KeskitASON jatkuvavirtasolid state sulkeutimet Suunnittelu ja tulevaisuus

Kuinka keskijännitepohjainen tiivistelevä katkopainike toimii:
Tiivistelevä DC-katkopainike käyttää sähkövoiman semijohtimia virhevirtauksen keskeyttämiseen. Yksinkertainen tiivistelevän DC-katkopainikkeen topologia on esitetty kuvassa 1. Neljä diodia ja IGCT edustavat pääjohtopolkua, kun taas ylikuormitusvaroituslaite käytetään linjan induktiivisen energian purkamiseen virhetilanteessa. Kun DC-katkopainike kytketään pois, IGCT kytketään pois päältä. Induktiivisesti tallennettujen energian vuoksi jännite semijohtimien yli nousee nopeasti ja ylikuormitusvaroituslaite alkaa johtaa virtaa. Linjan induktiivisen energian purkuun on varmistettava, että ylikuormitusvaroituslaitteen suojajännite on korkeampi kuin verkon nimijännite. On myös varmistettava, että sähkövoiman semijohtimet kestävät ylikuormitusvaroituslaitteen suojajännitettä. Tiivistelevän DC-katkopainikkeen pääetuna on sen nopea keskeytysnopeus ja liikkumattomuus. Koska sähkövoiman semijohtimet sijoitetaan pääjohtopolkuun, on-tilan tappiot tapahtuvat.

Kuva 1:Yksinkertainen tiivistelevän katkopainikkeen suunnittelu

Tiivistelevät katkopainikkeet perustuvat yksinomaan tiivisteen kytkimeen normaalivirtauksen viemiseen ja virtauksen keskeyttämiseen. Koska sähkökaari poistetaan, tarvitaan toinen mekanismi piirin induktiivisen energian purkamiseksi. Tämä saavutetaan usein rinnakkaiskytketyllä metallioksideihin perustuvalla varistoilla (MOV). MOV:lla on epälineaarinen jännite/virta-ominaisuus.
Sen vastus pysyy korkeana (toimien tehokkaasti avoinna olevana kytkentänä), kunnes jännite sen yli saavuttaa tietyn arvon, jolloin sen vastus laskee sallimaan virtaan kulkea laitteen läpi. Kun MOV johtaa, se myös sidottaa jännitettä sen yli vakioarvoon.
Tämäntyyppisiä laitteita käytetään usein korkeajännitejärjestelmissä ylikuormitusvaroituslaitteena ja myös suojalaitteena jännitelystä riippuville komponenteille.
Kaksi kaksisuuntaista tiivistelevää katkopainiketta on esitetty kuvassa 2. Kun katkopainike on suljettu, molemmat semijohtimet ovat päällä, sallien virran kulkea molempiin suuntiin. Virtauksen keskeyttämisessä molemmat laitteet kytketään pois, pakottaen jännitteen laitteiden yli nousemaan, kunnes MOV alkaa johtaa ja sidottaa jännitettä laitteiden yli. Johtava MOV toimii purkamaan piirin induktiivisesti tallennetun energian.
Vaikka kuvassa 2 (a) on esitetty IGCT:t, vanhemmissa suunnittelussa on käytetty samoissa piirityypeissä GTO:ja.

 
Kuva 2   a) IGCT-pohjainen yksinkertainen kaksisuuntainen tiivistelevä katkopainike, (b) IGBT-pohjainen yksinkertainen kaksisuuntainen tiivistelevä katkopainike

Kuva 3 näyttää useita vaihtoehtoisia suunnitelmia, jotka soveltavat tätä käsitettä keskijännitejärjestelmiin. Nämä järjestelmässä useita laitteita yhdistetään sarjat, jotta lisätään tiivistelevän katkopainikkeen kokonaisjännitekykyä. Diodit yhdistetään usein sarjat pääkatkoskytkimiin parantaakseen järjestelmän käänteisestä estovaltaa, koska nykyisten laitteiden, kuten IGCT:n ja GTO:n, käänteinen este on rajallinen. Piiri, joka on esitetty kuvassa 3 (c), sisältää rinnakkaissijoitettuja RC-tasoituskytkimiä, jotka ovat tarpeellisia GTO-pohjaisiin järjestelmiin laitteiden sammuttamisen helpottamiseksi, ja sisältää kaksi mielenkiintoista ominaisuutta, jotka voivat sovellettua muihin tiivisteleviin katkopainikeisiin. Ensiksi, se sisältää rinnakkaissijoitetun vastuksen, jota käytetään virhevirtauksen rajoittamiseen virtauksen keskeyttämisessä. Normaalin toiminnon aikana tämä vastus lyhytetään pääsemikonduktorisyötteillä eikä siten vaikuta katkopainikkeen on-tilan tappioihin. Toiseksi, mekaaninen kytkin yhdistetään sarjat fyysisen eristämisen tarjoamiseksi.
Vaikka tässä osiossa esitetyt suunnitelmia on pääasiassa suunniteltu vaihtovirtajärjestelmille, näiden suunnitelmien tulisi olla mahdollista soveltaa suoraan virtajärjestelmiin pienillä muutoksilla.

 
Kuva 3: a) IGCT-pohjainen keskijännite kaksisuuntainen tiivistelevä katkopainike, (b) IGCT-pohjainen keskijännite kaksisuuntainen tiivistelevä katkopainike, (c) GTO-pohjainen kaksisuuntainen tiivistelevä katkopainike

Yksinkertainen lohkodiagrammi tiivistelevästä katkopainikkeesta on esitetty kuvassa 4. Tiivistelevä virravirtauskeskeyttäjä koostuu sarjasijoitetusta ketjusta tiivisteleviä laitteita, jotka voivat turvallisesti hallita DC-bussijännitettä. Nopea koordinoitu inversio-aika-ohjain tarjoaa portinvirtauksen syöttösignaalin katkopainikkeen kytkimiin, jotka avautuvat ja sulkevat synkronisesti. Inversio-aika-ohjain vastaanottaa käskyt joko manuaalisesta syötteestä, muista katkopainikeista verkossa tai nopeista antureista, jotka havaitsevat paikalliset virhevirtaukset. Inversio-aika-ohjain tarjoaa inversio-aika-ohjausta ylivirtaukselle ja nopean välittömän katkon, jos ylivirtaraja saavutetaan. Näitä toimintaparametreja voidaan säätää jokaiselle katkopainikkeelle sen sijainnin mukaan verkossa, tarjoten järjestelmällisen, sekvensoidun vastauksen virhetilanteisiin.

 
Kuva 4: Yksinkertaistettu järjestelmädiagrammi typillisestä MVDC tiivistelevästä katkopainikkeesta

Tiivistelevä keskeyttäjä tarjoaa täydellisen katkopainikekokoonpanon päätoiminnallisuuden nopean virhesuojan ja eristyksen. Kokonaisen katkopainikekokoonpanon on myös tarjottava keino keskeyttää turvallisesti keskeyttäjä virtaverkosta huoltoa tai palvelua varten.
Esimerkkinä 8 MW:n tehoasteen keskeyttäjä on esitetty valokuvassa 1. Tämä keskeyttäjä
koostuu kuudesta 4,500 V IGBT:sta (CM900HB-66H) sarjasijoitettuna. 8 MW keskeyttäjä on
noin 23 tuumaa leveä x 9 tuumaa korkea  11 tuumaa syvä ja painaa noin 60 puntaa. IGBT:t on asennettu
vedenjäähdytetylle alumiinipohjalle, joka puolestaan on asennettu sähköisesti eristävälle mekaaniselle
kehykselle. Metalliset vedentyöt ovat riittävän vastusyhdyskykyiset rajoittamaan virran leviämistä työillä.
Tämä vaatii pieniä, suljettua silmukkaa toimivaa jähdytysjärjestelmää ja pitkäkestoa ionivaihtoputken ylläpitääksesi
jähdytysveden vastusyhdyskyvyn.
Tämä vaatii pieniä, suljettua silmukkaa toimivaa jähdytysjärjestelmää ja pitkäkestoa ionivaihtoputken ylläpitääksesi jähdytysveden vastusyhdyskyvyn.
Valokuvassa 1 on esitetty 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT-keskeyttäjän alkuperäinen mekaaninen asettelu. IGBT:t on asennettu vedenjäähdytetyille pohjille. Metalliset vedentyöt vierekkäisten pohjien välillä on suunniteltu kestämään koko kytkimen jännite, kun kytkin on auki.
Rinnakkaissijoitetut nämä kokoonpanot käytetään täyttämään kokonaisvirran vaatimukset lataukselle.

 
Valokuva 1: Alkuperäinen mekaaninen asettelu 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT-keskeyttäjälle. IGBT:t on asennettu vedenjäähdytetyille pohjille

Vertaile tiivisteleviä katkopainikkeitä muiden katkopainikkeiden etuja ja haittoja lyhyesti:
Vaikka tiivistelevät katkopainikkeet voivat saavuttaa huomattavasti nopeamman keskeytysnopeuden verrattuna perinteisiin sähkömekaanisiin katkopainikkeisiin, tiivistelevien katkopainikkeiden yksi tärkeä haittapuoli on niiden korkeat on-tilan tappiot. Sähkömekaaniset yhteystulit klassisissa katkopainikeissa, joilla on yhteystodistanopeus vain muutamia mikro-ohmia, aiheuttavat merkityksettömiä on-tilan tappioita. Sen sijaan, useimmat tiivistelevät laitteet aiheuttavat ainakin kahden voltin jänniteputon, joten kun suuri virta kulkee katkopainikkeen läpi, tiivistelevän katkopainikkeen on-tilan tappiot voivat olla huomattavasti korkeammat kuin perinteisissä katkopainikkeissa. Lisääntyneet energiahävikit johtavat myös lisääntyneisiin jähdytysvaatimuksiin. Perinteisesti suuret metalliset jähdytyslevyt käytetään passiiviseen jähdytysmenetelmään sähkövoiman semijohtimilaitteille, mutta ne voivat lisätä järjestelmän kokonaiskokoja ja painoa huomattavasti. Vaikka aktiivisten jähdytysjärjestelmien, kuten pakotettu ilmajähdytys (tuuletin) tai nestejähdytys, asennus voi auttaa pienentämään järjestelmän kokonaismitta- ja painovaatimuksia, ne tuovat mukanaan lisää monimutkaisuutta, kuten lisääntyneen äänimaaston, energiahäviön ja ylläpidon ongelmat.
Kuva 5 esittää arvot suurimman arvon perusteella kukin ryhmässä.
Jokaiselle kriteerille pienet arvot pidetään suosittavana. Pieni alue siis osoittaa hyvän suorituskyvyn kytkemiskäsitteelle.
Löydösten perusteella tiivistelevä katkopainike osoittaa hyvän yleisen suorituskyvyn. Nopean kytkemiskyvyn ansiosta sammutusaika on pieni ja vain pienet virtasuureet ilmenevät. Myös luotettavuus ja kytkemisen monimutkaisuus voidaan pitää hyvinä. Kuitenkin tiivistelevä katkopainike kärsii korkeista tappioista verrattuna mekaanisiin tai hybridikytkimiin.
Vaihtoehtoinen käsite, jolla on pieniä tappioita, keskivertokustannuksia ja hyvää luotettavuutta, on varistovaloitusmekaaninen katkopainike. Myös perinteinen hybridikatkopainike osoittaa keskivertosuorituskyvyn. Se kärsii korkeista huippuvirtasuureista mekaanisen kytkimen takia. HVDC-järjestelmistä otetut käsitteet eivät ole hyvä suorituskykyä jännite- ja tehotasolla, joka on tutkittu. Kuitenkin korkeammille jännitteille ja tehoille tämä voi muuttua. Lopuksi, pelkästään mekaaninen katkopainike on edelleen kiinnostava vaihtoehto matalille ja matala-keskijännitejärjestelmille, sillä se on ainoa hyvin todistettu käsite.

Kuva 5: Yhteenveto kaikista kytkemiskäsitteistä DC-katkopainikkeille

Taulukko 1 yhteenvetää neljän katkopainiketeknologian ominaisuuksia:
On huomioitava, että tämän taulukon valmisteluaika on 2012.

 
Taulukko 1: Yhteenveto katkopainiketeknologioista matalan tehon DC-sovelluksille