Conception des disjoncteurs à courant continu de moyenne tension à semi-conducteurs et avenir
Fonctionnement du disjoncteur à semi-conducteurs en tension moyenne :
Un disjoncteur DC à semi-conducteurs utilise des composants de puissance pour interrompre le courant de défaut. Une topologie simple d'un disjoncteur DC à semi-conducteurs est montrée dans la Figure 1. Quatre diodes et un IGCT représentent le chemin de conduction principal, tandis que l'absorbeur de surtension est utilisé pour décharger l'inductance de la ligne en cas de défaut. Lorsque le disjoncteur DC est déclenché, l'IGCT est coupé. En raison de l'énergie stockée inductivement, la tension aux bornes des semi-conducteurs augmente rapidement et l'absorbeur de surtension commence à conduire le courant. Pour décharger l'inductance de la ligne, la tension de protection de l'absorbeur de surtension doit être supérieure à la tension nominale du réseau. Il faut également s'assurer que les composants de puissance peuvent supporter la tension de protection de l'absorbeur de surtension. L'avantage principal d'un disjoncteur DC à semi-conducteurs est sa vitesse d'interruption rapide et l'absence de pièces mobiles. Puisque les composants de puissance sont placés dans le chemin de conduction principal, des pertes en état conducteur se produisent.
Figure 1 : Conception simple du disjoncteur à semi-conducteurs
Les disjoncteurs à semi-conducteurs dépendent uniquement du commutateur à semi-conducteurs pour porter la charge nominale et interrompre le courant. Comme l'arc électrique est éliminé, un autre mécanisme est nécessaire pour dissiper l'énergie stockée dans l'inductance du circuit. Cela est souvent réalisé via un varistor à oxyde métallique (MOV) connecté en parallèle. Un MOV a une caractéristique non linéaire de tension/courant.
Sa résistance reste élevée (agissant effectivement comme un circuit ouvert) jusqu'à ce que la tension aux bornes atteigne une certaine valeur, où sa résistance diminue, permettant au courant de circuler à travers le dispositif. Lorsqu'il conduit, un MOV limite également la tension aux bornes à une valeur constante.
Ce type de dispositif est fréquemment utilisé dans les systèmes haute tension comme absorbeur de surtension et est également utilisé comme dispositif de protection pour les composants sensibles à la tension.
Deux topologies de disjoncteurs à semi-conducteurs bidirectionnels sont montrées dans la Figure 2. Lorsque le disjoncteur est fermé, les deux dispositifs de semi-conducteurs sont allumés, permettant au courant de circuler dans les deux directions. Pendant l'interruption du courant, les deux dispositifs sont éteints, forçant la tension aux bornes des dispositifs à augmenter jusqu'à ce que le MOV commence à conduire et à limiter la tension aux bornes des dispositifs. Le MOV conducteur agit pour dissiper l'énergie stockée dans l'inductance du circuit.
Bien que des IGCT soient montrés dans la Figure 2 (a), des GTO ont également été utilisés dans les anciennes conceptions basées sur la même topologie de circuit.
Figure 2 a) Disjoncteur bidirectionnel à semi-conducteurs simple basé sur IGCT, (b) Disjoncteur bidirectionnel à semi-conducteurs simple basé sur IGBT
La Figure 3 montre plusieurs conceptions alternatives qui appliquent ce concept aux systèmes en tension moyenne. Dans ces systèmes, plusieurs dispositifs sont connectés en série pour augmenter la capacité totale de résistance à la tension du disjoncteur à semi-conducteurs. Des diodes sont également souvent connectées en série avec les principaux interrupteurs de coupure pour améliorer la tension de blocage inverse du système, en raison de la capacité limitée de blocage inverse des dispositifs existants tels que IGCT et GTO. Le circuit montré dans la Figure 3 (c) comprend des amortisseurs RC connectés en parallèle qui sont nécessaires pour les systèmes basés sur GTO pour aider à l'extinction des dispositifs, et contient également deux caractéristiques intéressantes qui pourraient être appliquées à d'autres disjoncteurs à semi-conducteurs. Premièrement, il comprend une résistance connectée en parallèle qui est utilisée pour limiter le courant de défaut pendant l'interruption du courant. Pendant le fonctionnement normal, cette résistance est court-circuitée par les principaux commutateurs de semi-conducteurs et ne contribue donc pas aux pertes en état conducteur du disjoncteur. Deuxièmement, un interrupteur mécanique est connecté en série pour fournir une isolation physique.
Bien que les conceptions montrées dans cette section soient principalement conçues pour les systèmes de puissance en courant alternatif, il devrait être possible d'appliquer ces conceptions aux applications en courant continu avec des modifications minimales.
Figure 3 : a) Disjoncteur bidirectionnel à semi-conducteurs en tension moyenne basé sur IGCT, (b) Disjoncteur bidirectionnel à semi-conducteurs en tension moyenne basé sur IGCT, (c) Disjoncteur bidirectionnel à semi-conducteurs basé sur GTO
Un diagramme bloc simplifié d'un disjoncteur à semi-conducteurs est montré dans la Figure 4. L'interrupteur de courant à semi-conducteurs est composé d'une chaîne en série de dispositifs à semi-conducteurs pour gérer en toute sécurité la tension de bus DC. Un contrôleur inverse temps rapide coordonné fournit le signal de commande de grille pour les interrupteurs dans l'interrupteur qui s'ouvrent et se ferment de manière synchrone. Le contrôleur inverse temps rapide reçoit des commandes soit d'une entrée manuelle, soit d'autres disjoncteurs dans le réseau, soit de capteurs rapides qui détectent les courants de défaut locaux. Le contrôleur inverse temps fournit un contrôle de temps d'interruption inverse pour les états de surintensité, et une interruption instantanée rapide si la limite de surintensité est atteinte. Ces paramètres opérationnels peuvent être ajustés pour chaque disjoncteur en fonction de son emplacement dans le réseau, offrant une réponse ordonnée et séquencée aux conditions de défaut.
Figure 4 : Diagramme simplifié du système d'un disjoncteur à semi-conducteurs typique en tension moyenne DC
L'interrupteur à semi-conducteurs fournit la fonctionnalité principale d'un ensemble complet de disjoncteur, à savoir la protection rapide contre les défauts et l'isolement. L'ensemble complet du disjoncteur doit également fournir un moyen de déconnecter en toute sécurité l'interrupteur du réseau de puissance lorsque la maintenance ou le service est nécessaire.
Un agencement préliminaire pour un interrupteur de charge de 8 MW est montré dans la photo 1. Cet interrupteur
est composé de six IGBT de 4 500 V (CM900HB-66H) connectés en série. L'interrupteur de 8 MW est
environ 58 cm de large x 23 cm de haut x 28 cm de profondeur et pèse environ 27 kg. Les IGBT sont montés
sur des plaques froides en aluminium refroidies par eau, qui sont à leur tour montées sur un cadre mécanique isolé électriquement. Les lignes d'eau non métalliques sont suffisamment résistives pour limiter le courant de fuite le long des lignes. Cela nécessitera un petit système de refroidissement en boucle fermée et une cartouche d'échange d'ions durable pour maintenir la résistivité de l'eau de refroidissement. Cela nécessitera un petit système de refroidissement en boucle fermée et une cartouche d'échange d'ions durable pour maintenir la résistivité de l'eau de refroidissement. La photo 1 montre l'agencement mécanique préliminaire d'un interrupteur IGBT de 10 kV, 8 MW (800 A). Les IGBT sont montés sur des plaques froides refroidies par eau. Les lignes de refroidissement non métalliques entre les plaques froides adjacentes sont conçues pour supporter la tension complète du commutateur lorsqu'il est ouvert. Des tableaux parallèles de ces assemblages sont utilisés pour répondre aux exigences de courant global pour la charge.
Photo 1 : Agencement mécanique préliminaire d'un interrupteur IGBT de 10 kV, 8 MW (800 A). Les IGBT sont montés sur des plaques froides refroidies par eau
Comparaison des avantages et des inconvénients des disjoncteurs à semi-conducteurs avec d'autres disjoncteurs de manière succincte :
Bien que les disjoncteurs à semi-conducteurs puissent atteindre une vitesse d'interruption beaucoup plus rapide par rapport aux disjoncteurs électromécaniques conventionnels, un inconvénient majeur des disjoncteurs à semi-conducteurs est leurs pertes élevées en état conducteur. Avec une résistance de contact aussi faible que quelques micro-ohms, les contacts électromécaniques dans les disjoncteurs classiques introduisent des pertes en état conducteur négligeables. En revanche, la plupart des dispositifs à semi-conducteurs introduisent une chute de tension d'au moins deux volts, donc lorsque un grand courant passe à travers le disjoncteur, les pertes en état conducteur d'un disjoncteur à semi-conducteurs peuvent être significativement plus élevées que celles d'un disjoncteur classique. L'augmentation de la perte d'énergie entraîne également une augmentation des exigences de refroidissement. Traditionnellement, de grands dissipateurs thermiques métalliques sont utilisés pour refroidir passivement les dispositifs de semi-conducteurs de puissance, cependant, ils peuvent contribuer à des portions substantielles de la taille et du poids globaux du système. Bien que l'installation de systèmes de refroidissement actifs tels que l'air forcé (ventilateur) ou le refroidissement liquide puisse aider à réduire la taille et le poids du système global, ils introduisent des complexités supplémentaires telles qu'une signature acoustique accrue, des pertes d'énergie et des problèmes de maintenance. Selon la figure 5, les valeurs sont données en relation avec la valeur la plus élevée du groupe. Pour chaque critère, de petites valeurs sont considérées comme préférables. Une petite surface indique donc une bonne performance globale d'un concept de commutation. Sur la base des résultats, le disjoncteur à semi-conducteurs présente une bonne performance globale. En raison de ses capacités de commutation rapide, le temps d'extinction est faible et seules de faibles amplitudes de courant se produisent. De plus, la fiabilité et la complexité du processus de commutation peuvent être considérées comme bonnes. Cependant, le disjoncteur à semi-conducteurs souffre de pertes élevées, comparé aux commutateurs mécaniques ou hybrides. Un concept alternatif avec de faibles pertes, des coûts relatifs moyens et une bonne fiabilité est le disjoncteur mécanique avec amortisseur. De plus, le disjoncteur hybride conventionnel présente une performance globale moyenne. Il souffre de forts courants de crête en raison du commutateur mécanique. Les concepts provenant des systèmes HVDC n'ont pas une bonne performance dans les niveaux de tension et de puissance étudiés. Cependant, pour des tensions et des puissances plus élevées, cela pourrait changer. Enfin, le concept d'un pur disjoncteur mécanique reste intéressant pour les applications en basse et basse-moyenne tension, car c'est le seul bien éprouvé.
Figure 5 : Vue d'ensemble de tous les concepts de commutation pour les disjoncteurs DC
Le Tableau 1 résume les caractéristiques des quatre technologies de disjoncteurs :
Il convient de noter que la date de préparation de ce tableau est 2012.
Tableau 1 : Résumé des technologies de disjoncteurs pour les applications DC de faible puissance
