Pemutus Sirkuit Padat (Solid-State Circuit Breakers) Tegangan Menengah DC Desain dan Masa Depan

Bagaimana cara kerja pemutus sirkuit padat menengah tegangan:
Pemutus DC padat menggunakan semikonduktor daya untuk menghentikan arus gangguan. Topologi sederhana dari pemutus DC padat ditunjukkan pada Gambar 1. Empat dioda dan IGCT mewakili jalur konduksi utama, sementara penahan lonjakan digunakan untuk mengeluarkan induktansi garis dalam kasus gangguan. Ketika pemutus DC dipicu, IGCT dimatikan. Karena energi yang disimpan secara induktif, tegangan di seberang semikonduktor meningkat dengan cepat dan penahan lonjakan mulai mengalirkan arus. Untuk mengeluarkan induktansi garis, tegangan perlindungan penahan lonjakan harus lebih tinggi dari tegangan jaringan nominal. Juga, harus dijamin bahwa semikonduktor daya dapat menahan tegangan perlindungan penahan lonjakan. Keuntungan utama dari pemutus DC padat adalah kecepatan penghentian yang cepat dan tidak adanya bagian bergerak. Karena semikonduktor daya ditempatkan di jalur konduksi utama, terjadi kerugian on-state.

Gambar 1: Desain sederhana dari pemutus sirkuit padat

Pemutus sirkuit padat hanya bergantung pada saklar padat untuk membawa beban nominal dan menghentikan arus. Karena busur listrik dihilangkan, mekanisme lain diperlukan untuk mendispersikan energi yang tersimpan dalam induktansi rangkaian. Ini sering dicapai melalui varistor oksida logam (MOV) yang terhubung paralel. MOV memiliki karakteristik tegangan/arus non-linear.
Tahanannya tetap tinggi (secara efektif bertindak sebagai sirkuit terbuka) hingga tegangan di seberangnya mencapai nilai tertentu, di mana tahanannya turun memungkinkan arus mengalir melalui perangkat. Ketika mengalir, MOV juga menahan tegangan di seberangnya pada nilai konstan.
Jenis perangkat ini sering digunakan dalam sistem tegangan tinggi sebagai penahan lonjakan dan juga digunakan sebagai perangkat pelindung untuk komponen yang sensitif terhadap tegangan.
Dua topologi pemutus sirkuit padat dua arah ditunjukkan pada Gambar 2. Ketika pemutus tertutup, kedua perangkat semikonduktor dihidupkan, memungkinkan arus mengalir dalam kedua arah. Selama penghentian arus, kedua perangkat dimatikan, memaksa tegangan di seberang perangkat naik hingga MOV mulai mengalir dan menahan tegangan di seberang perangkat. MOV yang mengalir bertindak untuk mendispersikan energi yang tersimpan dalam induktansi rangkaian.
Sementara IGCT ditunjukkan pada Gambar 2 (a), GTO juga telah digunakan dalam desain lama berdasarkan topologi sirkuit yang sama.

 
Gambar 2   a) Pemutus sirkuit padat dua arah berbasis IGCT sederhana, (b) Pemutus sirkuit padat dua arah berbasis IGBT sederhana

Gambar 3 menunjukkan beberapa desain alternatif yang menerapkan konsep ini ke sistem tegangan menengah. Dalam sistem-sistem ini, beberapa perangkat dihubungkan seri untuk meningkatkan kapabilitas tahanan tegangan total pemutus padat. Dioda juga sering dihubungkan seri dengan saklar pemutusan utama untuk meningkatkan tegangan blok balik sistem, karena keterbatasan kemampuan blok balik balik perangkat seperti IGCT dan GTO. Rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar 3 (c) termasuk penahan RC yang terhubung paralel yang diperlukan untuk sistem berbasis GTO untuk membantu pemadaman perangkat, dan juga mengandung dua fitur menarik yang mungkin diterapkan pada pemutus sirkuit padat lainnya. Pertama, termasuk resistor yang terhubung paralel yang digunakan untuk membatasi arus gangguan selama penghentian arus. Selama operasi normal, resistor ini dipendekkan oleh sakelar semikonduktor utama dan oleh karena itu tidak berkontribusi pada kerugian on-state pemutus. Kedua, sakelar mekanis dihubungkan seri untuk memberikan isolasi fisik.
Meskipun desain yang ditunjukkan dalam bagian ini dirancang terutama untuk sistem tenaga AC, seharusnya mungkin untuk menerapkan desain ini ke aplikasi DC dengan modifikasi minimal.

 
Gambar 3: a) Pemutus sirkuit padat dua arah tegangan menengah berbasis IGCT, (b) Pemutus sirkuit padat dua arah tegangan menengah berbasis IGCT, (c) Pemutus sirkuit padat dua arah berbasis GTO

Diagram blok sederhana dari pemutus sirkuit padat ditunjukkan pada Gambar 4. Pemutus arus padat terdiri dari rangkaian seri perangkat padat untuk menangani tegangan bus DC dengan aman. Pengontrol invers waktu cepat yang koordinatif memberikan sinyal drive gerbang untuk sakelar dalam pemutus yang membuka dan menutup secara sinkron. Pengontrol invers waktu cepat menerima perintah dari input manual, dari pemutus lain dalam jaringan, atau dari sensor cepat yang mendeteksi arus gangguan lokal. Pengontrol invers waktu menyediakan kontrol waktu trip invers untuk keadaan overcurrent, dan trip instan cepat jika batas overcurrent tercapai. Parameter operasional ini dapat disesuaikan untuk setiap pemutus tergantung pada lokasinya dalam jaringan, memberikan respons berurutan, teratur terhadap kondisi gangguan.

 
Gambar 4: Diagram sistem sederhana dari pemutus sirkuit padat MVDC tipikal

Pemutus padat memberikan fungsionalitas utama dari perakitan pemutus sirkuit lengkap yaitu perlindungan gangguan cepat dan isolasi. Perakitan pemutus sirkuit lengkap juga harus menyediakan cara untuk memutuskan pemutus dari jaringan tenaga dengan aman ketika diperlukan perawatan atau layanan.
Tata letak awal untuk pemutus beban 8 MW ditunjukkan pada foto 1. Pemutus ini
terdiri dari enam 4,500 V IGBT (CM900HB-66H) yang dihubungkan seri. Pemutus 8 MW ini
sekitar 23 inci lebar x 9 inci tinggi  11 inci dalam dan berat sekitar 60 pon. IGBT dipasang
pada plat dingin aluminium pendingin air, yang pada gilirannya dipasang pada rangka mekanis insulator listrik.
Saluran air non-logam cukup resistif untuk membatasi arus bocor sepanjang saluran.
Ini akan memerlukan sistem pendingin loop tertutup kecil dan kartrid pertukaran ion yang tahan lama untuk mempertahankan
resistivitas air pendingin.
Ini akan memerlukan sistem pendingin loop tertutup kecil dan kartrid pertukaran ion yang tahan lama untuk mempertahankan resistivitas air pendingin.
Pada foto 1 menunjukkan tata letak mekanis awal dari pemutus IGBT 10 kV, 8 MW (800 A). IGBT dipasang pada plat dingin pendingin air. Saluran pendingin non-logam antara plat dingin yang berdekatan dirancang untuk menahan tegangan penuh sakelar ketika sakelar terbuka.
Array paralel dari perakitan-perakitan ini digunakan untuk memenuhi persyaratan arus keseluruhan untuk beban.

 
Foto 1: Tata letak mekanis awal dari pemutus IGBT 10 kV, 8 MW (800 A). IGBT dipasang pada plat dingin pendingin air

Bandingkan kelebihan dan kekurangan Pemutus Sirkuit Padat dengan pemutus sirkuit lainnya secara singkat:
Sementara pemutus sirkuit padat dapat mencapai kecepatan penghentian yang jauh lebih cepat dibandingkan dengan pemutus sirkuit berbasis elektromekanik konvensional, salah satu kelemahan utama dari pemutus padat adalah kerugian on-state yang tinggi. Dengan tahanan kontak sekecil beberapa mikro-ohm, kontak elektromekanik dalam pemutus sirkuit klasik memperkenalkan kerugian on-state yang dapat diabaikan. Sebaliknya, sebagian besar perangkat padat memperkenalkan penurunan tegangan setidaknya dua volt, oleh karena itu ketika arus besar mengalir melalui pemutus, kerugian on-state pemutus sirkuit padat dapat jauh lebih tinggi daripada pemutus sirkuit klasik. Peningkatan kerugian energi juga menyebabkan peningkatan persyaratan pendinginan. Secara tradisional, heatsink logam besar digunakan untuk mendinginkan perangkat semikonduktor daya secara pasif, namun, mereka dapat berkontribusi pada bagian yang signifikan dari ukuran dan berat sistem secara keseluruhan. Meskipun pemasangan sistem pendingin aktif seperti udara paksa (kipas) atau pendingin cair mungkin membantu mengurangi ukuran dan berat sistem secara keseluruhan, mereka memperkenalkan kompleksitas tambahan seperti peningkatan tanda akustik, kerugian energi, dan masalah perawatan.
Menurut gambar 5, nilai-nilai diberikan relatif terhadap nilai tertinggi per kelompok.
Untuk setiap kriteria, nilai kecil dianggap lebih disukai. Area kecil, oleh karena itu, menunjukkan kinerja keseluruhan yang baik dari konsep beralih.
Berdasarkan temuan, pemutus sirkuit padat menunjukkan kinerja keseluruhan yang baik. Karena kemampuan beralih cepat, waktu pemutusan kecil dan hanya terjadi amplitudo arus rendah. Juga, keandalan dan kompleksitas proses beralih dapat dianggap baik. Namun, pemutus padat menderita kerugian yang tinggi, dibandingkan dengan sakelar mekanis atau hibrida.
Konsep alternatif dengan kerugian rendah, biaya relatif menengah, dan keandalan baik adalah pemutus mekanis dengan penahan. Juga, pemutus hibrida konvensional menunjukkan kinerja keseluruhan menengah. Ia menderita arus puncak yang tinggi karena sakelar mekanis. Konsep yang diambil dari sistem HVDC tidak memiliki kinerja yang baik dalam tingkat tegangan dan daya yang diteliti. Namun, untuk tegangan dan daya yang lebih tinggi, ini mungkin berubah. Akhirnya, konsep pemutus mekanis murni masih menarik untuk aplikasi tegangan rendah dan rendah-menengah karena merupakan satu-satunya yang sudah terbukti.

Gambar 5: Tinjauan semua konsep beralih untuk pemutus sirkuit DC

Tabel 1 merangkum karakteristik dari empat teknologi pemutus sirkuit:
Perlu dicatat bahwa tabel ini disiapkan pada tahun 2012.

 
Tabel 1: Ringkasan teknologi pemutus sirkuit untuk aplikasi DC daya rendah