Orta Gerilimli DC Devre Kesicileri Türleri ve Uygulamaları

Orta gerilimli DC anahtarlar, gemilerde, şehir raylı sistemlerinde, elektrik trenlerinde, mikro ağlarda (elektrikli araçlar), dağıtık jenerasyonda (güneş enerjisi) ve pil tabanlı sistemlerde (veri merkezleri) uygulanabilir.

DC durumunda nispeten düşük devre direnci, kısa devre akımlarının daha yüksek amplitudelere sahip olmasını sağlar. Ayrıca, dönüştürücü sarımları DC sistemlerinde genel zaman sabitine katkıda bulunmadığı için, genel zaman sabiti küçülür ve kısa devre yükseliş süreleri birkaç milisaniye kadar olabilir. Nominal DC voltajının en az %80'ini koruma, voltaj kaynağı dönüştürücüsü (VSC) istasyonunun normal çalışması için ön koşuldur.

Dönüştürücü operasyonlarının kesintilerini minimize etmek için, hat veya kablo ile bağlantılı olmayan istasyonlar için özellikle, arızanın birkaç milisaniye içinde temizlenmesi gerekir.

Pazardaki orta gerilimli DC anahtar tipleri:
LVDC ve MVDC pazarlarındaki üç ana anahtar tipi, katı hal anahtarlardır (SSCBs), mekanik anahtarlardır (MCBs) ve ultra hızlı mekanik anahtar (UFMS) ile paralel bir SSCB karışımı olan hibrit anahtarlardır (HCBs).

Geleneksel hava ve SF6 tabanlı LV ve MV AC MCBs, sadece birkaç kilovolt ve birkaç Amper'e kadar sınırlı bir DC kesme kapasitesine sahiptir.

Katı hal orta gerilimli DC anahtarlari:
SSCB topolojileri genellikle belirli sayıda Entegre Kapı Komütatör Tirenistoru (IGCT), Kapı Kapatma Tirenistoru (GTO) veya yalıtılmış kapak çift poligoni transistör (IGBT) serili olarak bağlantılıdır. Cevap süreleri inanılmaz hızlı olsa da, bir dezavantaj, VSC istasyonunun kayıplarının %15-30'una karşılık gelen önemli on-durum kayıplarıdır.

Yüksek bileşen maliyetleri, galvanik izolasyon eksikliği ve yetersiz termal soğutma kapasitesi diğer dezavantajlardır.

Şekil 1, bazı tür katı hal orta gerilimli DC anahtar tasarımını gösterir:

Şekil 1: a) IGCT tabanlı orta gerilimli çift yönlü katı hal anahtarı, (b) IGCT tabanlı orta gerilimli çift yönlü katı hal anahtarı, (c) GTO tabanlı çift yönlü katı hal anahtarı

Farklı SSCB topolojileri önerilmiştir. Ancak, bunların çoğu ≤ 1 kV voltajları, özellikle ≤ 1000 A düşük akımlar için tasarlanmıştır. Not edilmesi gereken en zorlu yönlerden biri, yüksek on-durum kaybıdır ve bazı makaleler 6-15 kV gibi MV voltaj seviyesini karşılayan bir MV SSCB rapor etse de, genellikle 1000 A'dan daha düşük nominal akım için tasarlantırlar. Ancak, gerekli güç işleme kapasitesi MW'ler cinsinden olmalıdır, en az 3 paralel modül (3P:3*3.72 MW) ile.

Bu nedenle, gelecekteki MVDC mimarileri için 10 MW'dan daha düşük nominal güçte bir DC anahtarı geliştirmek neredeyse işe yaramaz hale gelir. Mevcut güç yarı iletken teknolojileri bu güç seviyelerini karşılayamaz; bu nedenle, gelecekteki MVDC mimarileri için SSCB'ler, oldukça verimli, maliyet etkin ve kompakt bir tasarım sağlamayacaktır. Bu bağlamda, çok kilowatt düzeyinde on-durum kaybı için yaklaşık altı bin küp fit dakikalık kapasitelere sahip nispeten büyük hava üfleyiciler ve/veya aktif su soğutması gereklidir.

Hibrit orta gerilimli DC anahtarlari (HCBs):
Hibrit orta gerilimli DC anahtarlari, bir akım iletim yolu ve bir akım kesme yolu içerir.

Bir hibrit anahtar, saf ultra hızlı anahtarın çok düşük ileri kayıplarını, paralel yolda katı hal anahtarın hızlı performansıyla birleştirir. Ana anahtar, paralel bir yolda yer alır ve seri ve paralel katı hal anahtarlarından oluşan bir seriyi içerir.

Geliştirilen bir modüler HCB ve Şekil 2'de gösterildiği gibi, 6.2 kV ve 600 A'nın sırasıyla nominal gerilim ve akım değerlerine sahip bir modül oluşturuldu.

Ultra hızlı anahtarın ark odası, akımın geçirilmesini sağlamak ve modüllerin paralel felsefesini kolaylaştırmak için yeterli voltaj oluşturması gerekmektedir. Tüm SSCB ve HCB tasarımlarında, Şekil 2'de gösterildiği gibi, artıklık akım disyonktörü (RCD) ve akımı ölçmek için şunt rezistör gereklidir. Akım, metal oksit varistörün (MOV) sızıntı akımı tarafından belirlenen düşük bir değere düşerken, disyonktör açılır, sistemi izole eder ve yarı iletkenler ve MOV üzerinden herhangi bir sızıntı akımını önler.

Şekil 2: Hibrit orta gerilimli DC anahtarı

Ana yolun UFMS'si, akımı paralel tam IGBT anahtarına yönlendirmek için yeterince yüksek bir voltaj oluşturmalıdır. Yardımcı DC anahtarının Rdson direnci 2 kA'da ve hızlı mekanik anahtarın direnci, elektromekanik bir devre kesici ile benzer özelliklere sahip olmak için 20 mW'dan daha düşük olmalıdır. Ana yolda UFMS kullanmak, tam bir SSCB'ye kıyasla daha düşük on-durum kayıplarına ve ileri voltaja sahip olur.

Önerilen tasarım, ABB ve Alstom tarafından üretilen yüksek gerilimli HCB'lere göre avantajlı olabilir, çünkü (1) on-durum yarı iletken kaybı yoktur, (2) kontrol devresi daha basittir ve (3) ana yol üzerindeki pahalı "Power Electronic Switch", kaçınılabilir. Gerçekten de, sadece bir UFMS, ana yol için ABB tarafından önerilen "Power Electronic Switch" ve hızlı disyonktörü ikisinin yerini alabilir.

Ancak, UFMS temas direncinin, eşdeğer elektromekanik kontaklardan daha fazla olmadığından ve 2 kA nominal akım için güvenlik faktörü 2x veya 356 N ile 10x giriş akımı için 4.45×10-7 I2 N tutma gücüne sahip olduğundan emin olunmalıdır (yani > 178 N).

Orta gerilimli hibrit DC anahtarındaki Ultra Hızlı Mekanik Anahtar:
Belirtilen felsefenin gerçekleştirilmesi için zorluklar (1) böyle ultra hızlı anahtarların MV seviyeleri için geliştirilebilip geliştirilemeyeceği, (2) komütasyon için yeterince yüksek ark voltajının oluşup oluşmayacağı ve (3) aynı tasarım RCB için mümkün olup olmadığıdır. Bütün bu soruların cevabı aşağıda tartışıldığı gibi EVET olabilir.

Elektromanyetik Thomson bobin (TC) aktüatörleri, akım taşıyan iletkenler arasındaki çekicilik veya iticilik kuvvetlerine dayanarak çalışır ve hassas kontrol ile yüksek ivmeler elde edebilir. TC'ye dayalı iki teknik önerilmiş ve ultra hızlı mekanik anahtarlar için detaylandırılmıştır, serili bobinlere dayalı olan tekniğin indüksiyona dayalı olan teknikten daha verimli olduğu görülmüştür. Bu iki teknik ayrıca Multiphysics sonlu eleman modellemesi ile de karşılaştırılmıştır.

Tek fazlı 12 kV (nominal gerilim) ve 2 kA (nominal akım) / 20 kA (kısa devre) arızalı akım sınırlama devre kesicisi (FCLCB) ve 24 kV, 3 kA / 40 kA FCLCB, herhangi bir zorlanmış ark soğutmasız 100-300 μs içinde arka söndürülmesine imkan tanıyan tasarlanıp yapılmıştır.

Indüksiyona dayalı hızlı anahtar, 7 kA nominal akım ile ~2 kg'lık bir HCB temasını ~44,900 m/s2 başlangıç ivmesiyle hızlandırır, bu sonuçta ~422 μs sonra 4 mm temas ayrılması, 3 kV nominal anahtar voltajını dayanacak kadar yeterlidir.

Bu hızlı hareket, aşırı seyahat, zıplama, yorgunluk ve diğer istenmeyen etkileri önlemek için seyahatin sonunda zayıflatılmalıdır.