中圧直流ソリッドステートサーキットブレーカーの設計と将来

フィールド: 電源スイッチ

China

中圧固体状態回路遮断器の動作原理：
固体状態DC遮断器は、パワーセミコンダクタを使用して故障電流を遮断します。図1に示すように、固体状態DC遮断器の単純なトポロジーは、4つのダイオードとIGCTが主導通パスを構成し、サージアレスタは故障時のラインインダクタンスを放電するために使用されます。DC遮断器がトリップすると、IGCTがオフになります。インダクティブに蓄えられたエネルギーにより、セミコンダクタ間の電圧が急速に上昇し、サージアレスタが電流を導きます。ラインインダクタンスを放電するためには、サージアレスタの保護電圧が定格グリッド電圧よりも高いことが必要です。また、パワーセミコンダクタがサージアレスタの保護電圧に耐えることができるよう、保証しなければなりません。固体状態DC遮断器の主な利点は、高速な遮断速度と可動部品がないことです。パワーセミコンダクタが主導通パスに配置されているため、オン状態での損失が発生します。

図1：固体状態回路遮断器の単純な設計

固体状態回路遮断器は、定格負荷を導くとともに電流を遮断するため、固体状態スイッチのみに依存しています。電弧が排除されるため、回路インダクタンスに蓄えられたエネルギーを散逸させる別の機構が必要となります。これは通常、並列接続された金属酸化物バリスタ（MOV）によって達成されます。MOVは非線形の電圧/電流特性を持っています。
その抵抗値は高いままで（実質的にオープン回路として機能）、それが一定の値に達すると抵抗値が低下し、電流がデバイスを通じて導かれます。導通中のMOVは、デバイス間の電圧を一定値にクリッピングします。
このタイプのデバイスは、高電圧システムでサージアレスタとして頻繁に使用され、電圧敏感なコンポーネントの保護デバイスとしても使用されます。
図2に示す2つの双方向固体状態回路遮断器トポロジーがあります。遮断器が閉じているとき、両方の半導体デバイスがオンになり、電流が両方向に流れます。電流遮断中に両方のデバイスがオフになると、デバイス間の電圧が上昇し、MOVが導通し始めてデバイス間の電圯をクリッピングします。導通中のMOVは、回路インダクタンスに蓄えられたエネルギーを散逸させます。
図2(a)ではIGCTが示されていますが、同じ回路トポロジーに基づいた古いデザインではGTOも使用されてきました。

図2 (a) IGCTベースの単純な双方向固体状態回路遮断器、(b) IGBTベースの単純な双方向固体状態回路遮断器

図3は、この概念を中圧システムに適用したいくつかの代替設計を示しています。これらのシステムでは、複数のデバイスが直列に接続されて、固体状態遮断器の総電圧耐性を向上させています。IGCTやGTOなどの既存のデバイスの逆方向ブロック能力が限られているため、主遮断スイッチと直列にダイオードを接続して、システムの逆方向ブロック電圧を改善することがよくあります。図3(c)に示す回路には、GTOベースのシステムでデバイスのオフを補助するために必要な並列接続されたRCスナッバが含まれており、他の固体状態回路遮断器にも適用できる2つの興味深い特徴があります。まず、並列接続された抵抗があり、これが電流遮断中に故障電流を制限します。通常の動作中には、この抵抗は主半導体スイッチによってショートされ、遮断器のオン状態損失には寄与しません。次に、物理的な絶縁のために直列に機械式スイッチが接続されています。
本節で示す設計は主に交流電力システム向けですが、最小限の変更で直流アプリケーションにも適用可能です。

図3: (a) IGCTベースの中圧双方向固体状態回路遮断器、(b) IGCTベースの中圧双方向固体状態回路遮断器、(c) GTOベースの双方向固体状態回路遮断器

固体状態回路遮断器の簡略化されたブロック図を図4に示します。固体状態電流遮断器は、DCバス電圧を安全に処理するために、一連の固体状態デバイスから構成されています。高速調整逆時間コントローラが遮断器内のスイッチのゲート駆動信号を提供し、同期的に開閉します。高速逆時間コントローラは、手動入力、ネットワーク内の他の遮断器、または局所的な故障電流を検出する高速センサーからの命令を受け取ります。逆時間コントローラは過電流状態に対して逆時間制御を行い、過電流制限に達した場合は高速瞬時トリップを行います。これらの動作パラメータは、各遮断器のネットワーク内での位置に応じて調整でき、障害条件に対する秩序的かつ順序立てた応答を提供します。

図4：典型的なMVDC固体状態回路遮断器の簡略化システム図

固体状態遮断器は、完全な回路遮断器アセンブリの主要な機能である高速故障保護および絶縁を提供します。完全な回路遮断器アセンブリは、メンテナンスまたはサービスが必要なときに遮断器を電力ネットワークから安全に切断する手段も提供しなければなりません。
写真1に示すのは、8 MWレベルの負荷遮断器の初期レイアウトです。この遮断器は、6つの4,500 V IGBT（CM900HB-66H）が直列に接続されています。8 MW遮断器の寸法は約23インチ幅 x 9インチ高さ x 11インチ奥行きで、重量は約60ポンドです。IGBTは水冷アルミニウム冷却板に搭載され、これらはさらに電気絶縁性の機械フレームに取り付けられています。非金属製の冷却ラインは十分に抵抗性があり、ラインを下る電流漏れを制限します。これには小さなクローズドループ冷却システムと長持ちするイオン交換カートリッジが必要で、冷却水の抵抗率を維持します。
写真1は、10 kV、8 MW（800 A）IGBT遮断器の初期機械レイアウトを示しています。IGBTは水冷冷却板に搭載されています。隣接する冷却板間の非金属製冷却ラインは、スイッチが開いているときに全スイッチ電圧を耐えるように設計されています。
これらのアセンブリの並列配列を使用して、負荷全体の電流要件を満たします。

The preliminary mechanical layout of IGBT interrupter

写真1：10 kV、8 MW（800 A）IGBT遮断器の初期機械レイアウト。IGBTは水冷冷却板に搭載されています。

固体状態回路遮断器と他の回路遮断器の利点と欠点を簡単に比較します：
固体状態回路遮断器は、従来の電磁気ベースの回路遮断器と比較して大幅に高速な遮断時間を達成できますが、大きな欠点はオン状態での損失が高いことです。接触抵抗が数マイクロオーム程度の電磁気接触部を持つ古典的な回路遮断器は、オン状態での損失がほとんどありません。一方、ほとんどの固体状態デバイスは少なくとも2ボルト以上の電圧降下を引き起こすため、大電流が遮断器を通過すると、固体状態回路遮断器のオン状態損失は古典的な回路遮断器よりも大幅に高くなります。増加したエネルギー損失は、冷却要求の増加にもつながります。伝統的には大型の金属ヒートシンクが用いられてパワーセミコンダクタデバイスを受動的に冷却しますが、それらはシステム全体のサイズと重量の大部分を占めることもあります。強制空気（ファン）や液体冷却などのアクティブ冷却システムの設置は、システム全体のサイズと重量を減らすのに役立つかもしれませんが、追加の複雑さ、例えば音響シグネチャの増加、エネルギー損失、メンテナンス問題を引き起こす可能性があります。
図5によると、値は各グループ内の最大値に対する相対値で示されています。
すべての基準において小さな値が好ましいと考えられます。したがって、小さな面積はスイッチングコンセプトの全体的な良好な性能を示します。
調査結果に基づいて、固体状態回路遮断器は全体的に良好な性能を示します。高速スイッチング能力により、オフタイムが短く、低い電流振幅しか発生しません。また、信頼性とスイッチングプロセスの複雑さも良好と言えます。しかし、固体状態遮断器は、機械式またはハイブリッドスイッチと比較して、損失が高いという欠点があります。
低損失、中程度の相対コスト、良好な信頼性を持つ代替コンセプトとして、スナッバ付き機械式遮断器があります。また、従来のハイブリッド遮断器も全体的に中程度の性能を示します。機械式スイッチによる高いピーク電流に苦しむことがあります。HVDCシステムからのコンセプトは、調査された電圧と電力レベルでは良好な性能を示しませんが、より高い電圧と電力ではこれが変わるかもしれません。最後に、純粋な機械式遮断器の概念は、低電圧および低中電圧アプリケーションでは依然として興味深いものであり、唯一確立されたものです。

Overview of all switching concepts in DC breakers