Tipovi i primene srednjenskih naponskih DC prekidača

Srednjepojacni DC prekidni aparati su prikladni za primenu na brodovima, gradskim podzemnicama, električnim vozovima, mikromrežama (električni vozila), raspodeljenoj generaciji (solarna energija) i sistemima baziranim na baterijama (data centri).

Relativno niska impedansa kruga u slučaju DC dovodi do veće amplitude kratkih spojeva. Takođe, budući da se vijci transformatora ne doprinose ukupnom vremenskom konstantu u DC sistemima, ukupna vremenska konstanta se smanjuje i kratki spoj može imati vremena uspona kratka samo nekoliko milisekundi. Može doći i do kolapsa napona, gde je održavanje barem 80% nominalnog DC napon najmanja pretpostavka za normalnu radnu stanju stanice sa pretvaračem izvora napona (VSC).

Da bi se smanjile prepreke u radu pretvarača, greška mora biti isključena unutar nekoliko milisekundi, posebno za stanice koje nisu povezane sa greškom linije ili kabela.

Tipovi srednjepojacnih DC prekidnih aparata na tržištu:
Tri glavna tipa prekidnih aparata na tržištu LVDC i MVDC su solid-state prekidni aparat (SSCBs), mehanički prekidni aparat (MCBs) i hibridni prekidni aparat (HCBs) koji predstavlja kombinaciju SSCB u paraleli sa ultra brzim mehaničkim prekidačem (UFMS).

Konvencionalni zračni i SF6-bazirani LV i MV AC MCBs imaju određenu sposobnost prekidanja DC ograničenu samo na nekoliko kilovolata i nekoliko ampera.

Solid-state srednjepojacni DC prekidni aparat:
Topologije za SSCB su obično bazirane na određenom broju Integriranih Vratnih Komutiranih Tiristora (IGCTs), Tiristora sa Isključivanjem Kroz Vrata (GTOs) ili Bipolarnih Transistora sa Izolovanim Vratima (IGBTs), povezanih u seriju. Iako su vremena odgovora izuzetno brza, jedan nedostatak je znatne gubitke u stanju upaljen, obično u opsegu od 15-30% gubitaka stanice VSC.

Visoka troškova komponenti, nedostatak galvanicke izolacije i nedovoljna termalna apsorpcijska sposobnost su drugi nedostaci.

Slika 1 pokazuje neki tip dizajna solid-state srednjepojacnog DC prekidnog aparata:

Slika 1: a) IGCT bazirani srednjepojacni dvosmjerni solid-state prekidni aparat, (b) IGCT bazirani srednjepojacni dvosmjerni solid-state prekidni aparat, (c) GTO bazirani dvosmjerni solid-state prekidni aparat

Predloženi su različiti topologiji SSCB. Međutim, većina njih je za napone ≤ 1 kV, posebno za niske struje ≤ 1000 A. Treba napomenuti da je jedan od najvećih izazova SSCB tehnologije visoki gubitak u stanju upaljen, iako neki članci izvještavaju o MV SSCB koji zadovoljava nivo MV napona kao što je 6-15 kV, oni su obično za nominalnu struju manju od 1000 A, ali potrebna kapacitet rukovanja snage bi bio u opsegu nekoliko MW-a do desetak MW-a sa barem 3 paralelna modula (3P:3*3.72 MW).

Stoga, razvoj DC prekidnog aparata sa nominalnom snagom manjom od 10 MW za buduće arhitekture MVDC postaje skoro beskoristan. Trenutne tehnologije poluprovodnika ne mogu zadovoljiti takve snage; stoga, SSCB za buduće arhitekture MVDC neće dovesti do vrlo efikasna i ekonomična kompaktna dizajna. U ovom kontekstu, relativno veliki ventilatori zraka sa kapacitetom oko šest hiljada kubnih stopa po minuti i/ili aktivno hlađenje vodom su potrebni za više-kilovatske nivoe gubitaka u stanju upaljen za visoke struje.

Hibridni srednjepojacni DC prekidni aparat (HCBs):
Hibridni srednjepojacni DC prekidni aparat uključuje put strujanja i put prekidanja struje.

Hibridni prekidni aparat kombinuje izuzetno niske gubitke u naprijed čistog ultra brzog prekidača sa brzom performansom solid-state prekidnog aparata u paralelnom putu. Glavni prekidni aparat je pozicioniran na paralelnom putu i sastoji se od serije i paralelnih solid-state prekidača povezanih u seriju.

Razvijen je modularni HCB i jedan modul kao što je prikazano na Slici 2 sa nominalnim naponom i strujom, i sposobnosti prekidanja struje od 6.2 kV, i 600 A, redom.

Važno je napomenuti da je potrebno da arkasta komora ultra brzog prekidača generiše dovoljan napon kako bi se prenosila struja i omogućio paralelni pristup modula. U svim dizajnima SSCB i HCB, potreban je disjunktor ostatak struje (RCD) i paralelni otpornik za merenje struje prikazan na Slici 2. Kada struja padne na nisku vrijednost definisanu strujom curenja metaloksidnog varistora (MOV), disjunktor se otvara, izoluje sistem i sprečava bilo kakvo curenje struje kroz poluprovodnike i MOV.

Slika 2: Hibridni srednjepojacni DC prekidni aparat

UFMS na glavnom putu treba generisati dovoljno visok napon da prebacuje struju na paralelni pun IGBT prekidni aparat. Otpornost auxiliarne DC prekidnice, Rdson na 2 kA, i brzi mehanički prekidač moraju biti manji od 20 mW kako bi imali slične karakteristike kao elektromehanički prekidni aparat. Koristeći UFMS na glavnom putu, dolazi do nižih gubitaka u stanju upaljen i napon naprijed nego kod punog SSCB.

Predloženi dizajn može biti koristan u odnosu na visokonaponske HCB proizvedene od strane ABB i Alstom, jer (1) nema gubitaka poluprovodnika u stanju upaljen, (2) njegov kontrolni krug će biti jednostavniji, i (3) skupa “Power Electronic Switch” na glavnom putu, se može izbegnuti. Zapravo, samo jedan UFMS može zamijeniti i “Power Electronic Switch” i brzi disjunktor predložen od strane ABB za glavni put.

Međutim, potrebno je osigurati da kontakt otpornost UFMS nije veća od ekvivalentnih elektromehaničkih kontakata i ima sposobnost održavanja sile od 4.45×10-7 I2 N (tj. > 178 N za 10x ulaznu struju na 2 kA nominalne sa faktorom sigurnosti 2x ili 356 N).

Ultra brzi mehanički prekidač u hibridnom srednjepojacnom DC prekidnom aparatu:
Izazovi za realizaciju navedene filozofije su (1) da li se takvi ultra brzi prekidači mogu razviti za nivoe MV, (2) da li je građanje napona luke dovoljno visoko za prebacivanje, i (3) da li je isti dizajn moguć za RCB. Odgovor može biti DA na sve pitanja, kao što je diskutovano ispod.

Elektromagnetski Thomson coil (TC) aktuatori koji operiraju na osnovu privlačnih ili odbijajućih sila između nosača struje su vrlo prikladni za brzo prekidačenje jer mogu dostići visoke ubrzanja kroz precizno kontrolisanje. Do sada su dve tehnike bazirane na TC bile predložene i detaljno objašnjene za ultra brze mehaničke prekidače, gde je ta sa serijskim cevima prevazila onu baziranu na indukciji u pogledu efikasnosti. Ove dvije tehnike su takođe uspoređene korišćenjem Multiphysics metode konacnih elemenata.

Jednofazni 12 kV (nominalni napon) i 2 kA (nominalna struja) / 20 kA (kratkospojna struja) ograničitelj kratkospojnog prekidnog aparata (FCLCB) i 24 kV, 3 kA / 40 kA FCLCB koji omogućuju gasenje luke bez ikakvog prisilnog hlađenja luke unutar 100-300 μs su dizajnirani i izgrađeni.

Indukcija bazirana brza prekidača sa nominalnom strujom od 7 kA ubrzava HCB kontakt od ~2 kg sa inicijalnim ubrzanjem od ~44,900 m/s2 što rezultira 4 mm razdvajanjem kontakta nakon ~422 μs, dovoljno da izdrži nominalni napon prekidača od 3 kV.

Ovo brzo kretanje treba da bude prigušeno na kraju puta kako bi se spriječilo prelazak, odbijanje, umor i druge neželjene efekte.