Các loại và ứng dụng của cầu chì điện áp trung bình DC

Cầu chì điện áp trung bình DC phù hợp cho các ứng dụng trên tàu thủy, tàu điện ngầm đô thị, xe điện, lưới điện vi mô (xe điện), nguồn điện phân tán (năng lượng mặt trời) và hệ thống dựa trên pin (trung tâm dữ liệu).

Độ cản mạch tương đối thấp trong trường hợp DC dẫn đến biên độ ngắn mạch cao hơn. Hơn nữa, do cuộn dây biến áp không đóng góp vào hằng số thời gian tổng thể trong các hệ thống DC, hằng số thời gian tổng thể giảm và một ngắn mạch có thể có thời gian tăng lên chỉ vài miligiây. Sụp đổ điện áp cũng có thể xảy ra, nơi duy trì ít nhất 80% điện áp DC danh định là điều kiện tiên quyết để trạm chuyển đổi nguồn điện áp (VSC) hoạt động bình thường.

Để giảm thiểu sự gián đoạn hoạt động của bộ chuyển đổi, lỗi phải được khắc phục trong vài miligiây, đặc biệt là đối với các trạm không kết nối với đường dây hoặc cáp bị lỗi.

Các loại cầu chì điện áp trung bình DC trên thị trường:
Ba loại chính của cầu chì trong thị trường LVDC và MVDC là cầu chì bán dẫn rắn (SSCBs), cầu chì cơ khí (MCBs) và cầu chì lai (HCBs) là sự kết hợp giữa SSCB song song với công tắc cơ khí siêu nhanh (UFMS).

Cầu chì MCB AC LV và MV truyền thống dựa trên không khí và SF6 có khả năng cắt mạch DC hạn chế chỉ ở mức vài kilovolt và vài amper.

Cầu chì điện áp trung bình DC bán dẫn rắn:
Cấu trúc của SSCBs thường dựa trên một số Thyristor Commutated Gate Tích hợp (IGCTs), Thyristor Ngắt Bằng Cổng (GTOs) hoặc Transistor Bipol Động Cổng Cách Ly (IGBTs), được kết nối theo chuỗi. Mặc dù thời gian phản hồi cực kỳ nhanh, một nhược điểm là tổn thất trạng thái on lớn thường nằm trong khoảng 15-30% tổn thất của trạm VSC.

Chi phí thành phần cao, thiếu cách ly điện hóa học và khả năng hấp thụ nhiệt không đủ là những nhược điểm khác.

Hình 1 cho thấy một số thiết kế của cầu chì điện áp trung bình DC bán dẫn rắn:

Hình 1: a) Cầu chì bán dẫn rắn điện áp trung bình hai chiều dựa trên IGCT, (b) Cầu chì bán dẫn rắn điện áp trung bình hai chiều dựa trên IGCT, (c) Cầu chì bán dẫn rắn hai chiều dựa trên GTO

Đã có nhiều cấu trúc SSCB được đề xuất. Tuy nhiên, hầu hết trong số đó dành cho điện áp ≤ 1 kV, đặc biệt là cho dòng điện ≤ 1000 A. Cần lưu ý rằng một trong những thách thức lớn nhất của công nghệ SSCB là tổn thất trạng thái on cao, mặc dù một số bài báo báo cáo về một cầu chì điện áp trung bình DC đáp ứng mức điện áp trung bình như 6-15 kV, chúng thường dành cho dòng định mức nhỏ hơn 1000 A, nhưng công suất xử lý yêu cầu sẽ nằm trong khoảng từ vài MW đến vài chục MW với ít nhất 3 mô-đun song song (3P: 3*3.72 MW).

Do đó, việc phát triển một cầu chì DC có công suất định mức dưới 10 MW cho kiến trúc MVDC trong tương lai trở nên gần như vô ích. Công nghệ bán dẫn hiện tại không thể đáp ứng các mức công suất như vậy; do đó, SSCBs cho kiến trúc MVDC trong tương lai sẽ không dẫn đến một thiết kế hiệu quả, tiết kiệm chi phí và nhỏ gọn. Trong bối cảnh này, cần có quạt gió tương đối lớn với công suất khoảng sáu nghìn feet khối mỗi phút và/hoặc làm mát bằng nước chủ động cho mức tổn thất trạng thái on hàng ngàn kilowatt dự kiến cho dòng điện cao.

Cầu chì điện áp trung bình DC lai (HCBs):
Cầu chì điện áp trung bình DC lai bao gồm đường dẫn dòng điện và đường ngắt dòng điện.

Một cầu chì lai kết hợp tổn thất phía trước cực kỳ thấp của công tắc siêu nhanh thuần túy với hiệu suất nhanh chóng của cầu chì bán dẫn rắn trên đường dẫn song song. Cầu chì chính được đặt trên đường dẫn song song và bao gồm các công tắc bán dẫn nối tiếp và song song được kết nối theo chuỗi.

Một HCB mô-đun đã được phát triển và một mô-đun như được hiển thị trong Hình 2 với điện áp và dòng điện định mức, và khả năng ngắt dòng điện là 6.2 kV, và 600 A, tương ứng.

Đáng chú ý là buồng hồ quang của công tắc siêu nhanh chỉ cần tạo ra đủ điện áp để truyền dẫn dòng điện và hỗ trợ triết lý ghép song song của các mô-đun. Trong tất cả các thiết kế SSCB và HCB, cần có một công tắc ngắt dòng điện dư (RCD) và một điện trở shunt để đo dòng điện như được hiển thị trong Hình 2. Khi dòng điện giảm xuống mức giá trị thấp được chỉ định bởi dòng rò của varistor oxit kim loại (MOV), công tắc ngắt mở, cách ly hệ thống và ngăn chặn bất kỳ dòng rò nào qua bán dẫn và MOV.

Hình 2: Cầu chì điện áp trung bình DC lai

UFMS trên đường dẫn chính chỉ cần tạo ra đủ điện áp để chuyển hướng dòng điện sang cầu chì IGBT đầy đủ song song. Điện trở của cầu chì DC phụ trợ, Rdson ở 2 kA, và công tắc cơ khí nhanh cần phải nhỏ hơn 20 mW để có các đặc tính tương tự như cầu chì điện cơ. Sử dụng UFMS trên đường dẫn chính dẫn đến tổn thất trạng thái on và điện áp phía trước thấp hơn so với một SSCB đầy đủ.

Thiết kế đề xuất có thể có lợi hơn so với các HCB điện áp cao do ABB và Alstom sản xuất, vì (1) không có tổn thất bán dẫn trạng thái on, (2) mạch điều khiển sẽ đơn giản hơn, và (3) "Công tắc điện tử công suất" đắt đỏ trên đường dẫn chính, có thể được tránh. Thật vậy, chỉ cần một UFMS có thể thay thế cả "Công tắc điện tử công suất" và công tắc ngắt nhanh do ABB đề xuất cho đường dẫn chính.

Tuy nhiên, cần đảm bảo rằng điện trở tiếp xúc của UFMS không vượt quá các tiếp xúc điện cơ tương đương và có khả năng chịu lực giữ 4.45×10-7 I2 N (tức là > 178 N cho dòng in-rush 10x ở 2 kA định mức với hệ số an toàn 2x hoặc 356 N).

Công tắc cơ khí siêu nhanh trong cầu chì điện áp trung bình DC lai:
Những thách thức để thực hiện triết lý nói trên là (1) liệu có thể phát triển các công tắc siêu nhanh cho mức MV, (2) liệu điện áp hồ quang xây dựng cho chuyển hướng có đủ cao, và (3) liệu thiết kế tương tự có thể cho RCB. Câu trả lời có thể là CÓ cho tất cả các câu hỏi như được thảo luận dưới đây.

Các bộ truyền động cuộn Thomson (TC) hoạt động dựa trên lực hút hoặc đẩy giữa các dây dẫn mang dòng điện rất phù hợp cho việc chuyển mạch nhanh vì chúng có thể đạt được gia tốc cao thông qua kiểm soát chính xác. Cho đến nay, hai kỹ thuật dựa trên TC đã được đề xuất và giải thích rõ ràng cho các công tắc cơ khí siêu nhanh, trong đó kỹ thuật với cuộn dây nối tiếp vượt trội hơn so với kỹ thuật dựa trên cảm ứng về hiệu suất. Các kỹ thuật này cũng được so sánh bằng mô hình phần tử hữu hạn đa vật lý.

Một cầu chì giới hạn dòng ngắn mạch (FCLCB) một pha 12 kV (điện áp định mức) và 2 kA (dòng điện định mức) / 20 kA (dòng ngắn mạch) và FCLCB 24 kV, 3 kA / 40 kA cho phép hồ quang tắt mà không cần làm mát hồ quang ép buộc trong 100-300 μs đã được thiết kế và xây dựng.

Công tắc nhanh dựa trên cảm ứng có dòng định mức 7 kA tăng tốc một tiếp xúc HCB khoảng 2 kg với gia tốc ban đầu khoảng 44.900 m/s2, dẫn đến khoảng cách tiếp xúc 4 mm sau khoảng 422 μs, đủ để chịu được điện áp định mức của công tắc 3 kV.

Chuyển động nhanh này cần được giảm xóc cuối cùng để ngăn chặn di chuyển quá mức, nảy, mỏi và các tác động không mong muốn khác.