Типи та застосування середньовольтних постійнострімових автоматичних вимикачів

Середньовольтажні DC вимикачі підходять для застосування на кораблях, міській метрополітені, електричних потягах, мікро мережах (електромобілі), розподіленій генерації (сонячна енергія) та системах на базі акумуляторів (дата-центри).

Відносно низька імпедансна характеристика у випадку постійного струму призводить до більших амплітуд коротких замикань. Крім того, оскільки витки трансформаторів не впливають на загальну часову сталу в системах постійного струму, загальна часова стала зменшується, і коротке замикання може мати тривалість підйому лише кілька мілісекунд. Також може відбутися обвал напруги, де підтримка принаймні 80% номінальної DC напруги є передумовою для нормальної роботи станції з джерелом напруги (VSC).

Для мінімізації перебоїв у роботі конвертера, аварію необхідно ліквідувати протягом кількох мілісекунд, особливо для станцій, які не пов'язані з аварійним лінією або кабелем.

Типи середньовольтажних DC вимикачів на ринку:
Основні три типи вимикачів на ринку LVDC та MVDC — це твердотільні вимикачі (SSCBs), механічні вимикачі (MCBs) та гібридні вимикачі (HCBs), які є комбінацією SSCB паралельно з ультрависокошвидкісним механічним перемикачем (UFMS).

Звичайні повітряні та SF6-основні LV та MV AC MCB мають певну здатність до переривання постійного струму, обмежену лише кількома кіловольтами та кількома амперами.

Твердотільні середньовольтажні DC вимикачі:
Топології для SSCB зазвичай базуються на певній кількості інтегрованих воріткових управлюваних тирістрів (IGCTs), тирістрів з ворітковим вимиканням (GTOs) або ізольованих воріткових біполярних транзисторів (IGBTs), з'єднаних в ряд. Хоча швидкість відгуку дуже швидка, одним з недоліків є значні втрати в режимі провідності, зазвичай в діапазоні 15-30% від втрат VSC станції.

Високі вартості компонентів, відсутність гальванічної ізоляції та недостатня термічна абсорбційна здатність є іншими недоліками.

Рисунок 1 показує деякі типи конструкцій твердотільних середньовольтажних DC вимикачів:

Рисунок 1: a) IGCT-основний середньовольтажний двосторонній твердотільний вимикач, (b) IGCT-основний середньовольтажний двосторонній твердотільний вимикач, (c) GTO-основний двосторонній твердотільний вимикач

Було запропоновано різні топології SSCB. Однак, більшість з них призначена для напруг ≤ 1 кВ, особливо для низьких струмів ≤ 1000 А. Варто зазначити, що одним із найбільш складних аспектів технології SSCB є високі втрати в режимі провідності, і хоча деякі статті звітують про MV SSCB, що задовольняє рівень напруги MV, такий як 6-15 кВ, вони зазвичай призначені для номінального струму менше 1000 А. Але потрібна потужність обробки становила б деякі MW до кількох десятків MW з принаймні 3 паралельними модулями (3P:3*3.72 MW).

Таким чином, розробка DC вимикача з номінальною потужністю менше 10 MW для майбутніх архітектур MVDC стає практично марною. Поточні технології силових напівпровідників не можуть задовольнити такі потужності; наслідком чого, SSCB для майбутніх архітектур MVDC не призведуть до високоєфективного, економічного компактного дизайну. У цьому контексті, відносно великі повітряні нагнетачі з пропускною спроможністю близько шести тисяч кубічних футів на хвилину та/або активне водне охолодження потрібні для рівнів втрат в режимі провідності в кілька кіловатт, очікуваних для високих струмів.

Гібридні середньовольтажні DC вимикачі (HCBs):
Гібридні середньовольтажні DC вимикачі включають шлях провідності струму та шлях переривання струму.

Гібридний вимикач поєднує надзвичайно низькі втрати в режимі провідності чистого ультрависокошвидкісного перемикача з швидким виконанням твердотільного вимикача в паралельному шляху. Основний вимикач розташований на паралельному шляху і складається з серійних та паралельних твердотільних перемикачів, з'єднаних в ряд.

Було розроблено модульний HCB, і один модуль, як показано на Рис. 2, з номінальною напругою та струмом, та здатністю переривання струму 6.2 кВ та 600 А відповідно.

Варто зазначити, що камера дуги ультрависокошвидкісного перемикача просто повинна генерувати достатню напругу для передачі струму та забезпечити філософію паралельного з'єднання модулів. У всіх дизайнів SSCB та HCB потрібен роз'єднуючий пристрій залишкового струму (RCD) та шунтируючий резистор для вимірювання струму, як показано на Рис. 2. Коли струм знижується до низького значення, визначеного течією через металоксидний варистор (MOV), роз'єднуючий пристрій відкривається, ізольуючи систему та запобігаючи будь-якій течії струму через напівпровідники та MOV.

Рис. 2: Гібридний середньовольтажний DC вимикач

У головному шляху UFMS просто повинен генерувати достатню напругу для комутації струму до паралельного повного IGBT вимикача. Опір допоміжного DC вимикача, Rdson при 2 кА, та швидкий механічний перемикач повинні бути менші за 20 мВ, щоб мати схожі характеристики з електромеханічним вимикачем. Використання UFMS у головному шляху призводить до нижчих втрат в режимі провідності та впередній напруги, ніж повний SSCB.

Запропонований дизайн може бути вигіднішим порівняно з високовольтажними HCB, виготовленими ABB та Alstom, тому що (1) немає втрат напівпровідників в режимі провідності, (2) його керуючий контур буде простішим, (3) дорогий "Power Electronic Switch" у головному шляху можна уникнути. Дійсно, лише один UFMS може замінити як "Power Electronic Switch", так і швидкий роз'єднуючий пристрій, запропонований ABB для головного шляху.

Однак, потрібно забезпечити, щоб опір контакту UFMS не перевищував еквівалентні електромеханічні контакти та мав здатність витримувати змінну силу утримання 4.45×10-7 I2 Н (тобто > 178 Н для 10-кратного впливу при номінальному струмі 2 кА з коефіцієнтом безпеки 2x або 356 Н).

Ультрависокошвидкісний механічний перемикач у гібридному середньовольтажному DC вимикачу:
Виклики для реалізації зазначеного підходу полягають у (1) чи можна розробити такі ультрависокошвидкісні перемикачі для рівнів MV, (2) чи достатньо висока напруга дуги для комутації, (3) чи можливо такий же дизайн для RCB. Відповідь може бути ТАК для всіх питань, як обговорено нижче.

Електромагнітні актюатори на основі катушок Томсона (TC), що працюють на основі притягання або відштовхування між провідниками, що пропускають струм, дуже підходять для швидкого перемикання, оскільки можуть досягати високих прискорень через точне керування. На даний момент було запропоновано та детально розглянуто два методи на основі TC, де метод з серійними катушками перевищив метод на основі індукції за ефективністю. Ці два методи також були порівняні за допомогою мультифізичного моделювання скінченними елементами.

Було розроблено, побудовано однофазний 12 кВ (номінальна напруга) та 2 кА (номінальний струм) / 20 кА (короткий замик) вимикач з обмеженням струму (FCLCB) та 24 кВ, 3 кА / 40 кА FCLCB, що дозволяє згасити дугу без будь-якого примусового охолодження дуги протягом 100-300 мкс.

Швидкий перемикач на основі індукції з номінальним струмом 7 кА прискорює контакт HCB масою ~2 кг з початковим прискоренням ~44,900 м/с2, що призводить до розділення контакту на 4 мм після ~422 мкс, достатньо для витримання номінальної напруги перемикача 3 кВ.

Цей швидкий рух повинен бути затишений в кінці ходу, щоб запобігти перевищенню, вібраціям, втомі та іншим небажаним ефектам.