Pangitaa sa Medium Voltage DC Solid-State Circuit Breakers Design ug ang hinatungan

Paano gumagana ang medium voltage solid-state circuit breaker:
Ang solid-state DC breaker ay gumagamit ng power semiconductors upang putulin ang fault current. Ang isang simple na topology ng solid-state DC breaker ay ipinapakita sa Figure. 1. Ang apat na diode at IGCT ay kinakatawan ang pangunahing conduction path, habang ang surge arrester ay ginagamit upang idischarge ang line inductance sa pagkakaroon ng fault. Kapag natriggahan ang DC breaker, ang IGCT ay itinuturn off. Dahil sa naka-store na energy ng inductive, ang voltage sa ibabaw ng semiconductors ay tumaas nang mabilis at ang surge arrester ay nagsisimula magconduct ng current. Upang idischarge ang line inductance, ang protection voltage ng surge arrester ay dapat mas mataas kaysa sa nominal grid voltage. Kailangan din siguraduhin na ang power semiconductors ay kayang tanggapin ang protection voltage ng surge arrester. Ang pangunahing abilidad ng solid-state DC breaker ay ang mabilis na interruption speed at ang kakulangan ng moving parts. Dahil ang power semiconductors ay nakalagay sa pangunahing conduction path, nagkaroon ng on-state losses.

Figure 1:Simple design of solid stat circuit breaker

Ang solid-state circuit breakers ay umaasa lamang sa solid-state switch upang dalhin ang nominal load at putulin ang current. Dahil ang electric arc ay inalis, kailangan ng isa pang mekanismo upang idissipate ang naka-store na energy sa circuit inductance. Karaniwang ito ay naitatamo sa pamamagitan ng parallel-connected metal-oxide varistor (MOV). Ang MOV ay may non-linear voltage/current characteristic.
Ang resistance nito ay nananatiling mataas (na epektibong nagiging open circuit) hanggang sa ang voltage sa ibabaw nito ay umabot sa tiyak na halaga, kung saan bumababa ang resistance nito at pinapayagan ang current na magconduct sa pamamagitan ng device. Kapag nagconduct ang MOV, ito rin ay nag-clamp ng voltage sa ibabaw nito sa constant value.
Ang uri ng device na ito ay madalas gamitin sa high voltage systems bilang surge arrester at ginagamit din bilang protection device para sa mga voltage-sensitive components.
Ipinapakita ang dalawang bi-directional solid-state circuit breaker topologies sa Figure 2. Kapag sarado ang breaker, ang parehong semiconductor devices ay itinuturn on, pinapayagan ang current na lumiko sa parehong direksyon. Sa panahon ng current interruption, ang parehong devices ay itinuturn off, pilitin ang voltage sa ibabaw ng devices na tumaas hanggang ang MOV ay nagsisimula magconduct at clamp ang voltage sa ibabaw ng devices. Ang conducting MOV ay gumagampan ng tungkulin na idissipate ang energy na naka-store sa circuit inductance.
Bagama't ang IGCTs ay ipinapakita sa Figure 2 (a), ang GTOs ay ginamit din sa mga lumaang disenyo batay sa parehong circuit topology.

 
Figure 2   a) IGCT based simple bi-directional solid-state circuit breaker, (b) IGBT based simple bi-directional solid-state circuit breaker

Ipinaliwanag ng Figure 3 ang ilang alternative designs na nag-apply ng konsepto na ito sa medium voltage systems. Sa mga system na ito, konektado ang maramihang devices sa series upang taasan ang kabuuang voltage withstand capability ng solid-state breaker. Madalas din konektado ang mga diodes sa series kasama ang main breaking switches upang mapabuti ang reverse block voltage ng system, dahil sa limitadong reverse blocking capability ng existing devices tulad ng IGCT at GTO. Ang circuit na ipinapakita sa Figure 3 (c) ay kasama ang parallel-connected RC snubbers na kinakailangan para sa GTO-based systems upang matulungan ang turn-off ng devices, at mayroon ding dalawang interesanteng features na maaaring i-apply sa ibang solid-state circuit breakers. Una, ito ay kasama ang parallel-connected resistor na ginagamit upang limitahan ang fault current sa panahon ng current interruption. Sa normal na operasyon, ang resistor na ito ay shorted out ng main semiconductor switches at kaya hindi ito nagkontributo sa on-state losses ng breaker. Pangalawa, konektado ang mechanical switch sa series upang magbigay ng pisikal na isolation.
Bagama't ang mga disenyo na ipinapakita sa seksyon na ito ay unang disenyo para sa ac power systems, posible ito na i-apply sa dc applications na may minimal na modifications.

 
Figure 3: a) IGCT based medium voltage bi-directional solid-state circuit breaker, (b) IGCT based medium voltage bi-directional solid-state circuit breaker, (c) GTO based bidirectional solid-state circuit breaker

Ipinapakita sa Figure 4 ang isang simplified block diagram ng solid-state circuit breaker. Ang solid-state current interrupter ay binubuo ng serye ng solid-state devices upang ligtas na hawakan ang DC bus voltage. Ang fast coordinated inverse-time controller ay nagbibigay ng gate drive signal para sa mga switches sa interrupter na synchronously open at close. Ang fast inverse time controller ay tumatanggap ng commands mula sa manual input, mula sa iba pang breakers sa network, o mula sa mabilis na sensors na nadetect ang local fault currents. Ang inverse-time controller ay nagbibigay ng inverse trip time control para sa overcurrent states, at mabilis na instantaneous trip kung maabot ang overcurrent limit. Ang mga operational parameters na ito ay maaaring i-adjust para sa bawat breaker depende sa lokasyon nito sa network, nagbibigay ng orderly, sequenced response sa fault conditions.

 
Figure 4: Simplified system diagram of a typical MVDC solid-state circuit breaker

Ang solid-state interrupter ay nagbibigay ng pangunahing functionality ng isang buong circuit breaker assembly na mabilis na fault protection at isolation. Ang buong circuit breaker assembly ay kailangan din magbigay ng paraan upang ligtas na idisconnect ang interrupter mula sa power network kapag kailangan ng maintenance o service.
Ipinapakita sa photo 1 ang preliminary layout para sa 8 MW load-level circuit interrupter. Ang interrupter na ito
ay binubuo ng anim na 4,500 V IGBTs (CM900HB-66H) na konektado sa series. Ang 8 MW interrupter ay
humigit-kumulang 23” wide x 9” high  11” deep at may timbang na humigit-kumulang 60 lb. Ang IGBTs ay mounted
sa water-cooled aluminum cold plates, na, sa kanilang pagkakabanggit, mounted sa isang electrically insulating mechanical
frame. Ang non-metallic water lines ay sapat na resistive upang limitahan ang current leakage down the lines.
Kailangan ito ng small, closed-loop cooling system at long-lasting ion-exchange cartridge upang mapanatili
ang resistivity ng cooling water.
Kailangan ito ng small, closed-loop cooling system at long-lasting ion-exchange cartridge upang mapanatili ang resistivity ng cooling water.
Sa photo 1 ipinapakita ang preliminary mechanical layout ng 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT interrupter. Ang IGBTs ay mounted sa water-cooled cold plates. Ang non-metallic cooling lines sa pagitan ng adjacent cold plates ay designed upang stand off ang full switch voltage kapag open ang switch.
Parallel arrays ng mga assemblies na ito ay ginagamit upang tugunan ang overall current requirements para sa load.

 
Photo 1: Preliminary mechanical layout of a 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT interrupter. The IGBTs are mounted on water-cooled cold plates

Ipaglaban ang mga advantages at disadvantages ng Solid-State Circuit breakers sa iba pang circuit breakers briefly:
Bagama't ang solid-state circuit breakers ay maaaring makamit ang substantially faster interruption speed kumpara sa conventional electro-mechanical-based circuit breakers, isang pangunahing drawback ng solid-state breakers ay ang kanilang mataas na on-state losses. May contact resistance na kaunti lang ang ilang micro-ohms, ang electro-mechanical contacts sa classical circuit breakers ay nagpapakilala ng negligible on-state losses. Sa kabilang banda, ang karamihan sa solid-state devices ay nagpapakilala ng voltage drop ng at least two volts, kaya, bilang malaking current ang lumilikha sa breaker, ang on-state losses ng solid-state circuit
breaker ay maaaring mas mataas kaysa sa classical circuit breaker. Ang increased energy loss ay nagdudulot din ng increased requirements para sa cooling. Tradisyonal na ginagamit ang large metallic heatsinks upang passively cool ang power semiconductor devices, subalit, ito ay maaaring mag-ambag sa substantial portions ng systems' overall size at weight. Bagama't ang installation ng active cooling systems tulad ng forced air (fan) o liquid cooling ay maaaring matulungan upang bawasan ang size at weight ng overall system, ito ay nagpapakilala ng additional complexities tulad ng increased acoustic signature, energy losses, at maintenance issues.
Ayon sa figure 5, ang mga values ay ibinibigay sa relasyon sa pinakamataas na value per group.
Para sa bawat criterion, ang small values ay itinuturing na preferable. Isang small area, kaya, nagpapahiwatig ng overall good performance ng switching concept.
Batay sa mga findings, ang solid-state circuit-breaker ay nagpapakita ng good overall performance. Dahil sa mabilis na switching capabilities nito, ang turn-off time ay maliit at maliit lang ang current amplitudes na nangyayari. Bukod dito, ang reliability at complexity ng switching process ay maaaring ituring na good. Subalit, ang solid-state breaker ay may mataas na losses, kumpara sa mechanical o hybrid switches.
Isang alternative concept na may mababang losses, medium relative costs, at good reliability ay ang snubber mechanical breaker. Bukod dito, ang conventional hybrid breaker ay nagpapakita ng overall medium performance. It suffers from high peak currents due to the mechanical switch. Ang concepts na galing sa HVDC systems ay hindi maganda ang performance sa voltage at power levels na iminumungkahi. Subalit, para sa mas mataas na voltages at powers, maaaring magbago ito. Sa huli, ang concept ng pure mechanical-breaker ay patuloy na interesante para sa low at low-medium voltage applications dahil ito'y ang tanging well-proven one.

Figure 5: Overview of all switching concepts for DC circuit breakers

Nagsusumary ang Table 1 ng mga characteristics ng apat na circuit breaker technologies:
Dapat tandaan na ang oras ng preparation ng table na ito ay 2012.

 
Table 1: Summary of circuit breakers technologies for low power DC applications