Návrh a budoucnost středovoltových DC pevnostavových vypínačů

Jak fungují středně výkonné pevné polovodičové spínací přepážky:
Pevná polovodičová DC přepážka používá mohutné polovodiče k přerušení zkratového proudu. Jednoduchá topologie pevné polovodičové DC přepážky je znázorněna na obrázku 1. Čtyři diody a IGCT reprezentují hlavní vodič, zatímco ochranný varistor se používá k vybíjení induktivity čáry v případě zkratu. Když je DC přepážka vyřazena, IGCT je vypnut. Díky energii uložené v induktivitě rychle stoupá napětí na polovodičích a ochranný varistor začíná vedoucí proud. Aby bylo možné vybíjet induktivitu čáry, musí být ochranné napětí varistoru vyšší než nominální síťové napětí. Také musí být zajištěno, že mohutné polovodiče jsou schopny odolat ochrannému napětí varistoru. Hlavní výhodou pevné polovodičové DC přepážky je její rychlá rychlost přerušení a absence pohyblivých částí. Protože mohutné polovodiče jsou umístěny v hlavním vodiči, dochází k ztrátám ve stavu zapnutí.

Obrázek 1: Jednoduchý návrh pevné polovodičové spínací přepážky

Pevné polovodičové spínací přepážky spoléhají pouze na pevný polovodičový spínač pro přenos nominálního zatížení a přerušení proudu. Protože elektrický oblouk je eliminován, je potřeba jiný mechanismus k rozptylení uložené energie v induktivitě obvodu. To se často dosahuje prostřednictvím paralelně připojeného oxidického varistoru (MOV). MOV má nelineární charakteristiku napětí/proud.
Jeho odpor zůstává vysoký (efektivně funguje jako otevřený obvod), dokud napětí na něm nedosáhne určité hodnoty, kde jeho odpor klesá a umožňuje průchod proudu skrz zařízení. Když průchází proudem, MOV také fixuje napětí na konstantní hodnotu.
Tento typ zařízení se často používá v systémech s vysokým napětím jako ochranný varistor a také jako ochranné zařízení pro komponenty citlivé na napětí.
Dvě bidirekční topologie pevných polovodičových spínacích přepážek jsou znázorněny na obrázku 2. Když je přepážka zavřená, oba polovodičové prvky jsou zapnuté, což umožňuje tok proudu v obou směrech. Během přerušení proudu jsou oba prvky vypnuté, což nutí napětí na prvcích stoupat, dokud MOV nezačne vést a fixovat napětí na prvcích. Proudem vedoucí MOV slouží k rozptylení energie uložené v induktivitě obvodu.
Zatímco na obrázku 2 (a) jsou znázorněny IGCT, GTO byly také použity v starších návrzích založených na stejné topologii obvodu.

 
Obrázek 2   a) Jednoduchá bidirekční pevná polovodičová spínací přepážka založená na IGCT, (b) Jednoduchá bidirekční pevná polovodičová spínací přepážka založená na IGBT

Obrázek 3 ukazuje několik alternativních návrhů, které tuto koncept aplikují na systémy středního napětí. V těchto systémech jsou několik prvků spojeno v řadu, aby se zvýšila celková odolnost proti napětí pevné polovodičové přepážky. Diody jsou také často spojeny v řadu s hlavními spínacími přepážkami, aby se zlepšilo blokové napětí v opačném směru systému, kvůli omezené schopnosti blokování v opačném směru existujících prvků, jako jsou IGCT a GTO. Obvod na obrázku 3 (c) obsahuje paralelně připojené RC tlumiče, které jsou potřebné pro systémy založené na GTO, aby pomohly při vypínání prvků, a také obsahuje dvě zajímavé funkce, které by se mohly použít u jiných pevných polovodičových spínacích přepážek. Z tohoto hlediska zahrnuje paralelně připojený odpor, který se používá k omezování zkratového proudu během přerušení proudu. Během normálního provozu je tento odpor krácen hlavními polovodičovými spínači a proto nepřispívá ke ztrátám ve stavu zapnutí přepážky. Dále je sériově připočten mechanický spínač, který poskytuje fyzickou izolaci.
I když návrhy zobrazené v této sekci jsou primárně navrženy pro AC elektrické systémy, by mělo být možné tyto návrhy uplatnit na DC aplikace s minimálními úpravami.

 
Obrázek 3: a) IGCT založená středně výkonná bidirekční pevná polovodičová spínací přepážka, (b) IGCT založená středně výkonná bidirekční pevná polovodičová spínací přepážka, (c) GTO založená bidirekční pevná polovodičová spínací přepážka

Zjednodušený blokový diagram pevné polovodičové spínací přepážky je znázorněn na obrázku 4. Pevná polovodičová přerušovačská jednotka se skládá ze série pevných polovodičových prvků, které bezpečně zvládají DC sběrnici. Rychlý koordinovaný inverzně časový kontrolér poskytuje signál pro brány spínačů v přerušovači, které synchronně otevírají a zavírají. Rychlý inverzně časový kontrolér dostává příkazy buď ručně, od jiných přepážek v síti, nebo od rychlých senzorů, které detekují lokální zkratové proudy. Inverzně časový kontrolér poskytuje inverzní časovou kontrolu pro přetížení, a rychlé okamžité vypnutí, pokud je dosaženo limitu přetížení. Tyto operační parametry lze upravit pro každou přepážku v závislosti na její poloze v síti, což poskytuje uspořádanou, sekvencovanou odpověď na poruchy.

 
Obrázek 4: Zjednodušený systémový diagram typické MVDC pevné polovodičové spínací přepážky

Pevná polovodičová přerušovačská jednotka poskytuje hlavní funkčnost kompletního spínacího přepážkového sestavení, rychlou ochranu před poruchami a izolaci. Kompletní spínací přepážkové sestavení musí také poskytnout způsob bezpečného odpojení přerušovačské jednotky od elektrické sítě, když je potřebná údržba nebo servis.
Předběžný rozvržení pro 8 MW zátěžovou úroveň přerušovačské jednotky je znázorněno na fotce 1. Tato přerušovačská jednotka
se skládá ze šesti 4,500 V IGBT (CM900HB-66H) spojených v řadu. 8 MW přerušovač
má rozměry přibližně 23 palce široký x 9 palce vysoký x 11 palce hluboký a váží přibližně 60 lb. IGBT jsou montovány
na chladicích hliníkových chladicích deskách, které jsou opět montovány na elektricky izolační mechanický
rám. Nekovové chladicí trubky jsou dostatečně odporové, aby omezily unikající proud po trubicích.
To bude vyžadovat malý uzavřený chladicí systém a dlouhodobý iontový kartáč, aby se udržela
odporovost chladicí vody.
Na fotce 1 je znázorněno předběžné mechanické rozvržení 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT přerušovače. IGBT jsou montovány na chladicích deskách. Nekovové chladicí trubky mezi sousedními chladicími deskami jsou navrženy tak, aby odolaly plnému napětí spínače, když je spínač otevřen.
Paralelní pole těchto sestavení se používají k splnění celkových požadavků na proud pro zátěž.

 
Fotka 1: Předběžné mechanické rozvržení 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT přerušovače. IGBT jsou montovány na chladicích deskách

Porovnejte výhody a nevýhody pevných polovodičových spínacích přepážek s jinými spínacími přepážkami stručně:
Ačkoli pevné polovodičové spínací přepážky mohou dosáhnout výrazně rychlejší rychlosti přerušení než konvenční elektromechanické spínací přepážky, jedním z hlavních nedostatků pevných přepážek je jejich vysoké ztráty ve stavu zapnutí. S kontaktním odporem pouze několika mikro-ohmů, elektromechanické kontakty v klasických spínacích přepážkách způsobují zanedbatelné ztráty ve stavu zapnutí. Naopak, většina pevných polovodičových prvků způsobuje napěťový pád alespoň 2 voltů, takže při velkém proudu procházejícím přepážkou, ztráty ve stavu zapnutí pevné polovodičové spínací přepážky mohou být výrazně vyšší než u klasické spínací přepážky. Zvýšené ztráty energie vedou také k zvýšeným požadavkům na chlazení. Tradičně se používají velké kovové chladiče, aby se pasivně chladily mohutné polovodičové prvky, avšak mohou přispívat k významné části celkového rozměru a hmotnosti systému. Ačkoli instalace aktivních chladicích systémů, jako je nucený vzduch (ventilátor) nebo kapalné chlazení, může pomoci snížit rozměry a hmotnost celkového systému, přinášejí dodatečné komplikace, jako je zvýšený akustický podpis, ztráty energie a problémy s údržbou.
Podle obrázku 5 jsou hodnoty uvedeny v poměru k nejvyšší hodnotě skupiny.
Pro každý kriterium jsou považovány malé hodnoty za preferované. Malá plocha tedy naznačuje celkově dobrý výkon přepínacího konceptu.
Na základě zjištění ukazuje pevná polovodičová spínací přepážka celkově dobrý výkon. Díky svým rychlým přepínacím schopnostem je doba vypnutí malá a vyskytují se pouze nízké amplitudy proudu. Také spolehlivost a složitost přepínacího procesu lze považovat za dobré. Nicméně, pevná přepážka trpí vysokými ztrátami, ve srovnání s mechanickými nebo hybridními spínači.
Alternativní koncept s nízkými ztrátami, středními relativními náklady a dobrými vlastnostmi spolehlivosti je mechanický spínač s tlumivcem. Také konvenční hybridní spínač ukazuje celkově střední výkon. Trpí vysokými vrcholovými proudy kvůli mechanickému spínači. Koncepty získané z HVDC systémů nemají dobrý výkon v daných úrovních napětí a výkonu. Nicméně, pro vyšší napětí a výkon se to může změnit. Nakonec, koncept čistě mechanického spínače je stále zajímavý pro nízké a nízkostřední napětí, protože je to jediný dobře osvědčený koncept.

Obrázek 5: Přehled všech přepínacích konceptů pro DC spínací přepážky

Tabulka 1 shrnuje charakteristiky čtyř technologií spínacích přepážek:
Je třeba poznamenat, že čas přípravy této tabulky je 2012.

 
Tabulka 1: Shrnutí technologií spínacích přepážek pro nízkovýkonné DC aplikace