Mediumspannings DC-vaste toestand skakelbrekers ontwerp en toekoms

Hoe mediumspannings vaste-toestand skakelaar werk:
'n Vaste-toestand DC skakelaar gebruik kragsemi-geleiers om die foute stroom te onderbreek. 'n Eenvoudige topologie van 'n vaste-toestand DC skakelaar word in Figuur 1 getoon. Vier diodes en 'n IGCT verteenwoordig die hoofgelei pad, terwyl die oorlaagverdrukker gebruik word om die lyninduktansie af te laai in geval van 'n fout. Wanneer die DC skakelaar uitgeskakel word, word die IGCT afgeskakel. As gevolg van die indiktief opgeslaan energie, styg die spanning oor die semi-geleiers vinnig en begin die oorlaagverdrukker stroom geleidelik. Om die lyninduktansie af te laai, moet die beskermingspanning van die oorlaagverdrukker hoër wees as die nominale rooster-spanning. Dit moet ook verseker word dat die kragsemi-geleiers in staat is om die beskermingspanning van die oorlaagverdrukker te verdra. Die hoofvoordeel van 'n vaste-toestand DC skakelaar is sy vinnige onderbrekingsspoed en die gebrek aan beweegde dele. Aangesien die kragsemi-geleiers in die hoofgelei pad geplaas word, vind daar opstand-verliese plaas.

Figuur 1:Eenvoudige ontwerp van vaste toestandskakelaar

Vaste-toestand skakelaars hang slegs op die vaste-toestandskakelaar om die nominale belasting te dra en om stroom te onderbreek. Aangesien die elektriese boog uitgeskakel word, word 'n ander meganisme benodig om die opgeslaan energie in die skakeling se induktansie te dissipateer. Dit word dikwels deur 'n parallelverbonden metaaloksied varistor (MOV) bereik. 'n MOV het 'n nie-liniêre spanning/stroom kenmerk.
Sy weerstand bly hoog (effektief as 'n oop skakeling werk) tot die spanning oor dit 'n sekere waarde bereik, waar sy weerstand daal en stroom toe laat om deur die toestel te geleidelik. Wanneer 'n MOV geleidelik ook die spanning oor dit by 'n konstante waarde beperk.
Hierdie tipe toestel word dikwels in hoëspanningsstelsels as 'n oorlaagverdrukker gebruik en word ook as 'n beskermingstoestel vir spanningsempatieke komponente gebruik.
Twee tweerigting vaste-toestand skakelaar topologieë word in Figuur 2 getoon. Wanneer die skakelaar toe is, word beide semi-geleier toestelle aan, wat stroom in albei rigtings toelaat. Tydens die stroomonderbreking word beide toestelle af, wat die spanning oor die toestelle dwing om te styg tot die MOV begin om te geleidelik en die spanning oor die toestelle te beperk. Die geleidelike MOV werk om die energie binne die skakeling se induktansie te dissipateer.
Terwyl IGCTs in Figuur 2 (a) getoon word, is GTO's ook in ouer ontwerpe op dieselfde skakelingstopologie gebruik.

 
Figuur 2   a) IGCT gebaseerde eenvoudige tweerigting vaste-toestand skakelaar, (b) IGBT gebaseerde eenvoudige tweerigting vaste-toestand skakelaar

Figuur 3 wys 'n aantal alternatiewe ontwerpe wat hierdie konsep op mediumspanningsstelsels pas. In hierdie stelsels word verskeie toestelle in reeks verbonden om die totale spanningsverdraagskapasiteit van die vaste-toestand skakelaar te verhoog. Diodes word ook dikwels in reeks met die hoofonderbrekendeskakelaars verbonden om die omgekeerde blokspanning van die stelsel te verbeter, as gevolg van die beperkte omgekeerde blokkeervermoë van bestaande toestelle soos IGCT en GTO. Die skakeling in Figuur 3 (c) sluit parallelverbonden RC snubbers in wat vir GTO-gebaseerde stelsels nodig is om die afsluiting van toestelle te help, en bevat ook twee interessante kenmerke wat na ander vaste-toestand skakelaars toegepas kan word. Eerstens sluit dit 'n parallelverbonden weerstand in wat gebruik word om die foute stroom tydens die stroomonderbreking te beperk. Tydens normale operasie, word hierdie weerstand deur die hoof semi-geleier skakelaars kortgesluit en dra dus nie by tot die opstand-verliese van die skakelaar. Tweedens is 'n meganiese skakelaar in reeks verbonden om fisiese isolasie te gee.
Ongeskyns die ontwerpe in hierdie afdeling hoofsaaklik vir wisselspanningskragsisteme ontwerp, moet dit moontlik wees om hierdie ontwerpe met minimale aanpassings op DC toepassings toe te pas.

 
Figuur 3: a) IGCT gebaseerde mediumspanning tweerigting vaste-toestand skakelaar, (b) IGCT gebaseerde mediumspanning tweerigting vaste-toestand skakelaar, (c) GTO gebaseerde tweerigting vaste-toestand skakelaar

'n Vereenvoudigde blokskema van 'n vaste-toestand skakelaar word in Figuur 4 getoon. Die vaste-toestand stroomonderbreker bestaan uit 'n reeks van vaste-toestand toestelle om veilig die DC bus-spanning te hanteer. 'n Vinnige gekoördineerde inverse-tyd beheerder gee die poortrykseintal vir die skakelaars in die onderbreker wat sinchronies oop en toe gaan. Die vinnige inverse-tydbeheerder ontvang bevels uit 'n handmatige invoer, van ander skakelaars in die netwerk, of van vinnige sensore wat plaaslike foute strome opspoor. Die inverse-tydbeheerder gee inverse trip-tydbeheer vir oorkoers-toestande, en 'n vinnige onmiddellike trip as die oorkoerslimiet bereik word. Hierdie operasionele parameters kan vir elke skakelaar aangepas word afhangende van sy posisie in die netwerk, wat 'n ordelike, geordende reaksie op fouttoestande verskaf.

 
Figuur 4: Vereenvoudigde stelseldiagram van 'n tipiese MVDC vaste-toestand skakelaar

Die vaste-toestand onderbreker verskaf die primêre funksionaliteit van 'n volledige skakelaarvergadering vinnige foutbeskerming en isolasie. Die volledige skakelaarvergadering moet ook 'n manier verskaf om die onderbreker veilig van die kragnetwerk te skakel wanneer instandhouding of diens vereis word.
'n Voorlopige uitleg vir 'n 8 MW lastvlak skakelaar is in foto 1 getoon. Hierdie onderbreker
bestaan uit ses 4,500 V IGBTs (CM900HB-66H) in reeks verbonden. Die 8 MW onderbreker is
ongeveer 23 duim breed x 9 duim hoog  11 duim diep en weeg ongeveer 60 lb. Die IGBTs is gemonteer
op watergekoelde aluminium kouplaatte, wat op hul beurt op 'n elektries insulerende meganiese raam gemonteer is. Die niet-metalliese waterlyne is genoegsaam resistief om die stroomlek langs die lyne te beperk.
Dit sal 'n klein, geslote-loop koelsisteem en 'n langlevende ion-uitwisselingspatroon vereis om die resistiwiteit van die koelwater te handhaaf.
Dit sal 'n klein, geslote-loop koelsisteem en 'n langlevende ion-uitwisselingspatroon vereis om die resistiwiteit van die koelwater te handhaaf.
In foto 1 word die voorlopige meganiese uitleg van 'n 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT onderbreker getoon. Die IGBTs is gemonteer op watergekoelde kouplaatte. Niet-metalliese koellyne tussen adjasente kouplaatte is ontwerp om die volle skakelspanning te staan wanneer die skakelaar oop is.
Parallelle arrays van hierdie asssemblies word gebruik om die algehele stroomvereistes vir die last te bevredig.

 
Foto 1: Voorlopige meganiese uitleg van 'n 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT onderbreker. Die IGBTs is gemonteer op watergekoelde kouplaatte

Vergelyk die voordele en nadele van vaste-toestand skakelaars met ander skakelaars kortliks:
Terwyl vaste-toestand skakelaars betyds vinniger onderbrekingsspoed kan bereik in vergelyking met konvensionele elektromeganiese skakelaars, is een groot nadeel van vaste-toestand skakelaars hul hoë opstand-verliese. Met kontakweerstand so klein as 'n paar mikro-ohms, voer elektromeganiese kontak in klassieke skakelaars negeerbare opstand-verliese. Inteendeel, die meeste vaste-toestand toestelle voer 'n spanningsval van ten minste twee volt, daarom, as 'n groot stroom deur die skakelaar vloei, kan die opstand-verliese van 'n vaste-toestand skakelaar beduidend hoër wees as dié van 'n klassieke skakelaar. Die verhoogde energieverlies lei ook tot verhoogde koelbehoeftes. Tradisioneel word groot metalliese hitteafvoerders gebruik om passief kragsemi-geleiers te koel, maar hulle kan aansienlike porties van die stelsel se algehele grootte en gewig bydra. Terwyl die installering van aktiewe koelsisteme soos gedwonge lug (ventilator) of vloeistofkoeling kan help om die grootte en gewig van die algehele stelsel te verminder, bring hulle addisionele kompleksiteite soos verhoogde akoustiese kenmerke, energieverliese, en instandhoudingskwessies mee.
Volgens figuur 5, word die waardes in verwysing tot die hoogste waarde per groep gegee.
Vir elke kriterium, word klein waardes beskou as voorkeurlik. 'n Klein area dui dus op 'n algeheel goeie prestasie van 'n skakelkonsep.
Op grond van die bevindings, wys die vaste-toestand skakelaar 'n goeie algehele prestasie. As gevolg van sy vinnige skakelvermoë, is die afsluityd klein en kom slegs lae stroomamplitude voor. Ook die betroubaarheid en die kompleksiteit van die skakelproses kan as goed beskou word. Echter, die vaste-toestand skakelaar ly onder hoë verliese, in vergelyking met meganiese of hibriede skakelaars.
'n Alternatiewe konsep met lae verliese, medium relatiewe koste, en goeie betroubaarheid is die snubber meganiese skakelaar. Ook die konvensionele hibriede skakelaar wys 'n algeheel medium prestasie. Dit ly onder hoë piekstrome as gevolg van die meganiese skakelaar. Die konsepte geneem uit HVDC stelsels het nie 'n goeie prestasie binne die ondersoekte spannings- en kragvlakke nie. Echter, vir hoër spannings en krage, mag dit verander. Laastens, die konsep van 'n suiwer meganiese skakelaar is steeds interessant vir lae- en lae-mediumspannings toepassings, aangesien dit die enigste goed bewese een is.

Figuur 5: Oorsig van alle skakelkonsepte vir DC skakelaars

Tabel 1 som die kenmerke van die vier skakelaartechnologieë op:
Moet opgemerk word dat die tyd van voorbereiding van hierdie tabel 2012 is.

 
Tabel 1: Opsomming van skakelaartechnologieë vir lae-krag DC toepassings