Mga Uri at Paggamit ng Medium Voltage DC Circuit Breaker

Ang mga medium voltage DC circuit breakers ay angkop para sa mga aplikasyon sa mga barko, urban na subway, electric trains, microgrids (electric vehicles), distributed generation (solar energy), at battery-based systems (data centers).

Ang relatibong mababang circuit impedance sa isang DC case ay nagdudulot ng mas mataas na amplitudes ng short circuits. Bukod dito, dahil ang transformer windings ay hindi nakakatulong sa kabuuang time constant sa mga DC systems, ang kabuuang time constant ay lumiliit at ang short circuit ay maaaring may rise times na maikli pa sa ilang milliseconds. Maaari ring mangyari ang voltage collapse kung saan ang pagpanatili ng hindi bababa sa 80% ng nominal DC voltage ay isang precondition para sa normal na pag-operate ng voltage source converter (VSC) station.

Upang mabawasan ang mga disruption sa pag-operate ng converter, kailangang malinaw ang fault sa loob ng ilang milliseconds, lalo na para sa mga stations na hindi konektado sa faulty line o cable.

Mga uri ng medium voltage DC circuit breakers sa merkado:
Ang tatlong pangunahing uri ng circuit breakers sa LVDC at MVDC markets ay ang solid-state circuit breakers (SSCBs), mechanical circuit breakers (MCBs), at hybrid circuit breakers (HCBs) na isang halimbawa ng SSCB na parallel sa ultra-fast mechanical switch (UFMS).

Ang mga conventional air at SF6-based LV at MV AC MCBs ay may tiyak na DC interrupting capability na limitado lamang sa ilang kilovolts at ilang Ampers.

Solid-state medium voltage DC circuit breakers:
Ang topologies para sa SSCBs ay karaniwang batay sa tiyak na bilang ng Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCTs), Gate Turn-Off Thyristors (GTOs), o Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs), na konektado sa series. Bagama't ang response times ay napakabilis, isang drawback nito ay ang substantial on-state losses na karaniwang nasa range ng 15-30% ng losses ng VSC station.

Ang mataas na component costs, kakulangan ng galvanic isolation, at inadequate thermal absorption capacity ay iba pang mga disadvantage.

Ipinaliwanag sa Figura 1 ang isang uri ng solid-state medium voltage DC circuit breaker design:

Figura 1: a) IGCT-based medium voltage bi-directional solid-state circuit breaker, (b) IGCT-based medium voltage bi-directional solid-state circuit breaker, (c) GTO-based bidirectional solid-state circuit breaker

Ipinaparangan ang iba't ibang SSCB topologies. Gayunpaman, ang karamihan sa kanila ay para sa voltages ≤ 1 kV, lalo na para sa low currents ≤ 1000 A. Dapat tandaan na isa sa mga pinakamahirap na aspeto ng SSCB technology ay ang mataas na on-state loss at, bagama't ang ilang mga artikulo ay umuulat ng isang MV SSCB na sumasatisfy sa isang MV voltage level tulad ng 6-15 kV, sila ay karaniwang para sa rated current na less than 1000 A, ngunit ang required power handling capacity ay dapat nasa ilang MWs hanggang sa ilang tens of MWs range na may hindi bababa sa 3 parallel modules (3P:3*3.72 MW).

Kaya, ang pagbuo ng isang DC CB na may rated power na less than 10 MW para sa future MVDC architectures ay halos walang saysay. Ang kasalukuyang power semiconductor technologies ay hindi makakapagtugon sa mga ganitong power ratings; kaya, ang SSCBs para sa future MVDC architectures ay hindi magiging highly efficient cost-effective compact design. Sa aspetong ito, kinakailangan ang mga relatively large air blowers na may capacities na around six thousand cubic feet per minute at/o active water cooling para sa multi-kilowatt levels ng on-state loss na inaasahan para sa high currents.

Hybrid medium voltage DC circuit breakers (HCBs):
Ang mga hybrid medium voltage DC circuit breakers ay kasama ang current conduction path at current interruption path.

Ang isang hybrid breaker ay pina-combine ang napakababang forward losses ng isang pure ultrafast switch at ang mabilis na performance ng isang solid-state breaker sa parallel path. Ang main breaker ay naka-position sa isang parallel path at binubuo ng series at parallel solid-state switches na konektado sa series.

Isinagawa ang isang modular HCB at isang module na ipinaliwanag sa Fig. 2 na may rated voltage at current, at isang current breaking capability ng 6.2 kV, at 600 A, respectively.

Dapat tandaan na ang arc chamber ng ultrafast switch ay kailangang mag-generate ng sapat na voltage upang ipagbigay alam ang current at i-facilitate ang paralleling philosophy ng mga modules. Sa lahat ng SSCB at HCB designs, kinakailangan ang residual current disconnector (RCD) at isang shunt resistor upang sukatin ang current na ipinaliwanag sa Fig. 2. Kapag dumump ang current sa isang mababang value na tinukoy ng leakage current ng metal oxide varistor (MOV), binubuksan ang disconnector, na nag-i-isolate ng sistema at nagpapahinto ng anumang leakage current sa pamamagitan ng semiconductors at MOV.

Fig 2: Hybrid medium voltage DC circuit breaker

Ang UFMS sa main path ay kailangang mag-generate ng sapat na voltage upang commutate ang current sa parallel full IGBT breaker. Ang resistance ng auxiliary DC breaker, Rdson sa 2 kA, at ang fast mechanical switch ay kailangang mas mababa sa 20 mW upang magkaroon ng katulad na characteristics ng isang electromechanical circuit breaker. Ang paggamit ng UFMS sa main path ay nagresulta sa mas mababang on-state losses at forward voltage kaysa sa full SSCB.

Ang proposed design ay maaaring makapagbigay ng benepisyo kumpara sa high voltage HCBs na ginawa ng ABB at Alstom, dahil (1) walang on-state semiconductor loss, (2) mas simple ang control circuit, at (3) maaaring iwasan ang mahal na "Power Electronic Switch" sa main path. Tatsulok, ang isang UFMS lang ay maaaring palitan ang parehong "Power Electronic Switch", at ang fast disconnector na inipon ng ABB para sa main path.

Gayunpaman, kailangang siguraduhin na ang contact resistance ng UFMS ay hindi hihigit sa equivalent electromechanical contacts at may withstand holding force capability ng 4.45×10-7 I2 N (i.e > 178 N para sa 10x in-rush sa 2 kA rated with safety factor 2x o 356 N).

Ultrafast Mechanical Switch sa medium voltage hybrid DC circuit breaker:
Ang mga hamon para sa pag-realize ng nabanggit na philosophy ay (1) kung maaaring ma-develop ang mga ultrafast switches para sa MV levels, (2) kung sapat ang buildup ng arc voltage para sa commutation, at (3) kung posible ang same design para sa RCB. Ang sagot ay maaaring Oo para sa lahat ng tanong tulad ng ipinaliwanag sa ibaba.

Ang electromagnetic Thomson coil (TC) actuators na gumagana batay sa attractive o repulsive forces sa pagitan ng current-carrying conductors ay napakasuitable para sa mabilis na switching dahil maaari silang makamit ang mataas na accelerations sa pamamagitan ng precise control. Hanggang ngayon, dalawang teknik na batay sa TC ang ipinropose at maigi na-ipaliwanag para sa ultra-fast mechanical switches, kung saan ang isa na may series coils ay natalo ang isa na batay sa induction sa aspeto ng efficiency. Ang dalawang teknik na ito ay din ikumpara gamit ang Multiphysics finite element modeling.

Isinagawa at nilikha ang single phase 12 kV (nominal voltage) at 2 kA (nominal current) / 20 kA (short circuit) fault-current limiting circuit breaker (FCLCB) at 24 kV, 3 kA / 40 kA FCLCB na nagbibigay-daan sa arc na mawala without any forced arc cooling within 100-300 μs.

Ang induction-based fast switch na may rated current ng 7 kA ay nag-accelerate ng HCB contact na ~2 kg na may initial acceleration ng ~44,900 m/s2 na resulta ng 4 mm contact separation after ~422 μs, sapat upang matiis ang rated switch voltage ng 3 kV.

Ang mabilis na motion na ito ay kailangang mapahupa sa dulo ng travel upang maiwasan ang over-travel, bounce, fatigue, at iba pang hindi kagustuhan na epekto.