Deseño e futuro dos interruptores de corrente directa de media tensión de estado sólido

Como funcionan os interruptores de estado sólido de media tensión:
Un interruptor de corrente contínua (CC) de estado sólido usa semiconductores de potencia para interromper a corrente de fallo. Unha topoloxía simple dun interruptor de CC de estado sólido amóstrase na Figura 1. Catro díodos e un IGCT representan a via principal de conducción, mentres que o protector contra sobretensiones se usa para descarregar a indutancia da liña en caso de fallo. Cando se activa o interruptor de CC, o IGCT apágase. Debido á enerxía almacenada inductivamente, a tensión nos semiconductores aumenta rapidamente e o protector contra sobretensiones comeza a conducir corrente. Para descarregar a indutancia da liña, a tensión de protección do protector contra sobretensiones debe ser maior que a tensión nominal da rede. Tamén debe asegurarse que os semiconductores de potencia podan resistir a tensión de protección do protector contra sobretensiones. A principal vantaxe dun interruptor de CC de estado sólido é a súa rápida velocidade de interrupción e a falta de partes móbeis. Como os semiconductores de potencia están colocados na via principal de conducción, ocorren perdas no estado de conducción.

Figura 1: Diseño simple dun interruptor de estado sólido

Os interruptores de estado sólido dependen exclusivamente do conmutador de estado sólido para transportar a carga nominal e para interrumpir a corrente. Como non hai arco eléctrico, é necesaria outra mecanismo para disipar a enerxía almacenada na indutancia do circuito. Isto adoita lograse mediante un varistor de óxido metálico (MOV) conectado en paralelo. Un MOV ten unha característica non lineal de tensión/corrente.
A súa resistencia permanece alta (actuando eficazmente como un circuito aberto) ata que a tensión a través del alcanza un valor determinado, onde a súa resistencia cae permitindo que a corrente circule polo dispositivo. Cando está conduciendo, un MOV tamén limita a tensión a través del a un valor constante.
Este tipo de dispositivo úsase frecuentemente en sistemas de alta tensión como protector contra sobretensiones e tamén como dispositivo de protección para componentes sensibles à tensión.
Mostranse dúas topoloxías de interruptores de estado sólido bidireccionais na Figura 2. Cando o interruptor está pechado, ambos os dispositivos semiconductores encéndense, permitindo que a corrente fluya en ambas as direccións. Durante a interrupción da corrente, ambos os dispositivos apáganse, forzando a que a tensión a través dos dispositivos aumente ata que o MOV comece a conducir e a limitar a tensão a través dos dispositivos. O MOV que está conduciendo actúa para disipar a enerxía almacenada dentro da indutancia do circuito.
Embora se mostren IGCTs na Figura 2 (a), tamén se usaron GTOs en diseños antigos baseados na mesma topoloxía de circuito.

 
Figura 2   a) Interruptor de estado sólido bidireccional simple baseado en IGCT, (b) Interruptor de estado sólido bidireccional simple baseado en IGBT

A figura 3 amosa varios diseños alternativos que aplican este concepto a sistemas de media tensión. Nestes sistemas, múltiples dispositivos están conectados en serie para aumentar a capacidade total de soportar a tensión do interruptor de estado sólido. Os díodos tamén están frecuentemente conectados en serie coas principais chaves de corte para mellorar a tensión de bloqueo inverso do sistema, debido á limitada capacidade de bloqueo inverso de dispositivos existentes como IGCT e GTO. O circuito mostrado na figura 3 (c) inclúe atenuadores RC conectados en paralelo que son necesarios para os sistemas basados en GTO para axudar ao apagado dos dispositivos, e tamén contén dúas características interesantes que poderían aplicarse a outros interruptores de estado sólido. En primeiro lugar, inclúe un resistor conectado en paralelo que se usa para limitar a corrente de fallo durante a interrupción da corrente. Durante a operación normal, este resistor está acortado polas principais chaves semiconductoras e, polo tanto, non contribúe ás perdas no estado de conducción do interruptor. En segundo lugar, unha chave mecánica está conectada en serie para proporcionar aislamento físico.
Aínda que os diseños mostrados nesta sección están principalmente deseñados para sistemas de potencia AC, debería ser posible aplicar estes diseños a aplicacións DC con mínimas modificacións.

 
Figura 3: a) Interruptor de estado sólido bidireccional de media tensión baseado en IGCT, (b) Interruptor de estado sólido bidireccional de media tensión baseado en IGCT, (c) Interruptor de estado sólido bidireccional baseado en GTO

Amóstrase un diagrama de bloques simplificado dun interruptor de estado sólido na Figura 4. O interrumpidor de corrente de estado sólido está composto por unha cadea en serie de dispositivos de estado sólido para manexar de forma segura a tensión da barra CC. Un controlador inverso de tempo rápido proporciona a señal de conducción para as chaves no interrumpidor, que se abren e pechan sincronicamente. O controlador inverso de tempo rápido recibe comandos desde unha entrada manual, desde outros interruptores na rede ou desde sensores rápidos que detectan correntes de fallo locais. O controlador inverso de tempo proporciona control de tempo inverso para estados de sobre-corriente, e unha interrupción instantánea rápida se se alcanza o límite de sobre-corriente. Estes parámetros operativos poden axustarse para cada interruptor dependendo da súa localización na rede, proporcionando unha resposta ordenada y secuenciada a condicións de fallo.

 
Figura 4: Diagrama simplificado do sistema dun interruptor de estado sólido típico de media tensión

O interrumpidor de estado sólido proporciona a funcionalidade principal dunha montaxe completo de interruptor, proteción rápida de fallos e isolación. O montaxe completo do interruptor tamén debe proporcionar un medio para desconectar de forma segura o interrumpidor da rede de potencia cando se require mantemento ou servizo.
Amóstrase unha disposición preliminar para un interrumpidor de nivel de carga de 8 MW na foto 1. Este interrumpidor
consiste en seis IGBTs de 4,500 V (CM900HB-66H) conectados en serie. O interrumpidor de 8 MW é
aproximadamente 23" de ancho x 9" de alto x 11" de profundidade e pesa aproximadamente 60 lb. Os IGBTs están montados
en placas frías de aluminio refrigeradas con auga, que, a su vez, están montadas nun marco mecánico de aislamento eléctrico. As liñas de auga non metálicas son suficientemente resistentes para limitar a fuga de corrente por las liñas. Esto requerirá un sistema de refrigeración en bucle cerrado pequeno e un cartucho de intercambio iónico duradero para manter a resistividad da auga de refrigeración.
Na foto 1 amóstrase a disposición mecánica preliminar dun interrumpidor IGBT de 10 kV, 8 MW (800 A). Os IGBTs están montados en placas frías refrigeradas con auga. As liñas de refrigeración non metálicas entre placas frías adxacentes están deseñadas para soportar a tensión completa do interruptor cando está aberto. Matrices paralelas destas montaxes úsanse para cumprir os requisitos globais de corrente para a carga.

 
Foto 1: Disposición mecánica preliminar dun interrumpidor IGBT de 10 kV, 8 MW (800 A). Os IGBTs están montados en placas frías refrigeradas con auga

Compare as vantaxes e desvantaxes dos interruptores de estado sólido con outros interruptores brevemente:
Aínda que os interruptores de estado sólido poden lograr velocidades de interrupción substancialmente máis rápidas comparados con interruptores convencionais baseados en electro-mecánicos, unha gran desvantaxe dos interruptores de estado sólido é as súas altas perdas no estado de conducción. Con resistencias de contacto tan pequenas como uns poucos micro-ohms, os contactos electro-mecánicos nos interruptores clásicos introducen perdas no estado de conducción negligibles. En contraste, a maioría dos dispositivos de estado sólido introducen unha caída de tensión de polo menos dous volts, polo que, cando unha gran corrente fluye a través do interruptor, as perdas no estado de conducción dun interruptor de estado sólido poden ser significativamente maiores que as dun interruptor clásico. O aumento da perda de enerxía tamén leva a un aumento das rexistencias de refrigeración. Tradicionalmente, se usan grandes dissipadores de calor metálicos para refrixar pasivamente os dispositivos semiconductores de potencia, pero poden contribuír a porcións sustanciais do tamaño e peso global do sistema. Aínda que a instalación de sistemas de refrigeración activos como aire forzado (ventilador) ou refrigeración líquida pode axudar a reducir o tamaño e o peso do sistema global, introducen complexidades adicionais como a firma acústica aumentada, perdas de enerxía e problemas de mantemento. Segundo a figura 5, os valores danse en relación co valor máis alto por grupo. Para cada criterio, os valores pequenos consideranse preferibles. Unha área pequena, polo tanto, indica un rendemento xeral bo dun concepto de conmutación. Basándose nos resultados, o interruptor de estado sólido mostra un rendemento xeral bo. Debido ás súas capacidades de conmutación rápida, o tempo de apagado é pequeno e só ocorren amplitudes de corrente baixas. Tamén, a fiabilidade e a complexidade do proceso de conmutación poden considerarse boas. No entanto, o interruptor de estado sólido sofre de altas perdas, en comparación con interruptores mecánicos ou híbridos. Un concepto alternativo con baixas perdas, custos relativos medios e boa fiabilidade é o interruptor mecánico con atenuador. Tamén, o interruptor híbrido convencional mostra un rendemento xeral medio. Sofre de correntes pico altas debido ao interruptor mecánico. Os conceptos tomados de sistemas HVDC non teñen un rendemento bo dentro dos niveis de tensión e potencia investigados. No entanto, para voltaxes e potencias máis altos, isto pode cambiar. Finalmente, o concepto dun interruptor puramente mecánico aínda é interesante para aplicacións de baixa e baixa-media tensión xa que é o único ben probado.

Figura 5: Visión xeral de todos os conceptos de conmutación para interruptores DC

A táboa 1 resume as características das catro tecnoloxías de interruptores:
Debe notarse que o tempo de preparación desta táboa é 2012.

 
Táboa 1: Resumo das tecnoloxías de interruptores para aplicacións de baixa potencia DC