Проектиране на твърдотелни предпазни устройства за средно напрежение DC и бъдещето

Как работат твърдотелният средноналяжен прекъсвител:
Твърдотелният DC прекъсвител използва силови полупроводници за прекъсване на тока при повреда. Простата топология на твърдотелния DC прекъсвител е показана на Фигура 1. Четири диода и IGCT представляват основния път за провеждане, докато пренапрягателят се използва за разтоварване на индуктивността на линията при повреда. Когато DC прекъсвителят се задейства, IGCT се изключва. Заради индуктивно съхранената енергия, напрежението върху полупроводниците бързо се увеличава и пренапрягателят започва да провежда ток. За да се разтовари индуктивността на линията, защитното напрежение на пренапрягателя трябва да е по-високо от номиналното напрежение на мрежата. Освен това трябва да се гарантира, че силовите полупроводници могат да издържат защитното напрежение на пренапрягателя. Основната предимство на твърдотолния DC прекъсвител е бързото му време за прекъсване и липсата на движещи се части. Тъй като силовите полупроводници са поставени в основния път за провеждане, се появяват загуби при провеждане.

Фигура 1: Прост дизайн на твърдотелен прекъсвител

Твърдотолните прекъсвители зависят само от твърдотолния ключ за провеждане на номиналната нагрузка и за прекъсване на тока. Тъй като електрическата дъга е елиминирана, нужен е друг механизъм за разсейване на съхранената енергия в индуктивността на контура. Това често се постига чрез паралелно свързан метал-оксиден вариатор (MOV). MOV има нелинейна характеристика на напрежение/ток.
Неговото съпротивление остава високо (ефективно действа като отворен контур) до момента, в който напрежението през него достигне определена стойност, където съпротивлението му намалява, позволявайки провеждане на ток през устройството. Когато провежда, MOV ограничава напрежението през него на постоянна стойност.
Този тип устройство често се използва в системи с високо напрежение като пренапрягател и се използва също като защитно устройство за компоненти, чувствителни към напрежението.
Две двупосочни твърдотолни топологии на прекъсвителите са показани на Фигура 2. Когато прекъсвителят е затворен, и двете полупроводници се включват, позволявайки провеждане на ток в двете посоки. По време на прекъсването на тока, и двете устройства се изключват, принуждавайки напрежението през устройствата да се увеличи, докато MOV започне да провежда и ограничи напрежението през устройствата. Провеждащият MOV действа за разсейване на енергията, съхранена в индуктивността на контура.
Въпреки че IGCT са показани на Фигура 2 (a), GTO също са използвани в по-стари дизайни, базирани на същата топология на контура.

 
Фигура 2   a) Прост двупосочен твърдотолен прекъсвител, базиран на IGCT, (b) Прост двупосочен твърдотолен прекъсвител, базиран на IGBT

Фигура 3 показва редица алтернативни дизайни, които прилагат тази концепция в системи със средно напрежение. В тези системи, множество устройства са свързани поред, за да се увеличи общата способност за издържане на напрежението на твърдотолния прекъсвител. Диодите също често се свързват поред с основните ключове за прекъсване, за да се подобри обратното блокиращо напрежение на системата, поради ограничената обратна блокираща способност на съществуващи устройства като IGCT и GTO. Контурът, показан на Фигура 3 (c), включва паралелно свързани RC гасители, необходими за системи, базирани на GTO, за подпомагане на изключването на устройствата, и също така съдържа две интересни характеристики, които могат да бъдат приложени към други твърдотолни прекъсвители. Първо, включва паралелно свързан резистор, използван за ограничаване на тока при повреда по време на прекъсването. По време на нормална работа, този резистор е шунтиран от основните полупроводници и следователно не допринася към загубите при провеждане на прекъсвителя. Второ, механичен ключ е свързан поред, за да осигури физическа изолация.
Въпреки че дизайнерските решения, показани в този раздел, са основно предназначени за AC електроенергийни системи, трябва да е възможно да се приложат тези дизайнерски решения към DC приложения с минимални модификации.

 
Фигура 3: a) Средноналяжен двупосочен твърдотолен прекъсвител, базиран на IGCT, (b) Средноналяжен двупосочен твърдотолен прекъсвител, базиран на IGCT, (c) Двупосочен твърдотолен прекъсвител, базиран на GTO

Упростила схема на твърдотолния прекъсвител е показана на Фигура 4. Твърдотолният прекъсвител за ток се състои от поредна верига от твърдотолни устройства, за да обработи безопасно напрежението на DC шината. Бърз контролер с обратно време предоставя сигнал за управление на ключовете в прекъсвителя, които синхронно се отварят и затварят. Бързият контролер с обратно време получава команди или от ръчно управление, или от други прекъсвители в мрежата, или от бързи сензори, които засичат местни токове при повреда. Контролерът с обратно време предоставя обратно управление на времето за прекъсване при надток, и бързо моментно прекъсване, ако се достигне границата на надтока. Тези операционни параметри могат да бъдат коригирани за всеки прекъсвител, в зависимост от неговото местоположение в мрежата, предоставяйки уреден, последователен отговор на условията на повреда.

 
Фигура 4: Упростена системна диаграма на типичен MVDC твърдотолен прекъсвител

Твърдотолният прекъсвител предоставя основната функционалност на цялата сборка на прекъсвител - бърза защита при повреда и изолация. Цялата сборка на прекъсвител трябва също да предостави начин за безопасно отстраняване на прекъсвителя от електроенергийната мрежа, когато е необходима поддръжка или обслужване.
Предварителна разстановка за прекъсвител на ниво 8 MW е показана на фото 1. Този прекъсвител
съдържа шест 4,500 V IGBT (CM900HB-66H), свързани поред. Прекъсвителят на 8 MW е
приблизително 23” широк x 9” висок  11” дълбок и тежи приблизително 60 lb. IGBT-товете са монтирани
върху водно-охлаждани алюминиеви хладилни плочки, които, от своя страна, са монтирани върху електрически изолираща механична рама. Неметалните водни линии са достатъчно съпротивителни, за да ограничат течението на тока по линиите.
Това ще изисква малка, затворена система за охлаждане и продължителен картридж за ионен размен, за да се поддържа
съпротивителността на охлаждащата вода.
Това ще изисква малка, затворена система за охлаждане и продължителен картридж за ионен размен, за да се поддържа съпротивителността на охлаждащата вода.
На фото 1 е показана предварителната механична разстановка на 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT прекъсвител. IGBT-товете са монтирани върху водно-охлаждани хладилни плочки. Неметалните охлаждащи линии между съседни хладилни плочки са проектирани да издържат цялото напрежение на ключа, когато ключът е отворен.
Паралелни масиви от тези сборки се използват, за да удовлетворят общите изисквания за ток за натоварването.

 
Фото 1: Предварителна механична разстановка на 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT прекъсвител. IGBT-товете са монтирани върху водно-охлаждани хладилни плочки

Сравнете предимствата и недостатъците на твърдотолните прекъсвители с други прекъсвители кратко:
Въпреки че твърдотолните прекъсвители могат да постигнат значително по-бързо време за прекъсване в сравнение с класическите прекъсвители, базирани на електромеханични устройства, един главен недостатък на твърдотолните прекъсвители е високите им загуби при провеждане. С контактно съпротивление, колкото няколко микроОма, електромеханичните контакти в класическите прекъсвители внасят пренебрегаеми загуби при провеждане. В сравнение, повечето твърдотолни устройства внасят напрежение поне два волта, следователно, когато големи токове преминават през прекъсвителя, загубите при провеждане на твърдотолния прекъсвител могат да бъдат значително по-големи от тези на класическия прекъсвител. Увеличението на енергийните загуби води до увеличени изисквания за охлаждане. Традиционно се използват големи метални радиатори, за да се охлаждат пасивно полупроводниковите устройства, но те могат да доведат до значителни части от общия размер и тегло на системата. Макар установяването на активни системи за охлаждане, като принудително въздушно (вентилатор) или течностно охлаждане, може да помогне за намаляване на размера и теглото на цялата система, те внасят допълнителни сложности, като увеличена акустична сигнатура, енергийни загуби и проблеми с поддръжка.
Според фигура 5, стойностите са дадени в отношение към най-високата стойност в групата.
За всеки критерий, малките стойности се считат за предпочитаеми. Малка площ следователно указва общо добро изпълнение на концепцията за комутация.
Според откритията, твърдотолният прекъсвител показва добро общо изпълнение. Благодарение на бързите му способности за комутация, времето за изключване е малко и се появяват само ниски амплитуди на тока. Освен това, надеждността и сложността на процеса на комутация могат да се считат за добри. Въпреки това, твърдотолният прекъсвител страда от високи загуби, в сравнение с механични или хибридни ключове.
Алтернативна концепция с ниски загуби, средни относителни разходи и добра надеждност е механичният прекъсвител с гасител. Също така, конвенционалният хибридни прекъсвител показва средно общо изпълнение. Той страда от високи пики на тока поради механичния ключ. Концепциите, взети от HVDC системи, нямат добро изпълнение в изследваните нива на напрежение и мощност. Въпреки това, за по-високи напрежения и мощности, това може да се промени. Накрая, концепцията за чисто механичен прекъсвител все още е интересна за приложения с ниско и ниско-средно напрежение, тъй като той е единственият добре доказан.

Фигура 5: Обзор на всички концепции за комутация на DC прекъсвители

Таблица 1 сумира характеристиките на четирите технологии за прекъсвители:
Трябва да се отбележи, че таблицата е подготвена през 2012 година.

 
Таблица 1: Сумиране на технологиите за прекъсвители за приложения с ниска мощност DC