עיצוב כבלי מעגל מוצקים בזרם ישר בינוני והעתיד

איך פועלים מפרקי חשמל סולידיים במתח בינוני:
מפרק DC סולידי משתמש בסמיונדוקטורים כוח כדי להפסיק את זרם התקלה. טופולוגיה פשוטה של מפרק DC סולידי מוצגת בתמונה 1. ארבע דיודות ו-IGCT מייצגים את מסלול ההובלה העיקרי, בעוד שמעגל הגנה משמש לשחרור האינדוקטיביות של הקו במקרה של תקלה. כאשר המפרק DC מתנתק, IGCT מתכבה. בשל האנרגיה המאוכסנת אינדוקטיבית, המתח על הסמיונדוקטורים עולה במהירות והמעגל הגנה מתחיל להוביל זרם. כדי לשחרר את האינדוקטיביות של הקו, מתח ההגנה של מעגל הגנה חייב להיות גבוה יותר ממתח הרשת הנומינלי. כמו כן, יש לוודא שהסמיונדוקטורים יכולים לעמוד במתח ההגנה של מעגל הגנה. יתרון מרכזי של מפרק DC סולידי הוא מהירות הפסקת הזרם המהירה שלו ולא קיימת בו חלקים נעים. מכיוון שהסמיונדוקטורים מוצבים במסלול ההובלה העיקרי, מופיעות אבידות מצב פעיל.

תמונה 1:עיצוב פשוט של מפרק סולידי

מפרקים סולידיים נשענים אך ורק על המפסק הסולידי העובר את העומס הנומינלי ולהפסקת הזרם. מאחר שמלאכת החשמל נעלמת, נדרש מנגנון אחר כדי לפזר את האנרגיה המאוכסנת באינדוקטיביות הקו. זה מתבצע לעתים קרובות באמצעות ערבוב מקביל של וריסטור אוקסיד מתכת (MOV). ל-MOV יש תכונה לא ליניארית של מתח/זרם.
התנגדותו נשארת גבוהה (פועלת למעשה כתעלה פתוחה) עד שמתח עליו מגיע למערך מסוים, שם התנגדותו יורדת מאפשרת זרם לעבור דרך המכשיר. כשהוא מוליך, MOV גם מגביל את המתח עליו בערך קבוע.
סוג זה של מכשיר נמצא בשימוש תדיר במערכות מתח גבוה כמעגל הגנה וגם כמכשיר הגנה עבור רכיבים רגישים למתח.
שני טיפולוגיות של מפרקים סולידיים דו-כיווניים מוצגים בתמונה 2. כשהמפרק סגור, שני מכשירי הסמיונדוקטור מופעלים, מאפשרים זרם לזרום בכיוונים שניים. במהלך הפסקת הזרם, שני המכשירים מתכבים, מכריחים את המתח על המכשירים לעלות עד ש-MOV מתחיל ל מוליך ולגבל את המתח על המכשירים. MOV המוליך פועל לפיזור האנרגיה המאוכסנת בתוך האינדוקטיביות של הקו.
אם כי IGCT מוצגים בתמונה 2 (a), GTOs נמצאים בשימוש בתכנונים ישנים יותר מבוססים על אותה טופולוגיה של המעגל.

 
תמונה 2   a) מפרק סולידי דו-כיווני פשוט מבוסס IGCT, (b) מפרק סולידי דו-כיווני פשוט מבוסס IGBT

תמונה 3 מציגה מספר תכנונים אלטרנטיביים המפעילים את המושג הזה במערכות מתח בינוני. במערכות אלו, מכשירים מרובים מחוברים בטור כדי להגדיל את יכולת החסימה הכוללת של מתח המפרק הסולידי. דיודות גם מוטמות לעיתים קרובות בטור עם המפסקים הראשיים כדי לשפר את מתח הבלוק הפוך של המערכת, בשל יכולת הבלוק הפוך המוגבלת של מכשירים קיימים כגון IGCT ו-GTO. המעגל המוצג בתמונה 3 (c) כולל RC snubbers מחוברים במקביל הנדרשים למערכות מבוססות GTO כדי לעזור בהכבה של מכשירים, והוא גם מכיל שתי תכונות מעניינות שיכולות להתאים למפרקים סולידיים אחרים. ראשית, הוא כולל נגד מחובר במקביל המשמש להגביל את זרם התקלה במהלך הפסקת הזרם. במהלך פעילות נורמלית, הנגד מוקף על ידי המפסקים הסמיונדוקטורים הראשיים ולכן אינו תורם לאבידות מצב פעיל של המפרק. שנית, מפסק מכני מחובר בטור כדי לספק מנותק פיזי.
אם כי התכנונים המוצגים בסעיף זה הם בעיקר לתכנן מערכות חשמל חילופין, ניתן ליישם את התכנונים הללו ליישומים ישרים עם שינויים מינימליים.

 
תמונה 3: a) מפרק סולידי דו-כיווני מתח בינוני מבוסס IGCT, (b) מפרק סולידי דו-כיווני מתח בינוני מבוסס IGCT, (c) מפרק סולידי דו-כיווני מבוסס GTO

תרשים בלוק מופשט של מפרק סולידי מוצג בתמונה 4. המפסק הסולידי משבץ זרם מורכב מסדרה של מכשירים סולידיים כדי להתמודד בצורה בטוחה עם מתח קו ה-DC. מפקח מהיר משולב הפוך זמן מספק את אות הדחיפה עבור המפסקים במשבץ שפותחים ונסגרים באופן סינכרוני. המפקח הפוך זמן המהיר מקבל פקודות מהקלט ידני, ממפרקים אחרים ברשת, או מסנסורים מהירים המזהים זרמים מקומיים של תקלה. המפקח הפוך זמן מספק שליטה הפוכה של זמן הפעולה עבור מצבים של עודף זרם, והפעלה מיידית מהירה אם הגבול של עודף הזרם מתמלא. ניתן להתאים את פרמטרי הפעילות הללו לכל מפרק בהתאם למיקומו ברשת, כדי להבטיח תגובה מסודרת, ממוינת לתנאי תקלה.

 
תמונה 4: תרשים מערכת מופשט של מפרק סולידי טיפוסי MVDC

המשבץ הסולידי מספק את הפונקציונליות הראשית של אספת מפרק מלא: הגנה מהירה על תקלות והפרדה. אספת המפרק המלאה צריכה גם לספק אמצעי להפרדת הבטוחה של המשבץ מהרשת החשמלית כאשר נדרשת תחזוקה או שירות.
تخطيط מקדים למשבץ זרם ברמה טעינה של 8 MW מוצג בתמונה 1. המשבץ
כולל שש IGBTs (CM900HB-66H) מחוברים בטור. המשבץ של 8 MW הוא
בערך 23” רוחב x 9” גובה  11” עומק ומשקלו בערך 60 פאונד. ה-IGBTs מותקנים
על לוחות קריאה מקררים מברזל, אשר בתורם מותקנים על מסגרת מכנית מבודדת חשמלית.
הקווי המים שאינם מתכות הם מספיק מבודדים כדי להגביל את הזרם השוקל לאורך הקווים.
זה ידרוש מערכת קירור סגורה קטנה ופחית החלפה אוניה ממושכת כדי לשמור על
ההתנגדות של מים הקירור.
זה ידרוש מערכת קירור סגורה קטנה ופחית החלפה אוניה ממושכת כדי לשמור על ההתנגדות של מים הקירור.
בתמונה 1 מוצג התכנון המכני המוקדם של משבץ IGBT 10 kV, 8 MW (800 A). ה-IGBTs מותקנים על לוחות קריאה מקררים. קווי קירור שאינם מתכות בין לוחות קריאה סמוכים מתוכננים לעמוד במתח המלא של המפסק כשהמפסק פתוח.
מערכים מקבילים של אסsemblies אלה משמשים כדי לעמוד בדרישות הזרם הכוללי עבור הטעינה.

 
תמונה 1: תכנון מכני מוקדם של משבץ IGBT 10 kV, 8 MW (800 A). ה-IGBTs מותקנים על לוחות קריאה מקררים

השוואה בין היתרונות והחסרונות של מפרקים סולידיים למפרקים אחרים בקצרה:
ientras solid-state circuit breakers can achieve substantially faster interruption speed compared to conventional electro-mechanical-based circuit breakers, one major drawback of solid-state breakers is their high on-state losses. With contact resistance as small as a few micro-ohms, electro-mechanical contacts in classical circuit breakers introduce negligible on-state losses. In contrast, most solid-state devices introduce a voltage drop of at least two volts, therefore as a large current flows through the breaker, the on-state losses of a solid-state circuit breaker can be significantly higher than those of a classical circuit breaker. The increased energy loss also leads to increased requirements for cooling. Traditionally large metallic heatsinks are used to passively cool power semiconductor devices, however, they can contribute to substantial portions of the systems’ overall size and weight. While the installation of active cooling systems such as forced air (fan) or liquid cooling might help to reduce the size and weight of the overall system, they introduce additional complexities such as increased acoustic signature, energy losses, and maintenance issues.
לפי תמונה 5, הערכים ניתנים ביחס לערך הגבוה ביותר בכל קבוצה.
עבור כל קריטריון, ערכים קטנים נחשבים לרצויים. לכן, שטח קטן מצביע על ביצועים כלליים טובים של מושג המפסק.
על פי הממצאים, המפרק הסולידי מראה ביצועים כלליים טובים. בזכות יכולות המפסק המהירות שלו, זמן הכיבוי קטן ועוצמות זרם נמוכות מופיעות. בנוסף, המאמינות והמורכבות של תהליך המפסק יכולים להיחשב טובים. עם זאת, המפרק הסולידי סובל מאבידות גבוהות, לעומת מפסקים מכניים או היברידיים.
מושג חלופי עם אבידות נמוכות, עלויות יחסיות בינוניות ומאמינות טובה הוא מפסק מכני עם snubber. גם המפסק ההיברידי הקונבנציונלי מראה ביצועים כלליים בינוניים. הוא סובל מעוצמות זרם גבוהות עקב המפסק המכני. המושגים שנלקחים ממערכות HVDC אינם מראים ביצועים טובים בתחום המתח והעוצמה שנבדקו. עם זאת, עבור מתחים ועוצמות גבוהים יותר, ייתכן שזה ישתנה. לבסוף, המושג של מפסק מכני טהור עדיין מעניין ליישומים של מתח נמוך ונמוך-בינוני מאחר שהוא היחיד המוכח היטב.

תמונה 5: סקירת כל מושגי המפסק עבור מפרקים DC

טבלה 1 מסכמת את מאפייני ארבע טכנולוגיות מפרקים:
יש לציין כי זמן הכנת הטבלה הוא 2012.

 
טבלה 1: סיכום טכנולוגיות מפרקים עבור יישומים DC בעוצמה נמוכה