Mediumspændings DC fasttilstands kreditskærmere Design og fremtid

Hvordan mediumspændings fasttilstandsbrydere fungerer:
En fasttilstands DC-bryder bruger effektskridtstyring til at afbryde fejlstrømmen. En enkel topologi for en fasttilstands DC-bryder er vist i figur 1. Fire dioder og en IGCT repræsenterer den primære strømledning, mens overstrømsbeskytteren bruges til at udlade linjeinduktansen i tilfælde af en fejl. Når DC-bryderen aktiveres, slukkes IGCT'en. Pga. indlagret induktiv energi stiger spændingen på skridtstyrelseskomponenterne hurtigt, og overstrømsbeskytteren begynder at lede strøm. For at udlade linjeinduktansen skal beskyttelsesspændingen for overstrømsbeskytteren være højere end den nominelle netvoltage. Det skal også sikres, at effektskridtstyringskomponenterne kan modstå beskyttelsesspændingen for overstrømsbeskytteren. Den største fordel ved en fasttilstands DC-bryder er dens hurtige afbrydelseshastighed og mangel på bevægelige dele. Da effektskridtstyringskomponenterne er placeret i den primære strømledning, opstår der ledningsforskydninger.

Figur 1: Enkel design af fasttilstands bryder

Fasttilstandsbrydere afhænger udelukkende af fasttilstandsafbryderen til at føre den nominelle belastning og afbryde strømmen. Da elektrisk bue er elimineret, er en anden mekanisme nødvendig for at dissipere den lagrede energi i kredsløbsinduktans. Dette opnås ofte gennem en parallelt forbundet metaloksid varistor (MOV). En MOV har en ikke-lineær spænding/strøm karakteristik.
Dens modstand forbliver høj (effektivt fungerer som en åben kredsløb) indtil spændingen på den når en bestemt værdi, hvor dens modstand falder og tillader strøm at lede gennem enheden. Når MOV'en leder, begrænser den også spændingen på den til en konstant værdi.
Denne type enhed anvendes ofte i højspændingssystemer som overstrømsbeskytter og anvendes også som beskyttelsesenhed for spændingsfølsomme komponenter.
To tovejs fasttilstandsbrydere er vist i figur 2. Når bryderen er lukket, tændes begge halvlederkomponenter, hvilket tillader strøm at flyde i begge retninger. Under strømafbrydelsen slukkes begge enheder, hvilket tvinger spændingen på enhederne til at stige indtil MOV'en begynder at lede og begrænse spændingen på enhederne. Den ledede MOV virker til at dissipere den lagrede energi i kredsløbsinduktans.
Selvom IGCT'er er vist i figur 2 (a), er GTO'er også blevet anvendt i ældre designs baseret på samme kredsløbstopologi.

 
Figur 2   a) IGCT-baseret enkel tovejs fasttilstandsbryder, (b) IGBT-baseret enkel tovejs fasttilstandsbryder

Figur 3 viser flere alternative designs, der anvender dette koncept i mediumspændingssystemer. I disse systemer er flere enheder forbundet i serie for at øge den totale spændingsmodstandsdygtighed for fasttilstandsbryderen. Dioder er også ofte forbundet i serie med de primære afbryderkontakter for at forbedre den omvendte blokspænding i systemet, pga. den begrænsede omvendte blokdygtighed hos eksisterende enheder som IGCT og GTO. Kredsløbet, der er vist i figur 3 (c), inkluderer parallelle RC-dempere, der er nødvendige for GTO-baserede systemer for at hjælpe med at slukke enheder, og indeholder også to interessante funktioner, der muligvis kan anvendes på andre fasttilstandsbrydere. For det første inkluderer det en parallel forbundet resistor, der bruges til at begrænse fejlstrømmen under strømafbrydelsen. Under normal drift shortes denne resistor af de primære halvlederkontakter, og bidrager derfor ikke til ledningsforskydningerne for bryderen. For det andet er en mekanisk kontakt forbundet i serie for at give fysisk isolation.
Selvom de designs, der er vist i denne sektion, primært er designet til ac-stropper, burde det være muligt at anvende disse designs til dc-anvendelser med minimale ændringer.

 
Figur 3: a) IGCT-baseret mediumspændings tovejs fasttilstandsbryder, (b) IGCT-baseret mediumspændings tovejs fasttilstandsbryder, (c) GTO-baseret tovejs fasttilstandsbryder

En forenklet blokdiagram for en fasttilstandsbryder er vist i figur 4. Den fasttilstands strømafbryder består af en serie række af fasttilstands-enheder for at sikkert håndtere DC-busvoltage. En hurtig koordineret inverse-tidskontroller leverer gate-drive signal for kontakterne i afbryderen, der synkront åbner og lukker. Den hurtige inverse tidskontroller modtager kommandoer fra enten en manuel indgang, fra andre brydere i nettet, eller fra hurtige sensorer, der registrerer lokale fejlstrømme. Inverse-tidskontrolleren giver invers trip tid kontrol for overstrømstillstande, og en hurtig øjeblikkelig trip, hvis overstrøm grænsen er nået. Disse driftsparametre kan justeres for hver bryder afhængigt af dens placering i nettet, hvilket giver en ordnet, sekventeret respons til fejltilstande.

 
Figur 4: Forenklet systemdiagram for en typisk MVDC fasttilstandsbryder

Den fasttilstands afbryder leverer den primære funktionalitet for et komplett bryderanlæg, hurtig fejlbeskyttelse og isolation. Det fuldstændige bryderanlæg skal også give en måde at sikkert afkoble afbryderen fra strømnettet, når vedligeholdelse eller service er nødvendig.
Et præliminært layout for en 8 MW lastniveaubryder er vist i foto 1. Denne afbryder
består af seks 4,500 V IGBT'er (CM900HB-66H) forbundet i serie. Den 8 MW afbryder er
ca. 23 tommer bred x 9 tommer høj  11 tommer dyb og vejer ca. 60 lb. IGBT'erne er monteret
på vandkølede aluminiumskuldeplader, som på sin side er monteret på en elektrisk isolerende mekanisk
ramme. De ikkemetalliske vandlinjer er tilstrækkelig resistive til at begrænse strømlækagen ned langs linjerne.
Dette vil kræve et lille, lukket kredsløb kølesystem og en langvarig ionudvekslingspatron for at opretholde
den resistivitet af kølevandet.
Dette vil kræve et lille, lukket kredsløb kølesystem og en langvarig ionudvekslingspatron for at opretholde resistiviteten af kølevandet.
I foto 1 vises det præliminære mekaniske layout for en 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT afbryder. IGBT'erne er monteret på vandkølede kuldeplader. Ikke-metalliske kølelinjer mellem naboskuldeplader er designet til at stå af den fulde kontaktspænding, når kontakten er åben.
Parallelle arrays af disse anordninger anvendes for at opfylde de samlede strømkrav for lasten.

 
Foto 1: Præliminært mekanisk layout for en 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT afbryder. IGBT'erne er monteret på vandkølede kuldeplader

Sammenlign fordele og ulemper for fasttilstandsbrydere med andre brydere kort:
Selvom fasttilstandsbrydere kan opnå betydeligt hurtigere afbrydelseshastighed sammenlignet med konventionelle elektromekaniske brydere, er et hovedproblem med fasttilstandsbrydere deres høje ledningsforskydninger. Med kontaktmodstand så lille som få mikro-ohm introducerer elektromekaniske kontakter i klassiske brydere ubetydelige ledningsforskydninger. I modsætning hertil introducerer de fleste fasttilstands-enheder en spændingsfald på mindst to volt, så da en stor strøm går igennem bryderen, kan ledningsforskydningerne for en fasttilstandsbryder være betydeligt højere end dem for en klassisk bryder. Den øgede energiforbrug fører også til øget behov for køling. Traditionelt bruges store metalliske varmekilder til passivt at køle effektkomponenter, men de kan bidrage til betydelige dele af systemets samlede størrelse og vægt. Selvom installation af aktive kølesystemer som tvunget luft (vind) eller væskedækning kan hjælpe med at reducere størrelsen og vægten af det samlede system, introducerer de yderligere kompleksiteter som øget lydsignal, energiforbrug og vedligeholdelsesproblemer.
Ifølge figur 5, er værdierne givet i forhold til den højeste værdi pr. gruppe.
For hvert kriterium anses små værdier for at være foretrukne. En lille areal indikerer derfor en generel god ydeevne af et skiftkoncept.
Baseret på fundene viser fasttilstandsbryderen en god generel ydeevne. På grund af dets hurtige skiftkapaciteter, er slukningstiden lille, og kun lave strømamplituder opstår. Også pålideligheden og kompleksiteten af skiftprocessen kan betragtes som god. Imidlertid lider fasttilstandsbryderen af høje tab i forhold til mekaniske eller hybrid skifter.
Et alternativt koncept med lave tab, medium relative omkostninger, og god pålidelighed er snubber mekanisk bryder. Også den konventionelle hybrid bryder viser en generel middel ydeevne. Den lider af høje peak-strømme på grund af den mekaniske kontakt. Koncepterne taget fra HVDC-systemer har ikke en god ydeevne inden for de undersøgte spændings- og effektniveauer. Dog kan dette ændre sig for højere spændinger og effekter. Endelig er konceptet med en ren mekanisk bryder stadig interessant for lav- og lav-mediumspændingsanvendelser, da det er det eneste velbeviste.

Figur 5: Oversigt over alle skiftkoncepter for DC-brydere

Tabel 1 summerer karakteristika for de fire brydere teknologier:
Det skal bemærkes, at tidspunktet for udarbejdelsen af denne tabel er 2012.

 
Tabel 1: Sammenfatning af brydere teknologier for lav effekt DC-anvendelser