Disenyo at hinaharap ng Medium Voltage DC Solid-State Circuit Breakers

Paano gumagana ang solid-state circuit breaker sa medium voltage:
Gumagamit ang solid-state DC breaker ng power semiconductors upang putulin ang fault current. Ang isang simple na topolohiya ng solid-state DC breaker ay ipinapakita sa Figure 1. Ang apat na diode at isang IGCT ang nagsisilbing pangunahing conduction path, habang ginagamit ang surge arrester para ilabas ang line inductance kapag mayroong fault. Kapag natrigger ang DC breaker, itinuturn off ang IGCT. Dahil sa inductive na nakaimbak na enerhiya, tumaas agad ang voltage sa ibabaw ng semiconductors at nagsisimula ang surge arrester na magdala ng current. Upang ilabas ang line inductance, kailangan mas mataas ang protection voltage ng surge arrester kaysa nominal grid voltage. Kailangan din siguruhin na maaaring tiyakin ng power semiconductors ang protection voltage ng surge arrester. Ang pangunahing benepisyo ng solid-state DC breaker ay ang mabilis na interruption speed at ang walang moving parts. Dahil nasa pangunahing conduction path ang power semiconductors, nagkakaroon ng on-state losses.

Figure 1:Simple design of solid stat circuit breaker

Nagbibigay lamang ang solid-state circuit breakers ng solid-state switch upang dalhin ang nominal load at putulin ang current. Dahil nawala ang electric arc, kailangan ng ibang mekanismo upang ilabas ang nakaimbak na enerhiya sa circuit inductance. Karaniwang ito ay natatamo sa pamamagitan ng parallel-connected metal-oxide varistor (MOV). May non-linear voltage/current characteristic ang MOV.
Tataas ang resistance nito (na may epekto na open circuit) hanggang sa maabot ang isang tiyak na halaga ng voltage sa ibabaw nito, kung saan bumababa ang resistance nito at pinapayagan ang current na lumampas sa device. Kapag nag-conduct ang MOV, binabantayan nito ang voltage sa ibabaw nito sa isang constant value.
Karaniwang ginagamit ang uri ng device na ito sa high voltage systems bilang surge arrester at ginagamit din ito bilang protection device para sa mga voltage-sensitive components.
Ipinapakita ang dalawang bi-directional solid-state circuit breaker topologies sa Figure 2. Kapag sarado ang breaker, pinaluluma ang parehong semiconductor devices, pinapayagan ang current na lumampas sa parehong direksyon. Sa panahon ng pag-interrupt ng current, pinaluluma ang parehong devices, pilit na tumaas ang voltage sa ibabaw ng devices hanggang sa magsimula ang MOV na mag-conduct at bantayan ang voltage sa ibabaw ng devices. Ang conducting MOV ay tumutulong sa paglabas ng enerhiyang nakaimbak sa circuit inductance.
Bagama't ipinapakita ang IGCTs sa Figure 2 (a), ginamit din ang GTOs sa mas lumang disenyo batay sa parehong circuit topology.

 
Figure 2   a) IGCT based simple bi-directional solid-state circuit breaker, (b) IGBT based simple bi-directional solid-state circuit breaker

Ipinalalaman ng Figure 3 ang maraming alternative designs na nag-aapply ng konsepto na ito sa medium voltage systems. Sa mga system na ito, konektado sa serye ang maraming devices upang taasan ang kabuuang voltage withstand capability ng solid-state breaker. Madalas rin konektado sa serye ang mga diode kasama ang main breaking switches upang mapabuti ang reverse block voltage ng system, dahil sa limitadong reverse blocking capability ng existing devices tulad ng IGCT at GTO. Ang circuit na ipinapakita sa Figure 3 (c) ay may parallel-connected RC snubbers na kinakailangan para sa GTO-based systems upang matulungan ang turn-off ng devices, at may dalawang interesanteng feature na maaaring i-apply sa ibang solid-state circuit breakers. Una, may parallel-connected resistor na ginagamit upang limitahan ang fault current sa panahon ng pag-interrupt ng current. Sa normal na operasyon, shorted out ang resistor na ito ng main semiconductor switches at hindi ito nakakatulong sa on-state losses ng breaker. Pangalawa, may mechanical switch na konektado sa serye upang magbigay ng pisikal na isolation.
Bagama't ang mga disenyo na ipinapakita sa seksyong ito ay pangunahing disenyo para sa ac power systems, posible itong i-apply sa dc applications na may minimal na modification.

 
Figure 3: a) IGCT based medium voltage bi-directional solid-state circuit breaker, (b) IGCT based medium voltage bi-directional solid-state circuit breaker, (c) GTO based bidirectional solid-state circuit breaker

Ipinapakita ang simplified block diagram ng solid-state circuit breaker sa Figure 4. Ang solid-state current interrupter ay binubuo ng series string ng solid-state devices upang ligtas na hawakan ang DC bus voltage. Ang fast coordinated inverse-time controller ay nagbibigay ng gate drive signal para sa mga switches sa interrupter na synchronously open at close. Ang fast inverse time controller ay tumatanggap ng commands mula sa manual input, mula sa ibang breakers sa network, o mula sa fast sensors na nakakadetect ng local fault currents. Nagbibigay ang inverse-time controller ng inverse trip time control para sa overcurrent states, at isang mabilis na instantaneous trip kung maabot ang overcurrent limit. Maaaring i-adjust ang mga operational parameters na ito para sa bawat breaker depende sa lokasyon nito sa network, nagbibigay ng isang orderly, sequenced response sa fault conditions.

 
Figure 4: Simplified system diagram of a typical MVDC solid-state circuit breaker

Ang solid-state interrupter ay nagbibigay ng pangunahing functionality ng isang buong circuit breaker assembly na mabilis na fault protection at isolation. Kailangan din ng buong circuit breaker assembly na magbigay ng paraan upang ligtas na i-disconnect ang interrupter mula sa power network kapag kailangan ng maintenance o serbisyo.
Ipinapakita ang preliminary layout para sa 8 MW load-level circuit interrupter sa photo 1. Ang interrupter na ito
ay binubuo ng anim na 4,500 V IGBTs (CM900HB-66H) na konektado sa serye. Ang 8 MW interrupter ay
humigit-kumulang 23 pulgada ang lapad x 9 pulgada ang taas  11 pulgada ang hondas at humigit-kumulang 60 lb ang timbang. Ang IGBTs ay nakamontado
sa water-cooled aluminum cold plates, na sa kanilang pagkakamontado, nakamontado sa isang electrically insulating mechanical frame. Ang non-metallic water lines ay sapat na resistive upang limitahan ang current leakage down the lines.
Kailangan ito ng isang maliit na closed-loop cooling system at isang mahabang-buhay na ion-exchange cartridge upang panatilihin ang resistivity ng cooling water.
Kailangan ito ng isang maliit na closed-loop cooling system at isang mahabang-buhay na ion-exchange cartridge upang panatilihin ang resistivity ng cooling water.
Sa photo 1 ipinapakita ang preliminary mechanical layout ng 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT interrupter. Ang IGBTs ay nakamontado sa water-cooled cold plates. Ang non-metallic cooling lines sa pagitan ng adjacent cold plates ay disenyo upang makatayo sa buong switch voltage kapag bukas ang switch.
Parallel arrays ng mga assembly na ito ang ginagamit upang matugunan ang kabuuang current requirements para sa load.

 
Photo 1: Preliminary mechanical layout of a 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT interrupter. The IGBTs are mounted on water-cooled cold plates

Ikumpara ang mga advantage at disadvantage ng Solid-State Circuit breakers sa iba pang circuit breakers nang maikli:
Bagama't maaari ang solid-state circuit breakers na makamit ang substantially mas mabilis na interruption speed kumpara sa conventional electro-mechanical-based circuit breakers, isa sa pangunahing drawback ng solid-state breakers ay ang kanilang mataas na on-state losses. May contact resistance na maliit na ilang micro-ohms, ang electro-mechanical contacts sa classical circuit breakers ay nag-iintroduce ng negligible on-state losses. Sa kabilang banda, karamihan sa solid-state devices ay nag-iintroduce ng voltage drop ng hindi bababa sa dalawang volts, kaya't kapag malaking current ang lumalampas sa breaker, maaaring significantly mas mataas ang on-state losses ng solid-state circuit breaker kumpara sa classical circuit breaker. Ang pagtaas ng energy loss ay nagdudulot din ng pagtaas ng requirement para sa cooling. Tradisyonal na ginagamit ang malalaking metallic heatsinks upang passively coolin ang power semiconductor devices, ngunit, maaari itong mag-ambag sa substantial portions ng overall size at weight ng sistema. Bagama't ang installation ng active cooling systems tulad ng forced air (fan) o liquid cooling ay maaaring makatulong upang bawasan ang size at weight ng overall system, ito ay nagdudulot ng karagdagang complexities tulad ng increased acoustic signature, energy losses, at maintenance issues.
Ayon sa figure 5, ang mga halaga ay ibinibigay sa relasyon sa pinakamataas na halaga per grupo.
Para sa bawat criterion, ang maliit na halaga ang itinuturing na mas preferible. Isang maliit na lugar, kaya't nagpapahiwatig ng isang kabuuang mabuting performance ng switching concept.
Batay sa mga natuklasan, ang solid-state circuit-breaker ay nagpapakita ng mabuting kabuuang performance. Dahil sa mabilis na switching capabilities nito, ang turn-off time ay maliit at mababang current amplitudes ang lumalabas. Bukod dito, maaaring ituring na mabuti ang reliability at complexity ng switching process. Gayunpaman, ang solid-state breaker ay may mataas na losses, kumpara sa mechanical o hybrid switches.
Isang alternative concept na may mababang losses, medium relative costs, at mabuting reliability ay ang snubber mechanical breaker. Bukod dito, ang conventional hybrid breaker ay nagpapakita ng isang kabuuang medium performance. It suffers from high peak currents due to the mechanical switch. Ang mga konsepto na galing sa HVDC systems ay hindi nagpapakita ng mabuting performance sa voltage at power levels na iminumungkahi. Gayunpaman, para sa mas mataas na voltages at powers, maaaring magbago ito. Sa wakas, ang konsepto ng pure mechanical-breaker ay patuloy na interesante para sa low at low-medium voltage applications dahil ito lang ang well-proven one.

Figure 5: Overview of all switching concepts for DC circuit breakers

Ang Table 1 ay sumasangguni sa mga katangian ng apat na circuit breaker technologies:
Dapat tandaan na ang oras ng paghanda ng table na ito ay 2012.

 
Table 1: Summary of circuit breakers technologies for low power DC applications