Aina na Matumizi ya Tengeneza Mzunguko wa DC wa Viti Visigilioni

Kiteteji barabara DC kiwango cha kati ni vingi viwili kwa matumizi katika mifano kama mifupa, mitundu miji, treni za umeme, mikoko midogo (magari ya umeme), uzalishaji wa namba (energy ya jua), na mifumo ya batilii (data centers).

Ukosefu wa uwezo wa kitengeneza circuit katika DC unaweza kuongeza ukubwa wa short circuits. Hivyo pia, kwa sababu maeneo ya transformer hayawezii kusaidia time constant ya jumla katika mifumo ya DC, time constant inaondoka na short circuit inaweza kutokea kwa muda mfupi sana wa milisecond kadhaa tu. Inaweza pia kutokea voltage collapse ambako kukabiliana na asilimia 80 au zaidi ya nominal DC voltage ni muhimu kwa converter station (VSC) ili kufanya kazi kwa utaratibu.

Kulindana na kuchelewesha converter, hitilafu lazima liweze kutatuliwa ndani ya milisecond kadhaa tu, hasa kwa stations zisizohusika na mstari au cable uliohitilafu.

Aina za kiteteji barabara DC kiwango cha kati katika soko:
Tatu aina muhimu za circuit breakers katika soko LVDC na MVDC ni solid-state circuit breakers (SSCBs), mechanical circuit breakers (MCBs), na hybrid circuit breakers (HCBs) ambayo ni mix ya SSCB na ultra-fast mechanical switch (UFMS).

MCBs ya AC LV na MV ya kawaida zinazotumia air na SF6 zina uwezo wa kutatulia DC ambao ulikuwa chache tu kilovolts na amperes chache tu.

Kiteteji barabara DC kiwango cha kati solid-state:
Topologija za SSCBs mara nyingi yanategemea Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCTs), Gate Turn-Off Thyristors (GTOs), au Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs), vilivyokuwa vitengenezwa vya series. Ingawa wakati wa majibu ni mkali, kuna hatari ya upungufu mzuri wa on-state losses ambayo huenda kuingia katika range ya 15-30% ya losses za VSC station.

Matukio ya gharama ya bidhaa, ukosefu wa galvanic isolation, na uweko wa thermal absorption unaofeli ni hatari zingine.

Fig. 1 inaheshimu aina fulani ya kiteteji barabara DC kiwango cha kati solid-state:

Fig. 1: a) Kiteteji barabara DC bi-directional IGCT based, (b) Kiteteji barabara DC bi-directional IGCT based, (c) Kiteteji barabara DC bi-directional GTO based

Maelezo tofauti ya SSCB topologies imeproposwa. Lakini, ingawa zaidi yao ni kwa voltages ≤ 1 kV, hasa kwa current madogo ≤ 1000 A. Lazima kujua kuwa hatari kuu ya teknolojia ya SSCB ni upungufu mzuri wa on-state na ingawa baadhi ya makala hureporta MV SSCB inayosatisfy MV voltage level kama vile 6-15 kV, zinazokubalika ni kwa rated current chache tu, lakini power handling capacity itarudi kuwa kwenye MWs kadhaa hadi miaka minne na kamili na tarehe 3 parallel modules (3P:3*3.72 MW).

Kwa hivyo, kutengeneza DC CB na rated power chache tu kwa MVDC architectures za baadaye hutokuwa na faida. Teknolojia ya semiconductors ya umeme haingewezi kufanikisha ratings ya umeme kama hiyo; kwa hivyo, SSCBs za MVDC architectures za baadaye hautakuwa na design compact na cost-effective kwa ufanisi mkubwa. Kwa hii, blowers ya hewa kubwa na capacities zifuatazo six thousand cubic feet per minute na/wa active water cooling zitakubalika kwa multi-kilowatt levels of on-state loss zinazotarajiwa kwa currents mikubwa.

Kiteteji barabara DC kiwango cha kati hybrid (HCBs):
Kiteteji barabara DC kiwango cha kati hybrid yanajumuisha njia ya kutumia current na njia ya kutatulia current.

Kiteteji hybrid kunajumuisha upungufu mzuri wa on-state losses wa ultrafast switch na performance ya haraka ya solid-state breaker katika njia ya parallel. Main breaker unapatikana kwenye njia ya parallel na unajumuisha switches solid-state zinazotegemea series na parallel vilivyokuwa vitengenezwa vya series.

Imetengenezwa modular HCB na module moja kama inavyoonekana kwenye Fig. 2 na rated voltage na current, na uwezo wa kutatulia current wa 6.2 kV, na 600 A, kwa undani.

Ni muhimu kujua kuwa arc chamber ya ultrafast switch tu linapaswa kutengeneza umeme mzuri wa kutosha kwa ajili ya kuhusu current na kusaidia philosophy ya paralleling ya modules. Katika designs zote za SSCB na HCB, residual current disconnector (RCD) na shunt resistor ya kutathmini current inahitajika. Waktu current inapopanda kwenye thamani chache tu inayotarajiwa kwa leakage current ya metal oxide varistor (MOV), disconnector inafunguka, kuleta separation ya system na kuzuia leakage current yoyote kupitia semiconductors na MOV.

Fig 2: Kiteteji barabara DC kiwango cha kati hybrid

UFMS ya main path tu linapaswa kutengeneza umeme mzuri wa kutosha kwa ajili ya kutumia current kwenye full IGBT breaker ya parallel. Resistance ya auxiliary DC breaker, Rdson kwenye 2 kA, na fast mechanical switch linapaswa kuwa chache tu kwa ajili ya kuwa na sifa sawa kama electromechanical circuit breaker. Kutumia UFMS kwenye main path hutolea upungufu mzuri wa on-state na forward voltage kuliko full SSCB.

Design iliyoproposwa inaweza kuwa na faida juu ya high voltage HCBs zinazotengenezwa na ABB na Alstom, kwa sababu (1) hakuna upungufu wa semiconductor wa on-state, (2) control circuit itakuwa rahisi, na (3) "Power Electronic Switch" yenye gharama inaweza kutokuzingatiwa. Kweli, UFMS moja tu linaweza kubadilisha "Power Electronic Switch", na fast disconnector iliyoproposwa na ABB kwenye main path.

Lakini, lazima kuhakikisha kuwa resistance ya contact ya UFMS si zaidi ya contacts electromechanical equivalent na inaweza kutunza holding force capability ya 4.45×10-7 I2 N (i.e > 178 N for 10x in-rush at 2 kA rated with safety factor 2x or 356 N).

Ultrafast Mechanical Switch katika kiteteji barabara DC kiwango cha kati hybrid:
Hatari za kutengeneza philosophy iliyoproposwa ni (1) ikiwa ultrafast switches vinaweza kutengenezwa kwa MV levels, (2) ikiwa buildup ya arc voltage kwa commutation ni suficiente, na (3) ikiwa design sawa ni possible kwa RCB. Jibu linaweza kuwa YES kwa maswali yote kama ilivyodhinishwa chini.

Electromagnetic Thomson coil (TC) actuators yanayofanya kazi kulingana na nguvu za attractive au repulsive kati ya conductors wenye current ni vyema sana kwa switching haraka kwa sababu wanaweza kupata accelerations kubwa kwa kudhibiti kwa uhakika. Hadi sasa, techniques mbili zinazotegemea TC zimeproposwa na kuelezwa vizuri, ambapo ile inayotumia coils series ilipiga ile inayotumia induction kwa efficiency. Techniques hizi zote zilihusishwa na Multiphysics finite element modeling.

Single phase 12 kV (nominal voltage) na 2 kA (nominal current) / 20 kA (short circuit) fault-current limiting circuit breaker (FCLCB) na 24 kV, 3 kA / 40 kA FCLCB inayoweza kusita arc bila forced arc cooling ndani ya 100-300 μs zimetengenezwa, zimejenga.

Fast switch inayotegemea induction na rated current wa 7 kA inaweza kusongeza contact wa HCB wa ~2 kg na initial acceleration wa ~44,900 m/s2 ambayo inatoa 4 mm contact separation baada ya ~422 μs, enough kwa rated switch voltage wa 3 kV.

Motion haraka hii lazima ikidampened mwishoni mwa safari ili kukuzuia over-travel, bounce, fatigue, na mazingira mengine yasiyopendekezwa.