Dizajn i budućnost srednjeg napona DC čvrstotrijalnih prekidnika struje

Kako srednjenski naponski čvrsti stanje prekidač radi:
Čvrsti stanje DC prekidač koristi moćne poluprovodnike za prekid struja u slučaju greške. Jednostavna topologija čvrstog stanja DC prekidača prikazana je na slici 1. Četiri diode i IGCT predstavljaju glavni put provođenja, dok se prekidni uređaj koristi za ispraznjenje induktivnosti linije u slučaju greške. Kada se DC prekidač isključi, IGCT se isključuje. Zbog energije pohranjene induktivno, napona na poluprovodnicima brzo raste i prekidni uređaj počinje voditi struju. Da bi se ispraznila induktivnost linije, zaštitni napon prekidnog uređaja mora biti veći od nominalnog napon mreže. Također, mora se osigurati da su poluprovodnici u stanju izdržati zaštitni napon prekidnog uređaja. Glavna prednost čvrstog stanja DC prekidača jest njegova brza brzina prekida i nedostatak pokretnih dijelova. Budući da su moći poluprovodnici postavljeni u glavnom putu provođenja, događaju se gubitci u stanju ON.

Slika 1:Jednostavni dizajn čvrstog stanja prekidača

Čvrsti stanje prekidača potpuno se oslanja na čvrsti prekidač za vodjenje nominalnog opterećenja i prekid struje. Budući da se električni luk eliminira, potrebna je druga mehanizam za disipaciju pohranjene energije u induktivnosti kruga. To se često postiže kroz paralelno povezan varistor (MOV) od metal-oksida. MOV ima nelinearnu karakteristiku napona/struje.
Njegova otpornost ostaje visoka (efektivno djeluje kao otvoreni krug) dok napon preko njega ne doseže određenu vrijednost, gdje njegova otpornost pada dozvoljavajući strujanje kroz uređaj. Kada vodi, MOV također ograničava napon preko njega na konstantnu vrijednost.
Ovaj tip uređaja često se koristi u visokonaponskim sustavima kao prekidni uređaj i kao zaštitni uređaj za komponente osjetljive na napon.
Dva bidirekcionalna čvrstog stanja prekidača prikazana su na slici 2. Kada je prekidač zatvoren, oba poluprovodnička uređaja su uključena, omogućujući strujanje u obje smjerove. Tijekom prekida struje, oba uređaja su isključena, prisiljavajući napon preko uređaja da raste dok MOV ne počne voditi i ograničavati napon preko uređaja. Vodeći MOV djeluje da disipira energiju pohranjenu unutar induktivnosti kruga.
Iako su IGCT prikazani na slici 2 (a), GTO su također bili korišteni u starijim dizajnima temeljenima na istoj topologiji kruga.

 
Slika 2   a) IGCT temeljni jednostavan bidirekcionalni čvrsti stanje prekidač, (b) IGBT temeljni jednostavan bidirekcionalni čvrsti stanje prekidač

Slika 3 prikazuje broj alternativnih dizajna koji primjenjuju ovaj koncept na srednjenskim naponskim sustavima. U tim sustavima, više uređaja je spojeno serijalno kako bi se povećala ukupna sposobnost održavanja napona čvrstog stanja prekidača. Diode su također često spojene serijalno s glavnim prekidačnim prekidačima kako bi se poboljšao obrnuto blokirajući napon sustava, zbog ograničene sposobnosti obrnutog blokiranja postojećih uređaja poput IGCT i GTO. Krug prikazan na slici 3 (c) uključuje paralelno spojene RC snubber-e koji su potrebni za sustave temeljene na GTO-u kako bi pomogli isključivanju uređaja, te sadrži dvije zanimljive značajke koje bi se mogle primijeniti na druge čvrste stanje prekidače. Prvo, uključuje paralelno spojenu otpornost koja se koristi za ograničavanje greške struje tijekom prekida struje. Tijekom normalne operacije, ova otpornost je skraćena glavnim poluprovodničkim prekidačima i stoga ne doprinosi gubitcima u stanju ON prekidača. Drugo, mehanički prekidač je spojen serijalno kako bi pružio fizičku izolaciju.
Iako su dizajni prikazani u ovom odjeljku uglavnom dizajnirani za ac strujne sustave, trebalo bi biti moguće primijeniti ove dizajne na dc aplikacije s minimalnim modifikacijama.

 
Slika 3: a) IGCT temeljni srednji napon bidirekcionalni čvrsti stanje prekidač, (b) IGCT temeljni srednji napon bidirekcionalni čvrsti stanje prekidač, (c) GTO temeljni bidirekcionalni čvrsti stanje prekidač

Uproscen dijagram blokova čvrstog stanja prekidača prikazan je na slici 4. Čvrsti stanje prekidnički prekidač sastoji se od serije čvrstih stanja uređaja kako bi sigurno obrađivao DC bus napon. Brzi koordinirani inverzni vremenski kontroler pruža signal upravljanja za prekidače u prekidniku koji sinhrono otvaraju i zatvaraju. Brzi inverzni vremenski kontroler prima naredbe ili ručno, od drugih prekidača u mreži, ili od brzih senzora koji otkrivaju lokalne greške struje. Inverzni vremenski kontroler pruža inverzni vremenski kontrol za stanje prekomjerne struje, i brzi trenutni prekid ako se dostigne granica prekomjerne struje. Ovi operativni parametri mogu se prilagoditi svakom prekidaču ovisno o njegovoj lokaciji u mreži, pružajući redovni, sekvencirani odgovor na uvjete greške.

 
Slika 4: Uproscen dijagram sustava tipičnog MVDC čvrstog stanja prekidača

Čvrsti stanje prekidnički prekidač pruža glavnu funkcionalnost kompletnog skupa prekidača brzu zaštitu od grešaka i izolaciju. Kompletni skup prekidača mora također pružiti način sigurnog odspajanja prekidnika od strujne mreže kada je potrebno održavanje ili servis.
Preliminarni raspored za 8 MW opterećenje razina prekidnika prikazan je na fotografiji 1. Ovaj prekidnik
sastoji se od šest 4,500 V IGBT-a (CM900HB-66H) spojenih serijalno. 8 MW prekidnik je
približno 23” širok x 9” visok  11” dubok i teži približno 60 lb. IGBT-i su montirani
na hladne aluminijumske ploče, koje su, na svojim vrhovima, montirane na električki izolirani mehanički
okvir. Nemetalne vodene cijevi dovoljno su otporne da ograničavaju strujanje duž linija.
To će zahtijevati malu, zatvorenu petlu hlađenja i dugotrajnu ion-smenjivačku bočicu za održavanje
otpornosti hladne vode.
Na fotografiji 1 prikazan je preliminarni mehanički raspored 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT prekidnika. IGBT-i su montirani na hladne ploče. Nemetalne hladne cijevi između susjednih hladnih ploča su dizajnirane da održavaju puni napon prekidača kada je prekidač otvoren.
Paralelni nizovi ovih sklopova koriste se za zadovoljavanje ukupnih zahtjeva za struju za opterećenje.

 
Fotografija 1: Preliminarni mehanički raspored 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT prekidnika. IGBT-i su montirani na hladne ploče

Us