मध्य वोल्टेज डीसी सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर का डिज़ाइन और भविष्य

मध्य वोल्टेज सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर का काम:
एक सॉलिड-स्टेट डीसी ब्रेकर पावर सेमीकंडक्टर का उपयोग करता है दोष धारा को रोकने के लिए। एक सॉलिड-स्टेट डीसी ब्रेकर की सरल टोपोलॉजी चित्र 1 में दिखाई गई है। चार डायोड और एक IGCT मुख्य चालन पथ का प्रतिनिधित्व करते हैं, जबकि उच्च वोल्टेज अवशोषक दोष की स्थिति में लाइन इंडक्टेंस को छोड़ने के लिए उपयोग किया जाता है। जब डीसी ब्रेकर ट्रिप होता है, तो IGCT बंद कर दिया जाता है। इंडक्टिव रूप से संचित ऊर्जा के कारण, सेमीकंडक्टर के पार वोल्टेज तेजी से बढ़ता है और उच्च वोल्टेज अवशोषक धारा का संचालन शुरू कर देता है। लाइन इंडक्टेंस को छोड़ने के लिए, उच्च वोल्टेज अवशोषक का सुरक्षा वोल्टेज नामित ग्रिड वोल्टेज से अधिक होना चाहिए। साथ ही, यह सुनिश्चित किया जाना चाहिए कि पावर सेमीकंडक्टर सुरक्षा वोल्टेज को संभाल सकें। सॉलिड-स्टेट डीसी ब्रेकर का मुख्य लाभ इसकी तेज अवरोधन गति और गतिशील भागों की कमी है। क्योंकि पावर सेमीकंडक्टर मुख्य चालन पथ में रखे जाते हैं, इसलिए ऑन-स्टेट नुकसान होते हैं।

चित्र 1: सॉलिड स्टेट सर्किट ब्रेकर का सरल डिजाइन

सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर नामित लोड को ले जाने और धारा को अवरोधित करने के लिए केवल सॉलिड-स्टेट स्विच पर निर्भर करते हैं। क्योंकि विद्युत आर्क निकाल दिया जाता है, इसलिए लोट इंडक्टेंस में संचित ऊर्जा को घटाने के लिए एक अन्य तंत्र की आवश्यकता होती है। यह अक्सर समान्तर-संयोजित धातु ऑक्साइड वेरिस्टर (MOV) के माध्यम से प्राप्त किया जाता है। MOV की वोल्टेज/धारा विशेषता गैर-रेखीय होती है।
इसका प्रतिरोध उच्च रहता है (प्रभावी रूप से एक खुला सर्किट की तरह कार्य करता है) जब तक इसके पार वोल्टेज एक निश्चित मान तक नहीं पहुंचता, जहाँ इसका प्रतिरोध गिर जाता है और धारा उपकरण के माध्यम से संचालित होने लगती है। जब MOV संचालित होता है, तो यह उपकरण के पार वोल्टेज को एक स्थिर मान पर बंद कर देता है।
इस प्रकार का उपकरण अक्सर उच्च वोल्टेज प्रणालियों में उच्च वोल्टेज अवशोषक के रूप में उपयोग किया जाता है और वोल्टेज-संवेदनशील घटकों के लिए सुरक्षा उपकरण के रूप में भी उपयोग किया जाता है।
चित्र 2 में दो द्विदिशात्मक सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर टोपोलॉजी दिखाई गई हैं। जब ब्रेकर बंद होता है, तो दोनों सेमीकंडक्टर उपकरण चालू हो जाते हैं, जिससे दोनों दिशाओं में धारा बह सकती है। धारा अवरोधन के दौरान, दोनों उपकरण बंद कर दिए जाते हैं, जिससे उपकरणों के पार वोल्टेज बढ़ने लगता है जब तक MOV धारा का संचालन शुरू नहीं हो जाता और उपकरणों के पार वोल्टेज को बंद नहीं कर देता। संचालित MOV लोट इंडक्टेंस में संचित ऊर्जा को घटाने का काम करता है।
चित्र 2 (a) में IGCT दिखाए गए हैं, लेकिन इसी सर्किट टोपोलॉजी पर आधारित पुराने डिजाइन में GTOs का भी उपयोग किया गया है।

 
चित्र 2   a) IGCT आधारित सरल द्विदिशात्मक सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर, (b) IGBT आधारित सरल द्विदिशात्मक सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर

चित्र 3 ऐसे वैकल्पिक डिजाइनों को दिखाता है जो इस अवधारणा को मध्य वोल्टेज प्रणालियों पर लागू करते हैं। इन प्रणालियों में, कई उपकरण श्रृंखला में जोड़े जाते हैं ताकि सॉलिड-स्टेट ब्रेकर की कुल वोल्टेज सहन क्षमता बढ़ जाए। डायोड अक्सर मुख्य ब्रेकिंग स्विचों के साथ श्रृंखला में जोड़े जाते हैं ताकि प्रणाली का विपरीत ब्लॉक वोल्टेज सुधार किया जा सके, क्योंकि अस्तित्व में होने वाले उपकरणों जैसे IGCT और GTO की विपरीत ब्लॉकिंग क्षमता सीमित होती है। चित्र 3 (c) में दिखाया गया सर्किट GTO-आधारित प्रणालियों के लिए आवश्यक समान्तर-संयोजित RC स्नबर्स शामिल करता है, जो उपकरणों को बंद करने में मदद करते हैं, और इसमें दो दिलचस्प विशेषताएं भी हैं जिन्हें अन्य सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकरों पर लागू किया जा सकता है। पहले, इसमें एक समान्तर-संयोजित प्रतिरोध शामिल है जो धारा अवरोधन के दौरान दोष धारा को सीमित करने के लिए उपयोग किया जाता है। सामान्य संचालन के दौरान, यह प्रतिरोध मुख्य सेमीकंडक्टर स्विचों द्वारा शॉर्ट किया जाता है और इसलिए यह ब्रेकर के ऑन-स्टेट नुकसान में योगदान नहीं करता। दूसरा, एक यांत्रिक स्विच श्रृंखला में जोड़ा जाता है ताकि शारीरिक अलगाव प्रदान किया जा सके।
इस खंड में दिखाए गए डिजाइन आमतौर पर एसी पावर प्रणालियों के लिए डिजाइन किए गए हैं, लेकिन इन डिजाइनों को dc अनुप्रयोगों पर थोड़े से संशोधनों के साथ लागू किया जा सकता है।

 
चित्र 3: a) IGCT आधारित मध्य वोल्टेज द्विदिशात्मक सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर, (b) IGCT आधारित मध्य वोल्टेज द्विदिशात्मक सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर, (c) GTO आधारित द्विदिशात्मक सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर

सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर का एक सरलीकृत ब्लॉक आरेख चित्र 4 में दिखाया गया है। सॉलिड-स्टेट धारा अवरोधक डीसी बस वोल्टेज को सुरक्षित रूप से संभालने के लिए सेमीकंडक्टर उपकरणों की एक श्रृंखला से बना होता है। एक तेज समन्वित इनवर्स-टाइम कंट्रोलर स्विचों के लिए गेट ड्राइव सिग्नल प्रदान करता है, जो संक्रमणीय रूप से खोलता और बंद करता है। इनवर्स-टाइम कंट्रोलर मैनुअल इनपुट, नेटवर्क में अन्य ब्रेकरों, या तेज सेंसरों से आदेश प्राप्त करता है, जो स्थानीय दोष धाराओं का पता लगाते हैं। इनवर्स-टाइम कंट्रोलर ओवरकरंट स्थितियों के लिए इनवर्स ट्रिप समय नियंत्रण प्रदान करता है, और यदि ओवरकरंट सीमा पहुंच जाती है तो तेज स्थितिगत ट्रिप करता है। इन संचालन पैरामीटरों को प्रत्येक ब्रेकर के लिए नेटवर्क में इसके स्थान के आधार पर समायोजित किया जा सकता है, जिससे दोष स्थितियों पर एक व्यवस्थित, क्रमबद्ध प्रतिक्रिया मिलती है।

 
चित्र 4: एक सामान्य MVDC सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर का सरलीकृत प्रणाली आरेख

सॉलिड-स्टेट अवरोधक पूर्ण सर्किट ब्रेकर विन्यास की प्राथमिक कार्यक्षमता तेज दोष सुरक्षा और अलगाव प्रदान करता है। पूर्ण सर्किट ब्रेकर विन्यास को रखरखाव या सेवा की आवश्यकता होने पर अवरोधक को पावर नेटवर्क से सुरक्षित रूप से अलग करने का एक साधन भी प्रदान करना चाहिए।
8 MW लोड-स्तर सर्किट अवरोधक के लिए एक प्रारंभिक लेआउट फोटो 1 में दिखाया गया है। यह अवरोधक
छह 4,500 V IGBTs (CM900HB-66H) को श्रृंखला में जोड़कर बना है। 8 MW अवरोधक
लगभग 23” चौड़ा x 9” ऊंचा  11” गहरा है और लगभग 60 lb. वजन का है। IGBTs
पानी से ठंडा किए गए एल्युमीनियम कोल्ड प्लेट्स पर लगाए गए हैं, जो अपनी बारी में विद्युत रोधी यांत्रिक फ्रेम पर लगाए गए हैं। गैर-धातु जल लाइनें पर्याप्त रोधी हैं ताकि लाइनों के द्वारा धारा लीक रोकी जा सके।
इसके लिए एक छोटा, बंद-लूप ठंडा करने वाला प्रणाली और ठंडा करने वाले पानी की रोधकता बनाए रखने के लिए लंबे समय तक चलने वाला आयन-विनिमय कार्ट्रिज की आवश्यकता होगी।
फोटो 1 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT अवरोधक का प्रारंभिक यांत्रिक लेआउट दिखाता है। IGBTs पानी से ठंडा किए गए कोल्ड प्लेट्स पर लगाए गए हैं। आसन्न कोल्ड प्लेट्स के बीच गैर-धातु ठंडा करने वाली लाइनें स्विच खुला होने पर पूर्ण स्विच वोल्टेज को स्टैंड ऑफ करने के लिए डिजाइन की गई हैं।
पारालल सरणियाँ इन विन्यासों का उपयोग करके लोड की कुल धारा की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए की जाती हैं।

 
फोटो 1: 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT अवरोधक का प्रारंभिक यांत्रिक लेआउट। IGBTs पानी से ठंडा किए गए कोल्ड प्लेट्स पर लगाए गए हैं

सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकरों के लाभ और हानि अन्य सर्किट ब्रेकरों के साथ संक्षेप में तुलना कीजिए:
जबकि सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर पारंपरिक इलेक्ट्रो-मेकेनिकल-आधारित सर्किट ब्रेकरों की तुलना में बहुत तेज अवरोधन गति प्राप्त कर सकते हैं, सॉलिड-स्टेट ब्रेकरों का एक प्रमुख दोष उनके उच्च ऑन-स्टेट नुकसान हैं। कुछ माइक्रो-ओहम के संपर्क प्रतिरोध के साथ, पारंपरिक सर्किट ब्रेकरों में इलेक्ट्रो-मेकेनिकल संपर्क उपेक्षणीय ऑन-स्टेट नुकसान पेश करते हैं। इसके विपरीत, अधिकांश सॉलिड-स्टेट उपकरण कम से कम दो वोल्ट का वोल्टेज गिरावट पेश करते हैं, इसलिए जब बड़ी धारा ब्रेकर से गुजरती है, तो सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर के ऑन-स्टेट नुकसान पारंपरिक सर्किट ब्रेकर की तुलना में बहुत अधिक हो सकते हैं। बढ़ी हुई ऊर्जा की हानि ठंडा करने की बढ़ी हुई आवश्यकताओं का भी कारण बनती है। परंपरागत रूप से बड़े धातु के हीटसिंक का उपयोग पावर सेमीकंडक्टर उपकरणों को सक्रिय रूप से ठंडा करने के लिए किया जाता है, हालांकि, वे प्रणाली की कुल आकार और वजन के बड़े हिस्से का योगदान दे सकते हैं। जबकि एक्टिव कूलिंग सिस्टम जैसे फोर्स्ड एयर (फैन) या तरल कूलिंग की स्थापना ऑवरऑल सिस्टम के आकार और वजन को कम करने में मदद कर सकती है, वे अतिरिक्त जटिलताओं को भी पेश करती हैं, जैसे बढ़ी हुई ध्वनिक चिह्न, ऊर्जा की हानि और रखरखाव की समस्याएं।