Mellan-spännings-DC-kretsavbrottslådetyper och tillämpningar

Mellan-spännings-DK-kretsavbrottare är lämpliga för användning i fartyg, stadsnät, elektriska tåg, mikronät (elbilar), distribuerad elproduktion (solenergi) och batteribaserade system (datacenter).

Den relativt låga kretsimpedansen i ett DK-fall leder till högre amplituder av kortslut. Dessutom bidrar transformeringsvägar inte till den totala tidskonstanten i DK-system, vilket gör att den totala tidskonstanten minskar och ett kortslut kan ha uppgångstider som är så korta som några millisekunder. Spännningskollaps kan också inträffa där det krävs minst 80% av den nominella DK-spänningen för att spänningskällkonverteringsstationen (VSC) ska fungera normalt.

För att minimera avbrott i konverteringsdrift måste felet borttagas inom några millisekunder, särskilt för stationer som inte är anslutna till den felaktiga linjen eller kablen.

Typer av mellan-spännings-DK-kretsavbrottare på marknaden:
Tre huvudtyper av kretsavbrottare på LVDC- och MVDC-marknaden är fasta-tillstånds-kretsavbrottare (SSCBs), mekaniska kretsavbrottare (MCBs) och hybridkretsavbrottare (HCBs) som är en blandning av SSCB parallell med en ultrahastig mekanisk växling (UFMS).

Konventionella luft- och SF6-baserade LV- och MV-AC-MCBs har en viss DC-avbrottskapacitet begränsad till bara några kilovolter och några amper.

Fasta-tillstånds-mellan-spännings-DK-kretsavbrottare:
Topologier för SSCBs baseras vanligtvis på ett visst antal Integrerade Gatkommuterade Thyristorer (IGCTs), Gatavstängbara Thyristorer (GTOs) eller Isolerade Gatbipolartransistorer (IGBTs), kopplade i serie. Även om svars tiderna är otroligt snabba, är en nackdel de betydande på-tillstånds-förlusterna som vanligtvis ligger i intervallet 15-30% av förlusterna hos en VSC-station.

De höga komponentkostnaderna, brist på galvanisk isolering och otillräcklig termisk absorptionsförmåga är andra nackdelar.

Figur 1 visar en typ av fasta-tillstånds-mellan-spännings-DK-kretsavbrottardesign:

Figur 1: a) IGCT-baserad mellan-spännings-bidirektional fasta-tillstånds-kretsavbrottare, (b) IGCT-baserad mellan-spännings-bidirektional fasta-tillstånds-kretsavbrottare, (c) GTO-baserad bidirektional fasta-tillstånds-kretsavbrottare

Olika SSCB-topologier har föreslagits. Men de flesta av dem är för spänningar ≤ 1 kV, särskilt för låga strömmar ≤ 1000 A. Det bör noteras att en av de mest utmanande aspekterna av SSCB-teknik är höga på-tillstånds-förluster, och även om vissa artiklar rapporterar en MV-SSCB som uppfyller en MV-spänningsnivå som 6-15 kV, är de vanligtvis för nominalströmmar mindre än 1000 A, men den nödvändiga effekthanteringsek Kapaciteten skulle vara i några MW upp till flera tiotal MW med minst 3 parallella moduler (3P:3*3.72 MW).

Således blir utvecklingen av en DK-kretsavbrottare med en nominal effekt under 10 MW nästan användbar för framtida MVDC-arkitekturer. De nuvarande effektsemikonduktorsteknikerna kan inte möta sådana effektnivåer; därför kommer SSCBs för framtida MVDC-arkitekturer inte att leda till en mycket effektiv kostnadseffektiv kompakt design. I detta avseende behövs relativt stora luftblåsare med kapaciteter runt sex tusen kubikfot per minut och/eller aktiv vattenkylning för de multi-kilowatt-nivåer av på-tillstånds-förluster som förväntas vid höga strömmar.

Hybrid mellan-spännings-DK-kretsavbrottare (HCBs):
Hybrid mellan-spännings-DK-kretsavbrottare inkluderar en strömledningsväg och en strömbrytningssväg.

En hybridbrytare kombinerar de exceptionellt låga framåtförlusterna av en ren ultrahastig växling med den snabba prestandan av en fasta-tillstånds-brytare i den parallella vägen. Huvudbrytaren placeras på en parallell väg och består av serier och parallella fasta-tillstånds-växlingar som är kopplade i serie.

Det har utvecklats en modulär HCB och en modul som visas i Figur 2 med nominal spänning och ström, samt en strömbrytningskapacitet på respektive 6.2 kV och 600 A.

Det är viktigt att notera att bågens arkammar enbart behöver generera tillräcklig spänning för att kommunicera strömmen och underlätta parallellfilosofin hos modulerna. I alla SSCB- och HCB-designer behövs en restströmsavkoppling (RCD) och en shunt resistor för att mäta strömmen som visas i Figur 2. När strömmen dumpar till en låg värde angivet av läckageströmmen av metalloxidvaristor (MOV) öppnas avkopplingen, isolerar systemet och förhindrar eventuell läckageström genom halvledare och MOV.

Figur 2: Hybrid mellan-spännings-DK-kretsavbrottare

UFMS på huvudvägen behöver endast generera tillräcklig spänning för att kommunicera strömmen till den parallella fulla IGBT-brytaren. Motståndet för den hjälpande DC-brytaren, Rdson vid 2 kA, och den snabba mekaniska växlingen behöver vara mindre än 20 mW för att ha liknande egenskaper som en elektromekanisk kretsavbrottare. Genom att använda UFMS i huvudvägen får man lägre på-tillstånds-förluster och framåtspänning än en full SSCB.

Den föreslagna designen kan vara gynnsam jämfört med de högspännings-HCBs som tillverkas av ABB och Alstom, eftersom (1) det inte finns några på-tillstånds-semikonduktor-förluster, (2) dess kontrollkrets kommer att vara enklare, och (3) den dyra "Power Electronic Switch" i huvudvägen kan undvikas. Verkligen, endast en UFMS kan ersätta både "Power Electronic Switch" och den snabba avkopplingen som ABB föreslagit för huvudvägen.

Men det måste säkerställas att UFMS-kontaktfriktionen inte är mer än motsvarande elektromekaniska kontakter och har hållfasthetskraftsförmågan 4.45×10-7 I2 N (dvs > 178 N för 10x in-rush vid 2 kA nominal med säkerhetsfaktor 2x eller 356 N).

Ultrahastig mekanisk växling i hybrid mellan-spännings-DK-kretsavbrottare:
Utmaningarna för att realisera den nämnda filosofin är (1) om sådana ultrahastiga växlingar kan utvecklas för MV-nivåer, (2) om byggandet av arckvoltage för kommunikation är tillräckligt högt, och (3) om samma design är möjlig för RCB. Svaret kan vara JA på alla frågor som diskuteras nedan.

Elektromagnetiska Thomson-spole (TC) aktuatorer som fungerar baserat på attraktiv eller repulsiv kraft mellan strömförande ledare är mycket lämpliga för snabb växling eftersom de kan uppnå höga accelerationer genom precist reglering. Så här har två tekniker baserade på TC föreslagits och väl utvecklats för ultrahastiga mekaniska växlingar, där den med seriebobbiner överträffade den baserade på induktion i termer av effektivitet. Dessa två tekniker har också jämförts med Multiphysics finite element modeling.

En enfas 12 kV (nominal spänning) och 2 kA (nominal ström) / 20 kA (kortslut) felströmsbegränsande kretsavbrottare (FCLCB) och 24 kV, 3 kA / 40 kA FCLCB som möjliggör att bågen släcks utan någon tvingad bågningskylning inom 100-300 μs har designats och byggts.

Den induktionsbaserade snabba växlingen med en nominal ström på 7 kA accelererar en HCB-kontakt på ~2 kg med en initial acceleration på ~44 900 m/s2 som resulterar i 4 mm kontaktskiljning efter ~422 μs, tillräckligt för att motstå en nominal växelspänning på 3 kV.

Denna snabba rörelse bör dämpas vid slutet av färd för att förhindra överfart, studs, trötthet och andra oönskade effekter.