Mittelspannungs-Gleichstrom-Festkörper-Sicherungen Design und Zukunft

Wie mittelspannungs-festkommenschaltkreise arbeiten:
Ein festkommer-Durchgangsschalter verwendet Leistungshalbleiter, um den Fehlerstrom zu unterbrechen. Eine einfache Topologie eines festkommer-Durchgangsschalters ist in Abbildung 1 dargestellt. Vier Dioden und ein IGCT stellen den Hauptleitweg dar, während der Überspannungsschutz zum Entladen der Leitunginduktivität im Falle eines Fehlers verwendet wird. Wenn der Durchgangsschalter ausgelöst wird, wird der IGCT abgeschaltet. Aufgrund der induktiv gespeicherten Energie steigt die Spannung über den Halbleitern schnell an, und der Überspannungsschutz beginnt, Strom zu leiten. Um die Leitunginduktivität zu entladen, muss die Schutzspannung des Überspannungsschutzes höher sein als die Nennnetzspannung. Es muss auch sichergestellt werden, dass die Leistungshalbleiter die Schutzspannung des Überspannungsschutzes aushalten können. Der Hauptvorteil eines festkommer-Durchgangsschalters ist seine schnelle Unterbrechungsgeschwindigkeit und das Fehlen beweglicher Teile. Da die Leistungshalbleiter im Hauptleitweg platziert sind, treten Betriebsverluste auf.

Abbildung 1: Einfaches Design eines festkommer-Schalters

Festkommer-Schaltkreise verlassen sich ausschließlich auf den festkommer-Schalter, um die Nennlast zu tragen und den Strom zu unterbrechen. Da der elektrische Bogen eliminiert wird, wird ein anderes Mechanismus benötigt, um die gespeicherte Energie in der Schaltungsinductivität abzuführen. Dies wird oft durch einen parallel geschalteten Metalloxidvaristor (MOV) erreicht. Ein MOV hat eine nichtlineare Spannungs/Strom-Charakteristik.
Sein Widerstand bleibt hoch (wirkt effektiv als offener Schaltkreis), bis die Spannung über ihm einen bestimmten Wert erreicht, bei dem sein Widerstand sinkt und der Strom durch das Gerät geleitet wird. Wenn ein MOV leitet, hält er die Spannung über ihm konstant.
Dieses Gerät wird häufig in Hochspannungssystemen als Überspannungsschutz und als Schutzgerät für spannungsempfindliche Komponenten verwendet.
Zwei bidirektionale festkommer-Schaltkreistopologien sind in Abbildung 2 dargestellt. Wenn der Schalter geschlossen ist, werden beide Halbleitergeräte eingeschaltet, sodass der Strom in beide Richtungen fließen kann. Während der Stromunterbrechung werden beide Geräte ausgeschaltet, was dazu führt, dass die Spannung über den Geräten steigt, bis der MOV beginnt, zu leiten und die Spannung über den Geräten zu begrenzen. Der leitende MOV dient zur Abführung der in der Schaltungsinductivität gespeicherten Energie.
Während in Abbildung 2a IGCTs gezeigt werden, wurden in älteren Designs basierend auf der gleichen Schaltungstopologie auch GTOs verwendet.

 
Abbildung 2   a) IGCT-basierter einfacher bidirektionaler festkommer-Schalter, (b) IGBT-basierter einfacher bidirektionaler festkommer-Schalter

Abbildung 3 zeigt mehrere alternative Designs, die dieses Konzept auf Mittelspannungssysteme anwenden. In diesen Systemen werden mehrere Geräte in Reihe geschaltet, um die Gesamtspannungsfestigkeit des festkommer-Schalters zu erhöhen. Dioden werden oft auch in Reihe mit den Hauptschaltgeräten geschaltet, um die Rückhaltespannung des Systems zu verbessern, da die vorhandenen Geräte wie IGCT und GTO eine begrenzte Rückhaltekraft haben. Die Schaltung in Abbildung 3c enthält parallelgeschaltete RC-Dämpfer, die für GTO-basierte Systeme erforderlich sind, um das Ausschalten der Geräte zu unterstützen, und enthält zwei interessante Merkmale, die auf andere festkommer-Schaltkreise angewendet werden könnten. Erstens enthält sie einen parallelgeschalteten Widerstand, der verwendet wird, um den Fehlerstrom während der Stromunterbrechung zu begrenzen. Während des normalen Betriebs wird dieser Widerstand durch die Hauptschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschaltschal......

 
Abbildung 3: a) IGCT-basierter mittelspannungs-bidirektionaler festkommer-Schalter, (b) IGCT-basierter mittelspannungs-bidirektionaler festkommer-Schalter, (c) GTO-basierter bidirektionaler festkommer-Schalter

Ein vereinfachtes Blockdiagramm eines festkommer-Schaltkreises ist in Abbildung 4 dargestellt. Der festkommer-Stromunterbrecher besteht aus einer Reihe von festkommer-Geräten, um die DC-Busspannung sicher zu handhaben. Ein schneller koordinierter inverszeitlicher Regler liefert das Gate-Signal für die Schalter im Unterbrecher, die synchron geöffnet und geschlossen werden. Der schnelle inverszeitliche Regler erhält Befehle entweder von einer manuellen Eingabe, von anderen Schaltern im Netzwerk oder von schnellen Sensoren, die lokale Fehlerströme detektieren. Der inverszeitliche Regler bietet eine inverse Trippzeitsteuerung für Überstromzustände und einen schnellen direkten Tripp, wenn der Überstromgrenzwert erreicht wird. Diese Betriebsparameter können für jeden Schalter abhängig von seiner Position im Netzwerk angepasst werden, um eine geordnete, sequenzierte Reaktion auf Fehlzustände zu gewährleisten.

 
Abbildung 4: Vereinfachtes Systemdiagramm eines typischen MVDC-festkommer-Schaltkreises

Der festkommer-Unterbrecher bietet die primäre Funktionalität eines vollständigen Schaltkreisbausatzes, nämlich schnellen Fehlerschutz und Isolation. Der vollständige Schaltkreisbausatz muss auch eine Möglichkeit bieten, den Unterbrecher sicher vom Stromnetz zu trennen, wenn Wartung oder Service erforderlich sind.
Eine vorläufige Anordnung für einen 8 MW-Lastschaltkreisunterbrecher ist in Foto 1 dargestellt. Dieser Unterbrecher
besteht aus sechs 4.500 V IGBTs (CM900HB-66H), die in Reihe geschaltet sind. Der 8 MW-Unterbrecher ist
ungefähr 23 Zoll breit x 9 Zoll hoch  11 Zoll tief und wiegt ungefähr 60 Pfund. Die IGBTs sind montiert
auf wassergekühlten Aluminium-Kühlpflastern, die ihrerseits auf einem elektrisch isolierenden mechanischen
Rahmen montiert sind. Die nichtmetallischen Wasserleitungen sind hinreichend widerstandsfähig, um den Strömungsverlust entlang der Leitungen zu begrenzen.
Dies erfordert ein kleines, geschlossenes Kühlungssystem und ein langlebiges Ionenaustauschkartusche, um die Widerstandsfähigkeit des Kühlwassers beizubehalten.
In Foto 1 wird die vorläufige mechanische Anordnung eines 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT-Unterbrechers gezeigt. Die IGBTs sind auf wassergekühlten Kühlpflastern montiert. Nichtmetallische Kühlleitungen zwischen benachbarten Kühlpflastern sind so konzipiert, dass sie die volle Schaltspannung abfangen, wenn der Schalter offen ist.
Parallele Anordnungen dieser Baugruppen werden verwendet, um die Gesamtstromanforderungen für die Last zu erfüllen.

 
Foto 1: Vorläufige mechanische Anordnung eines 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT-Unterbrechers. Die IGBTs sind auf wassergekühlten Kühlpflastern montiert

Vergleich der Vor- und Nachteile von festkommer-Schaltkreisen mit anderen Schaltkreisen kurz zusammengefasst:
Während festkommer-Schaltkreise erheblich schnellere Unterbrechungsgeschwindigkeiten als herkömmliche elektromechanische Schaltkreise erreichen können, ist ein Hauptnachteil von festkommer-Schaltkreisen ihre hohen Betriebsverluste. Mit Kontaktwiderständen von nur wenigen Mikroohm führen elektromechanische Kontakte in klassischen Schaltkreisen vernachlässigbare Betriebsverluste ein. Im Gegensatz dazu führen die meisten festkommer-Geräte einen Spannungsabfall von mindestens zwei Volt, sodass bei großem Stromdurchgang die Betriebsverluste eines festkommer-Schaltkreises erheblich höher sein können als die eines klassischen Schaltkreises. Die erhöhten Energieverluste führen auch zu erhöhten Anforderungen an die Kühlung. Traditionell werden große metallische Wärmeableiter verwendet, um Leistungshalbleiter passiv zu kühlen, jedoch können sie einen substantiellen Teil der Gesamtgröße und -masse des Systems ausmachen. Während die Installation aktiver Kühlungssysteme wie z.B. Gebläse oder Flüssigkeitskühlung helfen kann, die Größe und Masse des Gesamtsystems zu reduzieren, führen sie zusätzliche Komplexitäten wie erhöhte akustische Signaturen, Energieverluste und Wartungsprobleme ein.
Laut Abbildung 5 werden die Werte in Bezug auf den höchsten Wert pro Gruppe angegeben.
Für jedes Kriterium gelten kleine Werte als vorteilhaft. Ein kleiner Bereich deutet daher auf eine insgesamt gute Leistung eines Schaltkonzepts hin.
Basierend auf den Erkenntnissen zeigt der festkommer-Schaltkreis eine insgesamt gute Leistung. Aufgrund seiner schnellen Schaltfähigkeiten ist die Ausschaltdauer gering, und es treten nur geringe Stromamplituden auf. Auch die Zuverlässigkeit und die Komplexität des Schaltvorgangs können als gut betrachtet werden. Allerdings leidet der festkommer-Schaltkreis unter hohen Verlusten im Vergleich zu mechanischen oder hybriden Schaltern.
Ein alternatives Konzept mit geringen Verlusten, mittleren relativen Kosten und guter Zuverlässigkeit ist der Dämpfermechanische Schalter. Auch der herkömmliche hybride Schalter zeigt eine insgesamt mittlere Leistung. Er leidet unter hohen Spitzenströmen aufgrund des mechanischen Schalters. Die Konzepte, die aus Hochspannungsdirektschlussystemen stammen, zeigen keine gute Leistung innerhalb der untersuchten Spannungs- und Leistungsniveaus. Für höhere Spannungen und Leistungen könnte sich dies jedoch ändern. Schließlich bleibt das Konzept eines rein mechanischen Schalters für Niederspannungs- und Mittelspannungsanwendungen weiterhin interessant, da es das einzige gut bewährte ist.

Abbildung 5: Übersicht über alle Schaltkonzepte für DC-Schaltkreise

Tabelle 1 fasst die Eigenschaften der vier Schaltkreistechnologien zusammen:
Es sollte beachtet werden, dass die Zeit der Erstellung dieser Tabelle 2012 ist.

 
Tabelle 1: Zusammenfassung der Schaltkreistechnologien für Niedrigleistung-DC-Anwendungen