным условием для нормальной работы станции с преобразователем напряжения (VSC).

Для минимизации нарушений в работе преобразователя неисправность должна быть устранена в течение нескольких миллисекунд, особенно для станций, не связанных с неисправной линией или кабелем.

Типы средненапряженных DC выключателей на рынке:
Три основных типа выключателей на рынке LVDC и MVDC - это твердотельные выключатели (SSCBs), механические выключатели (MCBs) и гибридные выключатели (HCBs), которые представляют собой комбинацию SSCB с ультрабыстрым механическим переключателем (UFMS).

Традиционные воздушные и SF6-основанные LV и MV AC MCBs имеют определенную способность к прерыванию DC, ограниченную несколькими киловольтами и несколькими амперами.

Твердотельные средненапряженные DC выключатели:
Топологии для SSCBs обычно основаны на определенном количестве интегрированных управляемых тиристоров (IGCTs), тиристоров с управлением отключения (GTOs) или изолированных биполярных транзисторов (IGBTs), соединенных последовательно. Хотя время реакции очень быстро, одним из недостатков являются значительные потери в режиме проводимости, обычно в диапазоне 15-30% от потерь VSC станции.

Высокие затраты на компоненты, отсутствие гальванической развязки и недостаточная тепловая емкость являются другими недостатками.

Рисунок 1 показывает некоторые типы конструкции твердотельных средненапряженных DC выключателей:

Рисунок 1: a) Бидирекционный твердотельный выключатель среднего напряжения на основе IGCT, (b) Бидирекционный твердотельный выключатель среднего напряжения на основе IGCT, (c) Бидирекционный твердотельный выключатель на основе GTO

Были предложены различные топологии SSCB. Однако большинство из них предназначены для напряжений ≤ 1 кВ, особенно для малых токов ≤ 1000 А. Следует отметить, что одним из самых сложных аспектов технологии SSCB является высокий уровень потерь в режиме проводимости, и хотя некоторые статьи сообщают о MV SSCB, удовлетворяющем уровню напряжения MV, такому как 6-15 кВ, они обычно предназначены для номинального тока менее 1000 А, но требуемая мощность должна находиться в диапазоне от нескольких МВ до нескольких десятков МВ с как минимум 3 параллельными модулями (3P:3*3.72 МВ).

Таким образом, разработка DC выключателя с номинальной мощностью менее 10 МВ для будущих архитектур MVDC становится почти бесполезной. Текущие технологии силовых полупроводников не могут обеспечить такие мощности; следовательно, SSCB для будущих архитектур MVDC не приведут к высокоэффективному, экономически выгодному и компактному дизайну. В этом отношении необходимы относительно большие воздуходувки с производительностью около шести тысяч кубических футов в минуту и/или активное водяное охлаждение для многокиловаттных уровней потерь в режиме проводимости при высоких токах.

Гибридные средненапряженные DC выключатели (HCBs):
Гибридные средненапряженные DC выключатели включают путь прохождения тока и путь прерывания тока.

Гибридный выключатель сочетает в себе исключительно низкие потери в прямом направлении чистого ультрабыстрого переключателя с быстрой работой твердотельного выключателя на параллельном пути. Основной выключатель расположен на параллельном пути и состоит из серийно и параллельно соединенных твердотельных переключателей.

Был разработан модульный HCB, и один модуль, показанный на рисунке 2, с номинальным напряжением и током, и способностью прерывания тока 6.2 кВ и 600 А соответственно.

Стоит отметить, что дуговая камера ультрабыстрого переключателя просто должна создавать достаточное напряжение для передачи тока и обеспечивать параллельную философию модулей. Во всех конструкциях SSCB и HCB требуется устройство отключения остаточного тока (RCD) и шунтирующий резистор для измерения тока, показанный на рисунке 2. Когда ток снижается до низкого значения, указанного утечкой тока металлооксидного варистора (MOV), отключатель открывается, изолируя систему и предотвращая любую утечку тока через полупроводники и MOV.

Рисунок 2: Гибридный средненапряженный DC выключатель

УФПС на основном пути просто должно создавать достаточно высокое напряжение, чтобы коммутировать ток на параллельный полный IGBT выключатель. Сопротивление вспомогательного DC выключателя, Rdson при 2 кА, и быстрого механического переключателя должно быть меньше 20 мОм, чтобы иметь аналогичные характеристики, как у электромеханического выключателя. Использование УФПС на основном пути приводит к меньшим потерям в режиме проводимости и прямому напряжению, чем у полного SSCB.

Предложенная конструкция может быть полезна по сравнению с высоковольтными HCB, произведенными ABB и Alstom, потому что (1) нет потерь в режиме проводимости полупроводников, (2) его схема управления будет проще, и (3) дорогой "Power Electronic Switch" на основном пути можно избежать. Действительно, только один УФПС может заменить как "Power Electronic Switch", так и быстрый отключатель, предложенный ABB для основного пути.

Однако необходимо убедиться, что сопротивление контакта УФПС не превышает эквивалентное сопротивление электромеханических контактов и имеет прочность удержания 4.45×10-7 I2 Н (т.е. > 178 Н для 10-кратного импульса при номинальном токе 2 кА с коэффициентом безопасности 2х или 356 Н).

Ультрабыстрый механический переключатель в гибридном средненапряженном DC выключателе:
Проблемы реализации указанной философии заключаются в (1) можно ли разработать такие ультрабыстрые переключатели для уровней MV, (2) достаточно ли велико напряжение дуги для коммутации, и (3) возможно ли такое же проектирование для RCB. Ответ на все вопросы может быть ДА, как обсуждается ниже.

Электромагнитные катушки Томсона (TC), работающие на основе притяжения или отталкивания между проводниками, несущими ток, очень подходят для быстрого переключения, так как они могут достичь высоких ускорений через точное управление. На данный момент предложены и подробно рассмотрены две техники на основе TC для ультрабыстрых механических переключателей, где техника с последовательными катушками превзошла технику на основе индукции по эффективности. Эти две техники также были сравнены с помощью моделирования на основе многопараметрического конечного элемента.

Был спроектирован и построен однофазный 12 кВ (номинальное напряжение) и 2 кА (номинальный ток) / 20 кА (короткое замыкание) ограничитель тока (FCLCB) и 24 кВ, 3 кА / 40 кА FCLCB, позволяющий погасить дугу без принудительного охлаждения дуги в течение 100-300 мкс.

Индуктивный быстрый переключатель с номинальным током 7 кА ускоряет контакт HCB массой ~2 кг с начальным ускорением ~44,900 м/с², что приводит к разделению контакта на 4 мм после ~422 мкс, что достаточно, чтобы выдержать номинальное напряжение переключателя 3 кВ.

Это быстрое движение должно быть заторможено в конце хода, чтобы предотвратить переезд, отскок, усталость и другие нежелательные эффекты.