Középsík DC szilárdtestes átmeneti körönkölők tervezése és jövője

Milyen módon működnek a közép feszültségű szilárdtestes kapcsolók:
A szilárdtestes DC-kapcsoló hatáskörnyi szemiletet használ a hibajárat megszakítására. Egy egyszerű szilárdtestes DC-kapcsoló topológia látható az 1. ábrán. Négy diód és egy IGCT jelentik a fő vezető útvonalat, míg a villámlás-védő szolgálja a vonal induktív energiájának kibocsátását hiba esetén. Amikor a DC-kapcsolót kikapcsolják, az IGCT ki van kapcsolva. A létesült induktív energia miatt a szemiletetek feletti feszültség gyorsan növekszik, és a villámlás-védő kezd áramot vezetni. A vonal induktív energiájának kibocsátásához a villámlás-védő védelmi feszültsége magasabb kell, hogy legyen, mint a hálózat nominális feszültsége. Emellett biztosítani kell, hogy a hatáskörnyi szemiletetek képesek legyenek elviselni a villámlás-védő védelmi feszültségét. A szilárdtestes DC-kapcsoló fő előnye a gyors megszakítási sebessége és a mozgó részek hiánya. Mivel a hatáskörnyi szemiletetek a fő vezető útvonalban helyezkednek el, a bekapcsolt állapotban veszítek jelennek meg.

1. ábra: Egyszerű szilárdtestes kapcsoló tervezése

A szilárdtestes kapcsolók kizárólag a szilárdtestes kapcsolóra támaszkodnak a nominális terhelés átvezetésére és az áram megszakítására. Mivel a villám idősebb, más mechanizmus szükséges a vonal induktív energiájának kibocsátásához. Ez gyakran párhuzamosan csatlakoztatott fémmag-oxid varisztor (MOV) segítségével valósul meg. A MOV nemlineáris feszültség/áram jellegzetességgel rendelkezik.
Az ellenállása magas marad (hatékonyan zárt körként működik), amíg a rajta lévő feszültség bizonyos értékre nő, ahol az ellenállása csökken, engedélyezve, hogy áram vezetzen a berendezésen keresztül. Amikor vezet, a MOV konstans értékre korlátozza a rajta lévő feszültséget is.
Ez a típusú eszköz gyakran használatos magfeszültségű rendszerekben villámlás-védőként, és védőeszköznek is szolgál a feszültségre érzékeny alkatrészek számára.
Két irányú szilárdtestes kapcsoló topológia látható a 2. ábrán. Amikor a kapcsoló be van kapcsolva, mindkét hatáskörnyi eszköz be van kapcsolva, lehetővé téve, hogy az áram mindkét irányban áthaladjon. Az áram megszakításakor mindkét eszköz ki van kapcsolva, erőltetve, hogy a rajtuk lévő feszültség emelkedjen, amíg a MOV elkezdi vezetni, és korlátozza a rajtuk lévő feszültséget. A vezető MOV feladata a vonal induktív energiájának kibocsátása.
Bár az 2. (a) ábrán IGCT-ek láthatók, régebbi tervezésekben GTO-k is használtak ugyanazon a körtopológián alapulva.

 
2. ábra   a) IGCT-alapú egyszerű kétirányú szilárdtestes kapcsoló, (b) IGBT-alapú egyszerű kétirányú szilárdtestes kapcsoló

A 3. ábra számos alternatív tervezést mutat, amelyek alkalmazzák ezt az elvet közép feszültségű rendszerekre. Ezekben a rendszerekben több eszközt sorba kötnek össze, hogy növeljék a szilárdtestes kapcsoló teljes feszültségkiálló képességét. Diódokat gyakran sorba kötnek a fő kapcsolókkal, hogy javítsák a rendszer fordított blokkoló feszültségét, mivel a meglévő eszközök, mint például az IGCT és GTO, korlátozott fordított blokkoló képességgel rendelkeznek. A 3. (c) ábrán látható kör RC-szűrőket tartalmaz, amelyek szükségesek a GTO-alapú rendszerek esetén a kapcsolók kiállításának segítéséhez, és két érdekes jellemzőt tartalmaz, amelyeket más szilárdtestes kapcsolókra is alkalmazhatnak. Először is, párhuzamosan kapcsolt ellenállást tartalmaz, amelyet a hibajárat megszakítása során használnak a hibajárat korlátozására. Normál működés közben ez az ellenállás rövidzárlóval van körülötte, így nem járul hozzá a kapcsoló bekapcsolt állapotbeli veszítéseihez. Másodszor, sorba kötött mechanikus kapcsoló biztosít fizikai elkülönítést.
Bár a szakaszban bemutatott tervezések elsősorban AC hálózatokra tervezettek, ezeket a tervezéseket minimális módosításokkal alkalmazhatják DC alkalmazásokra is.

 
3. ábra: a) IGCT-alapú közép feszültségű kétirányú szilárdtestes kapcsoló, (b) IGCT-alapú közép feszültségű kétirányú szilárdtestes kapcsoló, (c) GTO-alapú kétirányú szilárdtestes kapcsoló

A szilárdtestes kapcsoló egyszerű blokkdiagramja látható a 4. ábrán. A szilárdtestes árammegszakító sorban kötött szilárdtestes eszközök sorozatából áll, hogy biztonságosan kezelje a DC-busz feszültségét. Gyors koordinált inverz-idő ellenőrző adja a kapcsolók áramkapcsoló jeleit, amelyek szinkronban nyílnak és záródnak. Az inverz-idő ellenőrző parancsokat kap manuális bemenetből, a hálózat más kapcsolói vagy gyors érzékelőkből, amelyek lokális hibajáratokat érzékelnek. Az inverz-idő ellenőrző inverz utazási idő-ellenőrzést biztosít az áramtúlmenet állapotokhoz, és gyors pillanatnyi utazást, ha az áramtúlmeneti határérték elérhető. Ezeket a működési paramétereket mindegyik kapcsoló esetében igazíthatják a hálózati helyzetüknek megfelelően, sorrendben reagálva a hibákkal.

 
4. ábra: Egyszerűsített rendszerdiagram a tipikus MVDC szilárdtestes kapcsolóról

A szilárdtestes árammegszakító a teljes kapcsolóegység alapvető funkcióit biztosítja, gyors hibavédelmet és elkülönítést. A teljes kapcsolóegységnek biztosítania kell a biztonságos szétkapcsolást a hálózattól, amikor karbantartás vagy szerviz szükséges.
Egy előzetes elrendezés 8 MW terhelési szintű árammegszakítóra látható a 1. fotón. Ez a megszakító
hat 4,500 V-os IGBT-t (CM900HB-66H) sorban köt össze. Az 8 MW árammegszakító mérete
kb. 23 hüvelyk széles x 9 hüvelyk magas  11 hüvelyk mély, és súlya kb. 60 font. Az IGBT-ek
vízlevélt alumínium hűtőlapokra vannak telepítve, amelyek elektromosan izoláló mechanikus
keretbe vannak telepítve. A nemfémes vízvezetékek eléggé ellenállóak, hogy korlátozzák az áram
szivárgását a vezetéken. Ehhez kis, zárt körű hűtőrendszer és hosszú ideig használható ióncsere
hordozó szükséges, hogy fenntartsa a hűtővíz rezisztivitását.
A 1. fotón a 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT-interrupter előzetes mechanikai elrendezése látható. Az IGBT-ek vízlevélt hűtőlapokra vannak telepítve. A nemfémes hűtővezetékek a szomszédos hűtőlapok között olyan módon vannak kialakítva, hogy a teljes kapcsoló feszültségét el tudják állni, amikor a kapcsoló ki van kapcsolva.
Párhuzamosan elrendezett ilyen egységek használata szükséges a terhelés teljes áramkövetelményeinek kielégítéséhez.

 
1. foto: 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT-interrupter előzetes mechanikai elrendezése. Az IGBT-ek vízlevélt hűtőlapokra vannak telepítve

Összehasonlítsa a szilárdtestes kapcsolók előnyeit és hátrányait más kapcsolókkal röviden:
Bár a szilárdtestes kapcsolók jelentősen gyorsabb megszakítási sebességet érhetnek el, mint a hagyományos elektromos-mechanikus kapcsolók, a szilárdtestes kapcsolók egyik nagy hátránya a magas bekapcsolt állapotbeli veszítések. A klasszikus kapcsolók elektromos-mechanikus kapcsolói néhány mikro-ohm kontaktellenállással rendelkeznek, ami elhanyagolható bekapcsolt állapotbeli veszítéseket okoz. Szemben vele, a legtöbb szilárdtestes eszköz legalább két voltos esetenkénti leejtést okoz, így nagy áram esetén a szilárdtestes kapcsoló bekapcsolt állapotbeli veszítései jelentősen magasabbak, mint a klasszikus kapcsolóké. A növekvő energiaveszteség további hűtési igényekhez vezet. Hagyományosan nagy fémes hűtőlapokat használnak a hatáskörnyi szemiletetek passzív hűtésére, de ezek jelentősen hozzájárulhatnak a rendszer teljes méretéhez és súlyához. Bár aktív hűtőrendszerek, mint például a kényszerített levegő (ventilátor) vagy folyadék hűtés beállítása segíthet csökkenteni a rendszer teljes méretét és súlyát, ezek további összetettséget, növekvő akusztikus jellegzetességet, energiaveszteséget és karbantartási problémákat okozhatnak.
A 5. ábra szerint az értékek a csoporton belüli legmagasabb értékhez viszonyítva vannak megadva.
Minden kritérium esetében kisebb értékeket tekintik előnyösnek. Kicsi terület tehát jó teljesítményt jelöl a kapcsoló fogalom számára.
A találatok alapján a szilárdtestes kapcsoló jól teljesít. Gyors kapcsolási képessége miatt a kiállítási idő rövid, és csak alacsony áramamplitúdók jelennek meg. A megbízhatóság és a kapcsolási folyamat összetettsége is tekinthető jó. Ugyanakkor a szilárdtestes kapcsoló magas veszítésekkel küzd, összevetve a mechanikus vagy hibrid kapcsolókkal.
Egy alternatív fogalom, amely alacsony veszítésekkel, közepes relatív költséggel és jó megbízhatósággal rendelkezik, a snubber mechanikus kapcsoló. A hagyományos hibrid kapcsoló is közepes teljesítményt mutat. Magas csúcscurrentokat szenved a mechanikus kapcsoló miatt. A HVDC rendszerekből vett fogalmak nem jól teljesítenek a vizsgált feszültség- és teljesítmény-szinteken. Ugyanakkor magasabb feszültségeknél és teljesítményeknél ez változhat. Végül, a tiszta mechanikus kapcsoló fogalma még mindig érdekes a kis- és közepes feszültségű alkalmazások számára, mivel ez az egyetlen jól bizonyított megoldás.

5. ábra: Összefoglaló az összes kapcsoló fogalomról a DC-kapcsolókban

A 1. táblázat összefoglalja a négy kapcsolótechnológia jellemzőit:
Fontos megjegyezni, hogy a táblázat készítési ideje 2012.

 
1. táblázat: Összefoglaló a kapcsolótechnológiákról alacsony teljesítményű DC-alkalmazásokhoz