মধ্যম ভোল্টেজ ডিসি সলিড-স্টেট সার্কিট ব্রেকার ডিজাইন এবং ভবিষ্যৎ

মিডিয়াম ভোল্টেজ সলিড-স্টেট সার্কিট ব্রেকার কিভাবে কাজ করে:
একটি সলিড-স্টেট DC ব্রেকার ফল্ট কারেন্ট বিচ্ছিন্ন করতে পাওয়ার সেমিকনডাক্টর ব্যবহার করে। একটি সলিড-স্টেট DC ব্রেকারের একটি সহজ টপোলজি চিত্র 1 এ দেখানো হয়েছে। চারটি ডায়োড এবং একটি IGCT মুख্য পরিবাহী পথ প্রতিনিধিত্ব করে, অন্যদিকে সার্জ আরেস্টার ফল্টের ক্ষেত্রে লাইন ইনডাকটেন্স বিসর্জন করার জন্য ব্যবহৃত হয়। যখন DC ব্রেকার ট্রিপ হয়, IGCT বন্ধ হয়। ইনডাকটিভলি সঞ্চিত শক্তির কারণে সেমিকনডাক্টরগুলির উপর ভোল্টেজ দ্রুত বৃদ্ধি পায় এবং সার্জ আরেস্টার কারেন্ট পরিবাহ শুরু করে। লাইন ইনডাকটেন্স বিসর্জন করার জন্য সার্জ আরেস্টারের প্রোটেকশন ভোল্টেজ নোমিনাল গ্রিড ভোল্টেজের চেয়ে বেশি হতে হবে। এছাড়াও, সেমিকনডাক্টরগুলি সার্জ আরেস্টারের প্রোটেকশন ভোল্টেজ সহ্য করতে পারে এটা নিশ্চিত করতে হবে। সলিড-স্টেট DC ব্রেকারের প্রধান সুবিধা হল দ্রুত বিচ্ছেদ গতি এবং চলাচলের অভাব। কারণ পাওয়ার সেমিকনডাক্টরগুলি মুখ্য পরিবাহী পথে স্থাপন করা হয়, তাই অন-স্টেট লোস ঘটে।

চিত্র 1: সলিড স্টেট সার্কিট ব্রেকারের সহজ ডিজাইন

সলিড-স্টেট সার্কিট ব্রেকারগুলি শুধুমাত্র সলিড-স্টেট সুইচ ব্যবহার করে নোমিনাল লোড পরিবহন এবং কারেন্ট বিচ্ছিন্ন করে। কারণ ইলেকট্রিক আর্ক অপসারিত হয়, অন্য কোন মেকানিজম প্রয়োজন হয় যাতে সার্কিট ইনডাকটেন্সে সঞ্চিত শক্তি বিসর্জন করা যায়। এটি প্রায়শই একটি সমান্তরাল-সংযুক্ত মেটাল-অক্সাইড ভেরিস্টর (MOV) দ্বারা অর্জিত হয়। MOV একটি অ-রৈখিক ভোল্টেজ/কারেন্ট বৈশিষ্ট্য রয়েছে।
এর প্রতিরোধ উচ্চ থাকে (প্রায় একটি খোলা সার্কিটের মতো কাজ করে) যতক্ষণ না এর উপর ভোল্টেজ নির্দিষ্ট মানে পৌঁছায়, যেখানে এর প্রতিরোধ কমে যায় এবং কারেন্ট ডিভাইস দিয়ে পরিবাহ করতে পারে। যখন কারেন্ট পরিবাহ করে, MOV এর উপর ভোল্টেজ একটি ধ্রুব মানে স্থির করে রাখে।
এই ধরনের ডিভাইস প্রায়শই উচ্চ ভোল্টেজ সিস্টেমে সার্জ আরেস্টার হিসাবে ব্যবহৃত হয় এবং ভোল্টেজ-সংবেদনশীল কম্পোনেন্টের জন্য প্রোটেকশন ডিভাইস হিসাবেও ব্যবহৃত হয়।
চিত্র 2 এ দুটি দ্বিদিকগামী সলিড-স্টেট সার্কিট ব্রেকার টপোলজি দেখানো হয়েছে। যখন ব্রেকার বন্ধ হয়, দুটি সেমিকনডাক্টর ডিভাইস চালু হয়, যাতে দুই দিকে কারেন্ট প্রবাহ করতে পারে। কারেন্ট বিচ্ছেদের সময়, দুটি ডিভাইস বন্ধ হয়, যাতে ডিভাইসগুলির উপর ভোল্টেজ বৃদ্ধি পায় যতক্ষণ না MOV পরিবাহ শুরু করে এবং ডিভাইসগুলির উপর ভোল্টেজ স্থির করে রাখে। পরিবাহ করা MOV সার্কিট ইনডাকটেন্সে সঞ্চিত শক্তি বিসর্জন করতে কাজ করে।
চিত্র 2 (a) এ IGCT দেখানো হয়েছে, GTO প্রাচীন ডিজাইনে একই সার্কিট টপোলজি ভিত্তিক ব্যবহৃত হয়েছে।

 
চিত্র 2   a) IGCT ভিত্তিক সহজ দ্বিদিকগামী সলিড-স্টেট সার্কিট ব্রেকার, (b) IGBT ভিত্তিক সহজ দ্বিদিকগামী সলিড-স্টেট সার্কিট ব্রেকার

চিত্র 3 এ কিছু বিকল্প ডিজাইন দেখানো হয়েছে যা এই ধারণাটি মিডিয়াম ভোল্টেজ সিস্টেমে প্রয়োগ করে। এই সিস্টেমগুলিতে, বহু ডিভাইস সিরিজ সংযোগে সংযুক্ত করা হয় যাতে সলিড-স্টেট ব্রেকারের মোট ভোল্টেজ সহ্য ক্ষমতা বৃদ্ধি পায়। ডায়োডগুলি প্রায়শই মুখ্য ব্রেকিং সুইচের সাথে সিরিজ সংযোগে সংযুক্ত করা হয় যাতে সিস্টেমের রিভার্স ব্লক ভোল্টেজ উন্নত করা যায়, কারণ বিদ্যমান ডিভাইসগুলির যেমন IGCT এবং GTO এর রিভার্স ব্লকিং ক্ষমতা সীমিত। চিত্র 3 (c) এ দেখানো সার্কিটে সমান্তরাল-সংযুক্ত RC স্নাবার রয়েছে যা GTO-ভিত্তিক সিস্টেমে ডিভাইসের টার্ন-অফ সহায়তা করার জন্য প্রয়োজন এবং এতে দুটি আকর্ষণীয় বৈশিষ্ট্য রয়েছে যা অন্যান্য সলিড-স্টেট সার্কিট ব্রেকারে প্রয়োগ করা যেতে পারে। প্রথমত, এতে একটি সমান্তরাল-সংযুক্ত রেসিস্টর রয়েছে যা কারেন্ট বিচ্ছেদের সময় ফল্ট কারেন্ট সীমিত করার জন্য ব্যবহৃত হয়। স্বাভাবিক পরিচালনার সময়, এই রেসিস্টর মুখ্য সেমিকনডাক্টর সুইচ দ্বারা শর্ট করা হয় এবং তাই ব্রেকারের অন-স্টেট লোসেসে অবদান রাখে না। দ্বিতীয়ত, একটি মেকানিক্যাল সুইচ সিরিজ সংযোগে সংযুক্ত করা হয় যাতে পদার্থিক বিচ্ছেদ প্রদান করা যায়।
এই অধ্যায়ে দেখানো ডিজাইনগুলি মূলত AC পাওয়ার সিস্টেমের জন্য ডিজাইন করা হয়েছে, তবে এই ডিজাইনগুলিকে ক্ষুদ্র পরিবর্তনের মাধ্যমে DC অ্যাপ্লিকেশনে প্রয়োগ করা যায়।

 
চিত্র 3: a) IGCT ভিত্তিক মিডিয়াম ভোল্টেজ দ্বিদিকগামী সলিড-স্টেট সার্কিট ব্রেকার, (b) IGCT ভিত্তিক মিডিয়াম ভোল্টেজ দ্বিদিকগামী সলিড-স্টেট সার্কিট ব্রেকার, (c) GTO ভিত্তিক দ্বিদিকগামী সলিড-স্টেট সার্কিট ব্রেকার

একটি সলিড-স্টেট সার্কিট ব্রেকারের সরলীকৃত ব্লক ডায়াগ্রাম চিত্র 4 এ দেখানো হয়েছে। সলিড-স্টেট কারেন্ট ইন্টাররাপ্টার একটি সিরিজ স্ট্রিং সেমিকনডাক্টর দ্বারা গঠিত যা DC বাস ভোল্টেজ নিরাপদভাবে হ্যান্ডেল করতে পারে। একটি দ্রুত সমন্বিত ইনভার্স-টাইম কন্ট্রোলার ইন্টাররাপ্টারের সুইচের জন্য গেট ড্রাইভ সিগন্যাল প্রদান করে যা সিঙ্ক্রোনাইজড খোলা এবং বন্ধ করে। দ্রুত ইনভার্স-টাইম কন্ট্রোলার হাতে ইনপুট, নেটওয়ার্কের অন্যান্য ব্রেকার বা স্থানীয় ফল্ট কারেন্ট ডিটেক্ট করা দ্রুত সেন্সর থেকে কমান্ড প্রাপ্ত করে। ইনভার্স-টাইম কন্ট্রোলার ওভারকারেন্ট অবস্থার জন্য ইনভার্স ট্রিপ টাইম নিয়ন্ত্রণ প্রদান করে এবং ওভারকারেন্ট লিমিট পৌঁছালে দ্রুত তাৎক্ষণিক ট্রিপ প্রদান করে। এই পরিচালনার প্যারামিটারগুলি প্রতিটি ব্রেকারের জন্য নেটওয়ার্কের অবস্থান অনুযায়ী সমন্বয় করা যায়, ফল্ট অবস্থার জন্য একটি ক্রমিক, সুনিয়ন্ত্রিত প্রতিক্রিয়া প্রদান করে।

 
চিত্র 4: একটি সাধারণ MVDC সলিড-স্টেট সার্কিট ব্রেকারের সরলীকৃত সিস্টেম ডায়াগ্রাম

সলিড-স্টেট ইন্টাররাপ্টার একটি সম্পূর্ণ সার্কিট ব্রেকার অ্যাসেম্বলির প্রাথমিক কার্যকারিতা দ্রুত ফল্ট প্রোটেকশন এবং বিচ্ছেদ প্রদান করে। সম্পূর্ণ সার্কিট ব্রেকার অ্যাসেম্বলিতে যখন রক্ষণাবেক্ষণ বা সেবা প্রয়োজন হয়, তখন ইন্টাররাপ্টারকে পাওয়ার নেটওয়ার্ক থেকে নিরাপদভাবে বিচ্ছিন্ন করার একটি উপায় প্রদান করতে হবে।
8 MW লোড-লেভেল সার্কিট ইন্টাররাপ্টারের একটি প্রাথমিক লেআউট ফোটো 1 এ দেখানো হয়েছে। এই ইন্টাররাপ্টার
সিরিজ সংযোগে ছয়টি 4,500 V IGBTs (CM900HB-66H) দ্বারা গঠিত। 8 MW ইন্টাররাপ্টার
প্রায় 23” প্রস্থ x 9” উচ্চতা  11” গভীরতা এবং প্রায় 60 lb. ওজন। IGBTগুলি স্থাপন করা হয়েছে
জল-কুলিং অ্যালুমিনিয়াম কোল্ড প্লেটে, যা পরবর্তীতে একটি ইলেকট্রিক্যালি ইনসুলেটিং মেকানিক্যাল
ফ্রেমে স্থাপন করা হয়েছে। নন-মেটালিক জল লাইনগুলি পর্যাপ্ত রেসিস্টিভ যাতে লাইন দিয়ে কারেন্ট লীকেজ সীমিত হয়।
এটি একটি ছোট, বন্ধ-লুপ কুলিং সিস্টেম এবং একটি দীর্ঘস্থায়ী আয়ন-বিনিময় কার্ট্রিজের প্রয়োজন হবে যাতে কুলিং জলের রেসিস্টিভিটি রক্ষা করা যায়।
এটি একটি ছোট, বন্ধ-লুপ কুলিং সিস্টেম এবং একটি দীর্ঘস্থায়ী আয়ন-বিনিময় কার্ট্রিজের প্রয়োজন হবে যাতে কুলিং জলের রেসিস্টিভিটি রক্ষা করা যায়।
ফোটো 1 এ 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT ইন্টাররাপ্টারের প্রাথমিক মেকানিক্যাল লেআউট দেখানো হয়েছে। IGBTগুলি জল-কুলিং কোল্ড প্লেটে স্থাপন করা হয়েছে। পার্শ্ববর্তী কোল্ড প্লেটগুলির মধ্যে নন-মেটালিক কুলিং লাইনগুলি ডিজাইন করা হয়েছে যাতে সুইচ খোলা থাকলে সম্পূর্ণ সুইচ ভোল্টেজ স্থাপন করা যায়।
পার্সেলার অ্যারেগুলি লোডের মোট কারেন্ট প্রয়োজন মেটানোর জন্য ব্যবহৃত হয়।

 
ফোটো 1: 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT ইন্টাররাপ্টারের প্রাথমিক মেকানিক্যাল লেআউট। IGBTগুলি জল-কুলিং কোল্ড প্লেটে স্থাপন করা হয়েছে

অন্যান্য সার্কিট ব্রেকারের সাথে সলিড-স্টেট সার্কিট ব্রেকারের সুবিধা এবং অসুবিধা সংক্ষেপে তুলনা করুন:
যদিও সলিড-স্টেট সার্কিট ব্রেকারগুলি ঐতিহ্যগত ইলেকট্রো-মেকানিক্যাল ভিত্তিক সার্কিট ব্রেকারগুলির তুলনায় দ্রুত বিচ্ছেদ গতি অর্জন করতে পারে, সলিড-স