Σχεδιασμός και μέλλον Μεσημβρινής Τάσης DC Σταθερού Καταστάτου Συνεργατών

Πώς λειτουργούν οι μεσημβρινής τάσης σταθερού καταστάτου διακόπτες:
Ένας σταθερού καταστάτου DC διακόπτης χρησιμοποιεί πηγές ενέργειας για να διακόψει την ρευστή ροή. Μια απλή τοπολογία ενός σταθερού καταστάτου DC διακόπτη είναι εμφανής στο Σχήμα 1. Τέσσερα διόδια και ένα IGCT αντιπροσωπεύουν την κύρια διαδρομή ροής, ενώ ο προστατευτικός αντισημπέρης χρησιμοποιείται για να απορροφήσει την ενδεικτική ενέργεια σε περίπτωση σφάλματος. Όταν ο DC διακόπτης ενεργοποιείται, το IGCT απενεργοποιείται. Λόγω της ενδεικτικά αποθηκευμένης ενέργειας, η τάση στα σημεία των πηγών ενέργειας αυξάνεται γρήγορα και ο προστατευτικός αντισημπέρης ξεκινά να διακόπτει ρεύμα. Για να απορροφηθεί η ενδεικτική ενέργεια, η προστατευτική τάση του προστατευτικού αντισημπέρη πρέπει να είναι υψηλότερη από την ονομαστική τάση του δικτύου. Επίσης, πρέπει να εξασφαλιστεί ότι οι πηγές ενέργειας μπορούν να αντέξουν την προστατευτική τάση του προστατευτικού αντισημπέρη. Το κύριο πλεονέκτημα ενός σταθερού καταστάτου DC διακόπτη είναι η γρήγορη ταχύτητα διακοπής και η έλλειψη κινούμενων μερών. Επειδή οι πηγές ενέργειας βρίσκονται στην κύρια διαδρομή ροής, συμβαίνουν απώλειες σε κατάσταση συνεχούς ροής.

Σχήμα 1:Απλή σχεδίαση σταθερού καταστάτου διακόπτη

Οι σταθεροί καταστάτου διακόπτες εξαρτώνται αποκλειστικά από τον σταθερό καταστάτου στροφαρία για τη μεταφορά της ονομαστικής φορτίας και τη διακοπή ρεύματος. Επειδή η ηλεκτρική ατμόσφαιρα εξαλείφεται, απαιτείται άλλο μηχανισμός για να διασπαστεί η αποθηκευμένη ενέργεια στην ενδεικτική ενέργεια. Αυτό συχνά επιτυγχάνεται μέσω ενός παράλληλα συνδεδεμένου μεταλλικού-οξειδικού αντισημπέρη (MOV). Ένας MOV έχει μη γραμμική χαρακτηριστική τάση/ρεύμα.
Η αντίστασή του παραμένει υψηλή (λειτουργώντας αποτελεσματικά ως ανοιχτό κύκλωμα) μέχρι να φθάσει η τάση πάνω του σε συγκεκριμένη τιμή, όπου η αντίστασή του μειώνεται επιτρέποντας την ροή ρεύματος μέσω του συστήματος. Κατά τη διάρκεια της ροής, ένας MOV επίσης περιορίζει την τάση πάνω του σε σταθερή τιμή.
Αυτός ο τύπος συστήματος χρησιμοποιείται συχνά σε υψηλής τάσης συστήματα ως προστατευτικός αντισημπέρης και χρησιμοποιείται επίσης ως προστατευτικό σύστημα για τα ευαίσθητα στην τάση συστατικά.
Δύο δίδρομες τοπολογίες σταθερού καταστάτου διακόπτη είναι εμφανείς στο Σχήμα 2. Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, και τα δύο σημεία πηγών ενέργειας ενεργοποιούνται, επιτρέποντας τη ροή ρεύματος σε και στις δύο κατευθύνσεις. Κατά τη διάρκεια της διακοπής ρεύματος, και τα δύο συστήματα απενεργοποιούνται, υποχρεώνοντας την τάση πάνω από τα συστήματα να αυξάνεται μέχρι ο MOV να ξεκινήσει να διακόπτει και να περιορίζει την τάση πάνω από τα συστήματα. Ο διακόπτων MOV δραστηριοποιείται για να διασπάσει την ενέργεια που αποθηκεύτηκε μέσα στην ενδεικτική ενέργεια.
Ενώ τα IGCT είναι εμφανή στο Σχήμα 2 (a), GTOs έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί σε παλαιότερες σχεδιάσεις με βάση την ίδια τοπολογία κύκλωματος.

 
Σχήμα 2  a) IGCT βασισμένος απλός δίδρομος σταθερού καταστάτου διακόπτης, (b) IGBT βασισμένος απλός δίδρομος σταθερού καταστάτου διακόπτης

Το Σχήμα 3 δείχνει μια σειρά εναλλακτικών σχεδιών που εφαρμόζουν αυτή την έννοια σε συστήματα μεσημβρινής τάσης. Σε αυτά τα συστήματα, πολλά συστήματα συνδέονται σε σειρά για να αυξήσουν τη συνολική αντοχή τάσης του σταθερού καταστάτου διακόπτη. Διόδιες συνδέονται επίσης σε σειρά με τους κύριους διακόπτες για να βελτιώσουν την αντίσταση αντίστροφης βλοκαρίσματος του συστήματος, λόγω της περιορισμένης αντίστροφης ικανότητας βλοκαρίσματος υπάρχοντων συστημάτων όπως IGCT και GTO. Το κύκλωμα που είναι εμφανές στο Σχήμα 3 (c) περιλαμβάνει παράλληλα συνδεδεμένους RC snubbers που απαιτούνται για συστήματα με βάση GTO για να βοηθήσουν στην απενεργοποίηση των συστημάτων, και περιλαμβάνει επίσης δύο ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά που μπορούν να εφαρμοστούν σε άλλους σταθερούς καταστάτου διακόπτες. Πρώτον, περιλαμβάνει έναν παράλληλα συνδεδεμένο αντιστάτη που χρησιμοποιείται για να περιορίσει τη ρευστή ροή κατά τη διάρκεια της διακοπής ρεύματος. Κατά την κανονική λειτουργία, αυτός ο αντιστάτης είναι μαλακός από τους κύριους σημεία πηγών ενέργειας και, επομένως, δεν συμβάλλει στις απώλειες σε κατάσταση συνεχούς ροής του διακόπτη. Δεύτερον, ένας μηχανικός διακόπτης συνδέεται σε σειρά για να παρέχει φυσική απομόνωση.
Ενώ τα σχέδια που είναι εμφανή σε αυτή την ενότητα είναι κυρίως σχεδιασμένα για συστήματα AC, θα πρέπει να είναι δυνατό να εφαρμοστούν αυτά τα σχέδια σε εφαρμογές DC με ελάχιστες τροποποιήσεις.

 
Σχήμα 3: a) IGCT βασισμένος μεσημβρινής τάσης δίδρομος σταθερού καταστάτου διακόπτης, (b) IGCT βασισμένος μεσημβρινής τάσης δίδρομος σταθερού καταστάτου διακόπτης, (c) GTO βασισμένος δίδρομος σταθερού καταστάτου διακόπτης

Μια απλοποιημένη διαγραμματική παράσταση ενός σταθερού καταστάτου διακόπτη είναι εμφανής στο Σχήμα 4. Ο σταθερός καταστάτου διακόπτης ρεύματος αποτελείται από μια σειρά από σημεία πηγών ενέργειας για να αντιμετωπίσει ασφαλώς την DC bus τάση. Ένας γρήγορος συντονισμένος αντίστροφος χρονικός ελεγκτής παρέχει το σήμα οδηγίας για τους διακόπτες στον διακόπτη ρεύματος, οι οποίοι ανοίγουν και κλείνουν συγχρόνως. Ο γρήγορος αντίστροφος χρονικός ελεγκτής λαμβάνει εντολές από ένα χειροκίνητο εισαγωγικό, από άλλους διακόπτες στο δίκτυο, ή από γρήγορα αισθητήρια που ανιχνεύουν τοπικά ρεύματα σφάλματος. Ο αντίστροφος χρονικός ελεγκτής παρέχει αντίστροφη χρονική ελεγχόμενη διακοπή για παραβιάσεις ρεύματος, και μια γρήγορη άμεση διακοπή αν η παραβίαση του όριου ρεύματος επιτευχθεί. Αυτά τα λειτουργικά παράμετρα μπορούν να προσαρμοστούν για κάθε διακόπτη ανάλογα με τη θέση του στο δίκτυο, παρέχοντας μια τακτική, αναδιατεταγμένη απάντηση σε συνθήκες σφάλματος.

 
Σχήμα 4: Απλοποιημένη συστημική διάγραμμα ενός τυπικού MVDC σταθερού καταστάτου διακόπτη

Ο σταθερός καταστάτου διακόπτης ρεύματος παρέχει την κύρια λειτουργικότητα ενός ολοκληρωμένου συστήματος διακόπτη γρήγορη προστασία και απομόνωση σε περίπτωση σφάλματος. Το ολοκληρωμένο σύστημα διακόπτη πρέπει επίσης να παρέχει ένα μέσο για να αποσυνδέσει ασφαλώς τον διακόπτη ρεύματος από το δίκτυο ρεύματος όταν απαιτείται διασκέδαση ή συντήρηση.
Ένα προκαταρκτικό σχέδιο για έναν διακόπτη ρεύματος 8 MW είναι εμφανές στη φωτογραφία 1. Αυτός ο διακόπτης
αποτελείται από έξι 4,500 V IGBTs (CM900HB-66H) συνδεδεμένους σε σειρά. Ο 8 MW διακόπτης είναι
περίπου 23” πλάτος x 9” ύψος  11” βάθος και βαρίει περίπου 60 lb. Οι IGBTs είναι εγκατεστημένοι
σε ψυγμένες αλουμινίου πινακίδες, οι οποίες, στη σειρά τους, είναι εγκατεστημένες σε ηλεκτρικά απομονωμένο μηχανικό
πλαίσιο. Οι μη μεταλλικές υδατοδιαθέσεις είναι αρκετά αντιστατικές για να περιορίσουν τη ροή ρεύματος κατά μήκος των γραμμών.
Αυτό θα απαιτήσει ένα μικρό, κλειστό κύκλωμα ψύξης και ένα μακρά ζωής καρτέλιο ανταλλαγής ιόντων για να διατηρηθεί
η αντιστατικότητα του ψυκτικού νερού.
Αυτό θα απαιτήσει ένα μικρό, κλειστό κύκλωμα ψύξης και ένα μακρά ζωής καρτέλιο ανταλλαγής ιόντων για να διατηρηθεί η αντιστατικότητα του ψυκτικού νερού.
Στη φωτογραφία 1 εμφανίζεται το προκαταρκτικό μηχανικό σχέδιο ενός 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT διακόπτη. Οι IGBTs είναι εγκατεστημένοι σε ψυγμένες πινακίδες. Οι μη μεταλλικές υδατοδιαθέσεις μεταξύ γειτονικών ψυγμένων πινακίδων είναι σχεδιασμένες να αντέχουν την πλήρη τάση του διακόπτη όταν ο διακόπτης είναι ανοιχτός.
Παράλληλες σειρές αυτών των συστημάτων χρησιμοποιούνται για να επιτευχθούν οι συνολικές απαιτήσεις ρεύματος για το φορτίο.

 
Φωτογραφία 1: Προκαταρκτικό μηχανικό σχέδιο ενός 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT διακόπτη. Οι IGBTs είναι εγκατεστημένοι σε ψυγμένες πινακίδες

Σύγκριση των πλεονεκτημάτων και των μειονεκτημάτων των σταθερού καταστάτου διακόπτων με άλλους διακόπτες εν συντομία:
Ενώ οι σταθεροί καταστάτου διακόπτες μπορούν να επιτευχθούν σημαντικά γρηγορότερη ταχύτητα διακοπής σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς ηλεκτρομηχανικούς διακόπτες,