วงจรป้องกันกระแสไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันกลางประเภทและแอปพลิเคชัน

วงจรตัดไฟกระแสตรงแรงดันกลางเหมาะสมสำหรับการใช้งานในเรือ เครื่องรถไฟใต้ดิน รถไฟฟ้า ไมโครกริด (ยานพาหนะไฟฟ้า) การผลิตไฟฟ้ากระจาย (พลังงานแสงอาทิตย์) และระบบที่ใช้แบตเตอรี่เป็นฐาน (ศูนย์ข้อมูล)

ความต้านทานวงจรต่ำในกรณีกระแสตรงทำให้มีขนาดของวงจรลัดวงจรสูงขึ้น นอกจากนี้เนื่องจากวงจรหม้อแปลงไม่ได้มีส่วนในการกำหนดค่าคงที่เวลาโดยรวมในระบบกระแสตรง ค่าคงที่เวลาโดยรวมจะลดลงและวงจรลัดวงจรอาจมีเวลาเพิ่มขึ้นภายในไม่กี่มิลลิวินาที การล่มของแรงดันอาจเกิดขึ้นเมื่อการรักษาอย่างน้อย 80% ของแรงดันกระแสตรงตามมาตรฐานเป็นเงื่อนไขสำหรับสถานีแปลงไฟฟ้าแบบแหล่งกำเนิดแรงดัน (VSC) ทำงานอย่างปกติ

เพื่อลดการหยุดชะงักของการทำงานของคอนเวอร์เตอร์ ต้องกำจัดความผิดพลาดภายในไม่กี่มิลลิวินาที โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับสถานีที่ไม่ได้เชื่อมต่อกับสายหรือสายเคเบิลที่เสียหาย

ประเภทของวงจรตัดไฟกระแสตรงแรงดันกลางในตลาด:
วงจรตัดไฟสามประเภทหลักในตลาด LVDC และ MVDC คือวงจรตัดไฟแบบโซลิดสเตต (SSCBs) วงจรตัดไฟแบบกลไก (MCBs) และวงจรตัดไฟแบบไฮบริด (HCBs) ซึ่งเป็นการผสมผสานระหว่าง SSCB กับสวิตช์กลไกที่รวดเร็วมาก (UFMS)

วงจรตัดไฟ AC MCBs แบบอากาศและ SF6 ทั่วไปมีความสามารถในการตัดกระแสตรงจำกัดอยู่ที่เพียงไม่กี่กิโลโวลต์และแอมแปร์

วงจรตัดไฟกระแสตรงแรงดันกลางแบบโซลิดสเตต:
โครงสร้างของ SSCBs มักจะขึ้นอยู่กับ Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCTs) จำนวนหนึ่ง Gate Turn-Off Thyristors (GTOs) หรือ Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม แม้ว่าเวลาตอบสนองจะรวดเร็วมาก แต่ข้อเสียอย่างหนึ่งคือการสูญเสียในภาวะเปิดที่สูงโดยทั่วไปอยู่ในช่วง 15-30% ของความสูญเสียของสถานี VSC

ต้นทุนส่วนประกอบสูง การขาดการแยกทางกาลวาน และความสามารถในการดูดซับความร้อนไม่เพียงพอเป็นข้อเสียอื่น ๆ

ภาพที่ 1 แสดงการออกแบบบางประเภทของวงจรตัดไฟกระแสตรงแรงดันกลางแบบโซลิดสเตต:

ภาพที่ 1: a) วงจรตัดไฟแบบโซลิดสเตตสองทางแรงดันกลางที่ใช้ IGCT, (b) วงจรตัดไฟแบบโซลิดสเตตสองทางแรงดันกลางที่ใช้ IGCT, (c) วงจรตัดไฟแบบโซลิดสเตตสองทางที่ใช้ GTO

โครงสร้างของ SSCB หลายประเภทถูกเสนอมาแล้ว อย่างไรก็ตาม ส่วนใหญ่สำหรับแรงดัน ≤ 1 kV โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับกระแส ≤ 1000 A ควรทราบว่าหนึ่งในความท้าทายที่สำคัญของเทคโนโลยี SSCB คือการสูญเสียในภาวะเปิดที่สูง แม้ว่าบทความบางเรื่องจะรายงานว่ามีวงจรตัดไฟ MV SSCB ที่สามารถทำงานได้ที่ระดับแรงดัน MV เช่น 6-15 kV แต่โดยทั่วไปสำหรับกระแสที่กำหนดน้อยกว่า 1000 A แต่ความจุในการจัดการพลังงานที่ต้องการจะอยู่ในช่วงไม่กี่ MW ถึงไม่กี่สิบ MW ด้วยโมดูลขนานอย่างน้อย 3 โมดูล (3P:3*3.72 MW)

ดังนั้น การพัฒนาวงจรตัดไฟ DC ที่มีกำลังที่กำหนดน้อยกว่า 10 MW สำหรับสถาปัตยกรรม MVDC ในอนาคตจะกลายเป็นแทบไม่มีประโยชน์ เทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ในปัจจุบันไม่สามารถรองรับกำลังดังกล่าวได้ ดังนั้น SSCBs สำหรับสถาปัตยกรรม MVDC ในอนาคตจะไม่นำไปสู่การออกแบบที่มีประสิทธิภาพและคุ้มค่า ในทางนี้ ลมเป่าขนาดใหญ่ที่มีความจุประมาณหกพันลูกบาศก์ฟุตต่อนาทีและการทำความเย็นด้วยน้ำแบบแอคทีฟจำเป็นสำหรับการสูญเสียในภาวะเปิดหลายกิโลวัตต์ที่คาดว่าจะเกิดขึ้นสำหรับกระแสสูง

วงจรตัดไฟกระแสตรงแรงดันกลางแบบไฮบริด (HCBs):
วงจรตัดไฟกระแสตรงแรงดันกลางแบบไฮบริดรวมถึงทางเดินกระแสและการตัดกระแส

วงจรตัดไฟแบบไฮบริดรวมการสูญเสียในภาวะเปิดที่ต่ำมากของสวิตช์ที่รวดเร็วมากกับประสิทธิภาพที่รวดเร็วของวงจรตัดไฟแบบโซลิดสเตตในทางเดินขนาน วงจรตัดไฟหลักตั้งอยู่บนทางเดินขนานและประกอบด้วยสวิตช์โซลิดสเตตที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมและขนาน

ได้พัฒนาวงจรตัดไฟ HCB แบบโมดูลาร์และโมดูลหนึ่งโมดูลตามที่แสดงในภาพที่ 2 พร้อมแรงดันและกระแสที่กำหนด และความสามารถในการตัดกระแส 6.2 kV และ 600 A ตามลำดับ

ควรทราบว่าห้องอาร์กของสวิตช์ที่รวดเร็วมากเพียงแค่ต้องสร้างแรงดันเพียงพอเพื่อสื่อสารกระแสและอำนวยความสะดวกในการขนานของโมดูล ในทุกการออกแบบของ SSCB และ HCB จำเป็นต้องมีสวิตช์ตัดกระแสคงเหลือ (RCD) และตัวต้านทานขนานเพื่อวัดกระแสตามที่แสดงในภาพที่ 2 เมื่อกระแสลดลงถึงค่าที่กำหนดโดยกระแสรั่วของตัวต้านทาน varistor ออกไซด์โลหะ (MOV) สวิตช์ตัดกระแสจะเปิด แยกระบบและป้องกันกระแสรั่วผ่านเซมิคอนดักเตอร์และ MOV

ภาพที่ 2: วงจรตัดไฟกระแสตรงแรงดันกลางแบบไฮบริด

สวิตช์ที่รวดเร็วมากในทางเดินหลักเพียงแค่ต้องสร้างแรงดันเพียงพอเพื่อเปลี่ยนกระแสไปยังวงจรตัดไฟ IGBT แบบเต็มขนาน ความต้านทานของวงจรตัดไฟ DC ช่วยเหลือ Rdson ที่ 2 kA และสวิตช์กลไกที่รวดเร็วต้องน้อยกว่า 20 mW เพื่อมีลักษณะคล้ายกับวงจรตัดไฟแบบอิเล็กโทรกลไก การใช้สวิตช์ที่รวดเร็วมากในทางเดินหลักทำให้มีการสูญเสียในภาวะเปิดและแรงดันที่ต่ำกว่าวงจรตัดไฟแบบโซลิดสเตตเต็ม

การออกแบบที่เสนอสามารถเป็นประโยชน์เหนือกว่าวงจรตัดไฟ HCB แรงดันสูงที่ผลิตโดย ABB และ Alstom เพราะ (1) ไม่มีการสูญเสียในภาวะเปิดของเซมิคอนดักเตอร์, (2) วงจรควบคุมจะง่ายขึ้น, และ (3) "Power Electronic Switch" ที่แพงในทางเดินหลัก สามารถหลีกเลี่ยงได้ จริงๆ แล้วสวิตช์ที่รวดเร็วมากเพียงสวิตช์เดียวสามารถทดแทนทั้ง "Power Electronic Switch" และสวิตช์ตัดกระแสที่รวดเร็วที่ ABB ได้เสนอสำหรับทางเดินหลัก

อย่างไรก็ตาม ต้องแน่ใจว่าความต้านทานของสวิตช์ที่รวดเร็วมากไม่เกินความต้านทานของตัวต่อตัวแบบอิเล็กโทรกลไกและมีความสามารถในการทนแรงกดที่ 4.45×10-7 I2 N (เช่น > 178 N สำหรับกระแสเริ่มต้น 10x ที่กำหนด 2 kA ด้วยปัจจัยความปลอดภัย 2x หรือ 356 N)

สวิตช์กลไกที่รวดเร็วมากในวงจรตัดไฟกระแสตรงแรงดันกลางแบบไฮบริด:
ความท้าทายในการทำให้แนวคิดดังกล่าวเป็นจริงคือ (1) ว่าสวิตช์ที่รวดเร็วมากดังกล่าวสามารถพัฒนาสำหรับระดับ MV ได้หรือไม่, (2) ว่าแรงดันอาร์กที่สะสมสำหรับการเปลี่ยนกระแสเพียงพอหรือไม่, และ (3) ว่าการออกแบบเดียวกันนี้เป็นไปได้สำหรับ RCB คำตอบอาจเป็น YES สำหรับคำถามทั้งหมดตามที่กล่าวไว้ด้านล่าง

ตัวกระทำ Thomson coil (TC) ที่ทำงานตามแรงดึงหรือแรงดันระหว่างตัวนำที่มีกระแสไหลผ่าน非常适合电力科技领域的翻译。以下是根据您的要求翻译成泰语的内容： ```html

วงจรตัดไฟแรงดันกลางกระแสตรงเหมาะสำหรับการใช้งานในเรือ, รถไฟใต้ดิน, รถไฟฟ้า, ไมโครกริด (ยานพาหนะไฟฟ้า), การผลิตไฟฟ้ากระจาย (พลังงานแสงอาทิตย์), และระบบแบตเตอรี่ (ศูนย์ข้อมูล)

ความต้านทานวงจรต่ำในกรณีของกระแสตรงทำให้มีขนาดของวงจรลัดวงจรสูงขึ้น ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจากวงจรหม้อแปลงไม่ได้มีส่วนในการกำหนดค่าคงที่เวลาโดยรวมในระบบกระแสตรง ค่าคงที่เวลาโดยรวมจะลดลงและวงจรลัดวงจรอาจมีเวลาเพิ่มขึ้นภายในไม่กี่มิลลิวินาที การล่มของแรงดันอาจเกิดขึ้นเมื่อรักษาอย่างน้อย 80% ของแรงดันกระแสตรงตามมาตรฐานเป็นเงื่อนไขสำหรับสถานีแปลงไฟฟ้าแบบแหล่งกำเนิดแรงดัน (VSC) ให้ทำงานอย่างปกติ

เพื่อลดการหยุดชะงักของการทำงานของคอนเวอร์เตอร์ ต้องกำจัดความผิดปกติภายในไม่กี่มิลลิวินาที โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับสถานีที่ไม่ได้เชื่อมต่อกับสายหรือสายเคเบิลที่เสียหาย

ประเภทของวงจรตัดไฟแรงดันกลางกระแสตรงในตลาด:
วงจรตัดไฟสามประเภทหลักในตลาด LVDC และ MVDC คือวงจรตัดไฟแบบโซลิดสเตต (SSCBs), วงจรตัดไฟแบบกลไก (MCBs), และวงจรตัดไฟแบบไฮบริด (HCBs) ซึ่งเป็นการผสมผสานระหว่าง SSCB กับสวิตช์กลไกที่รวดเร็วมาก (UFMS)

วงจรตัดไฟ AC MCBs แบบอากาศและ SF6 ทั่วไปมีความสามารถในการตัดกระแสตรงจำกัดอยู่ที่เพียงไม่กี่กิโลโวลต์และแอมแปร์

วงจรตัดไฟแรงดันกลางกระแสตรงแบบโซลิดสเตต:
โครงสร้างของ SSCBs มักจะขึ้นอยู่กับ Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCTs) จำนวนหนึ่ง, Gate Turn-Off Thyristors (GTOs), หรือ Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม แม้ว่าเวลาตอบสนองจะรวดเร็วมาก แต่ข้อเสียอย่างหนึ่งคือการสูญเสียในภาวะเปิดที่สูงโดยทั่วไปอยู่ในช่วง 15-30% ของความสูญเสียของสถานี VSC

ต้นทุนส่วนประกอบสูง การขาดการแยกทางกาลวาน และความสามารถในการดูดซับความร้อนไม่เพียงพอเป็นข้อเสียอื่น ๆ

รูปที่ 1 แสดงการออกแบบบางประเภทของวงจรตัดไฟแรงดันกลางกระแสตรงแบบโซลิดสเตต:

รูปที่ 1: a) วงจรตัดไฟแบบโซลิดสเตตสองทางแรงดันกลางที่ใช้ IGCT, (b) วงจรตัดไฟแบบโซลิดสเตตสองทางแรงดันกลางที่ใช้ IGCT, (c) วงจรตัดไฟแบบโซลิดสเตตสองทางที่ใช้ GTO

โครงสร้างของ SSCB หลายประเภทถูกเสนอมาแล้ว อย่างไรก็ตาม ส่วนใหญ่สำหรับแรงดัน ≤ 1 kV โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับกระแส ≤ 1000 A ควรทราบว่าหนึ่งในความท้าทายที่สำคัญของเทคโนโลยี SSCB คือการสูญเสียในภาวะเปิดที่สูง แม้ว่าบทความบางเรื่องจะรายงานว่ามีวงจรตัดไฟ MV SSCB ที่สามารถทำงานได้ที่ระดับแรงดัน MV เช่น 6-15 kV แต่โดยทั่วไปสำหรับกระแสที่กำหนดน้อยกว่า 1000 A แต่ความจุในการจัดการพลังงานที่ต้องการจะอยู่ในช่วงไม่กี่ MW ถึงไม่กี่สิบ MW ด้วยโมดูลขนานอย่างน้อย 3 โมดูล (3P:3*3.72 MW)

ดังนั้น การพัฒนาวงจรตัดไฟ DC ที่มีกำลังที่กำหนดน้อยกว่า 10 MW สำหรับสถาปัตยกรรม MVDC ในอนาคตจะกลายเป็นแทบไม่มีประโยชน์ เทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ในปัจจุบันไม่สามารถรองรับกำลังดังกล่าวได้ ดังนั้น SSCBs สำหรับสถาปัตยกรรม MVDC ในอนาคตจะไม่นำไปสู่การออกแบบที่มีประสิทธิภาพและคุ้มค่า ในทางนี้ ลมเป่าขนาดใหญ่ที่มีความจุประมาณหกพันลูกบาศก์ฟุตต่อนาทีและการทำความเย็นด้วยน้ำแบบแอคทีฟจำเป็นสำหรับการสูญเสียในภาวะเปิดหลายกิโลวัตต์ที่คาดว่าจะเกิดขึ้นสำหรับกระแสสูง

วงจรตัดไฟแรงดันกลางกระแสตรงแบบไฮบริด (HCBs):
วงจรตัดไฟแรงดันกลางกระแสตรงแบบไฮบริดรวมถึงทางเดินกระแสและการตัดกระแส

วงจรตัดไฟแบบไฮบริดรวมการสูญเสียในภาวะเปิดที่ต่ำมากของสวิตช์ที่รวดเร็วมากกับประสิทธิภาพที่รวดเร็วของวงจรตัดไฟแบบโซลิดสเตตในทางเดินขนาน วงจรตัดไฟหลักตั้งอยู่บนทางเดินขนานและประกอบด้วยสวิตช์โซลิดสเตตที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมและขนาน

ได้พัฒนาวงจรตัดไฟ HCB แบบโมดูลาร์และโมดูลหนึ่งโมดูลตามที่แสดงในรูปที่ 2 พร้อมแรงดันและกระแสที่กำหนด และความสามารถในการตัดกระแส 6.2 kV และ 600 A ตามลำดับ

ควรทราบว่าห้องอาร์กของสวิตช์ที่รวดเร็วมากเพียงแค่ต้องสร้างแรงดันเพียงพอเพื่อสื่อสารกระแสและอำนวยความสะดวกในการขนานของโมดูล ในทุกการออกแบบของ SSCB และ HCB จำเป็นต้องมีสวิตช์ตัดกระแสคงเหลือ (RCD) และตัวต้านทานขนานเพื่อวัดกระแสตามที่แสดงในรูปที่ 2 เมื่อกระแสลดลงถึงค่าที่กำหนดโดยกระแสรั่วของตัวต้านทาน varistor ออกไซด์โลหะ (MOV) สวิตช์ตัดกระแสจะเปิด แยกระบบและป้องกันกระแสรั่วผ่านเซมิคอนดักเตอร์และ MOV

รูปที่ 2: วงจรตัดไฟแรงดันกลางกระแสตรงแบบไฮบริด

สวิตช์ที่รวดเร็วมากในทางเดินหลักเพียงแค่ต้องสร้างแรงดันเพียงพอเพื่อเปลี่ยนกระแสไปยังวงจรตัดไฟ IGBT แบบเต็มขนาน ความต้านทานของวงจรตัดไฟ DC ช่วยเหลือ Rdson ที่ 2 kA และสวิตช์กลไกที่รวดเร็วต้องน้อยกว่า 20 mΩ เพื่อมีลักษณะคล้ายกับวงจรตัดไฟแบบอิเล็กโทรกลไก การใช้สวิตช์ที่รวดเร็วมากในทางเดินหลักทำให้มีการสูญเสียในภาวะเปิดและแรงดันที่ต่ำกว่าวงจรตัดไฟแบบโซลิดสเตตเต็ม

การออกแบบที่เสนอสามารถเป็นประโยชน์เหนือกว่าวงจรตัดไฟ HCB แรงดันสูงที่ผลิตโดย ABB และ Alstom เพราะ (1) ไม่มีการสูญเสียในภาวะเปิดของเซมิคอนดักเตอร์, (2) วงจรควบคุมจะง่ายขึ้น, และ (3) "Power Electronic Switch" ที่แพงในทางเดินหลัก สามารถหลีกเลี่ยงได้ จริงๆ แล้วสวิตช์ที่รวดเร็วมากเพียงสวิตช์เดียวสามารถทดแทนทั้ง "Power Electronic Switch" และสวิตช์ตัดกระแสที่รวดเร็วที่ ABB ได้เสนอสำหรับทางเดินหลัก

อย่างไรก็ตาม ต้องแน่ใจว่าความต้านทานของสวิตช์ที่รวดเร็วมากไม่เกินความต้านทานของตัวต่อตัวแบบอิเล็กโทรกลไกและมีความสามารถในการทนแรงกดที่ 4.45×10^-7 I^2 N (เช่น > 178 N สำหรับกระแสเริ่มต้น 10x ที่กำหนด 2 kA ด้วยปัจจัยความปลอดภัย 2x หรือ 356 N)

สวิตช์กลไกที่รวดเร็วมากในวงจรตัดไฟแรงดันกลางกระแสตรงแบบไฮบริด:
ความท้าทายในการทำให้แนวคิดดังกล่าวเป็นจริงคือ (1) ว่าสวิตช์ที่รวดเร็วมากดังกล่าวสามารถพัฒนาสำหรับระดับ MV ได้หรือไม่, (2) ว่าแรงดันอาร์กที่สะสมสำหรับการเปลี่ยนกระแสเพียงพอหร