중간 전압 직류 고체 상태 회로 차단기 설계 및 미래

중간 전압 고체 상태 회로 차단기 작동 원리:
고체 상태 DC 차단기는 전력 반도체를 사용하여 고장 전류를 차단합니다. 고체 상태 DC 차단기의 간단한 구조는 도표 1에 표시되어 있습니다. 네 개의 다이오드와 IGCT가 주 전류 경로를 나타내며, 과전압 보호 장치는 고장 시 라인 인덕턴스를 방전하는 데 사용됩니다. DC 차단기가 트립될 때 IGCT가 꺼집니다. 인덕티브로 저장된 에너지 때문에 반도체 양쪽의 전압이 빠르게 상승하고 과전압 보호 장치가 전류를 전도하기 시작합니다. 라인 인덕턴스를 방전하려면 과전압 보호 장치의 보호 전압이 명목상의 그리드 전압보다 높아야 합니다. 또한, 전력 반도체가 과전압 보호 장치의 보호 전압을 견딜 수 있어야 합니다. 고체 상태 DC 차단기의 주요 장점은 빠른 차단 속도와 움직이는 부품이 없다는 것입니다. 전력 반도체가 주 전류 경로에 위치하기 때문에, 전류가 흐를 때 손실이 발생합니다.

도표 1: 고체 상태 회로 차단기의 간단한 설계

고체 상태 회로 차단기는 명목상의 부하를 운반하고 전류를 차단하는 데 고체 상태 스위치만 의존합니다. 전기 아크가 제거되었기 때문에, 회로 인덕턴스에 저장된 에너지를 소산시키기 위한 다른 메커니즘이 필요합니다. 이는 종종 병렬 연결된 금속 산화물 변저기(MOV)를 통해 이루어집니다. MOV는 비선형적인 전압/전류 특성을 가지고 있습니다.
그 저항은 특정 값에 도달할 때까지 높게 유지되며(효과적으로 열린 회로처럼 작용), 그때부터 저항이 낮아져 전류가 장치를 통해 흐르게 됩니다. MOV가 전도할 때는 전압을 일정한 값으로 제한합니다.
이 유형의 장치는 고전압 시스템에서 서지 보호 장치로 자주 사용되며, 전압 민감성 구성 요소를 보호하는 장치로도 사용됩니다.
두 가지 양방향 고체 상태 회로 차단기 구조가 도표 2에 표시되어 있습니다. 차단기가 닫힐 때 두 반도체 장치가 모두 켜져 양 방향으로 전류가 흐릅니다. 전류 차단 중에는 두 장치가 모두 꺼져 장치 양쪽의 전압이 상승하여 MOV가 전도하고 장치 양쪽의 전압을 제한합니다. 전도하는 MOV는 회로 인덕턴스에 저장된 에너지를 소산시키는 역할을 합니다.
도표 2(a)에서는 IGCT가 표시되어 있지만, GTO도 같은 회로 구조를 기반으로 하는 오래된 설계에서 사용되었습니다.

 
도표 2   a) IGCT 기반 간단한 양방향 고체 상태 회로 차단기, (b) IGBT 기반 간단한 양방향 고체 상태 회로 차단기

도표 3은 이 개념을 중간 전압 시스템에 적용한 여러 대안 설계를 보여줍니다. 이러한 시스템에서는 여러 장치를 직렬로 연결하여 고체 상태 차단기의 전체 전압 내구성을 높입니다. 디오드는 또한 IGCT 및 GTO와 같은 기존 장치의 제한된 역방향 차단 능력으로 인해 주 차단 스위치와 함께 직렬로 연결되어 시스템의 역방향 차단 전압을 개선합니다. 도표 3(c)에 표시된 회로에는 GTO 기반 시스템에서 장치의 차단을 돕기 위해 필요한 병렬 연결된 RC 스누버가 포함되어 있으며, 다른 고체 상태 회로 차단기에 적용할 수 있는 두 가지 흥미로운 기능이 포함되어 있습니다. 첫째, 병렬 연결된 저항이 포함되어 전류 차단 중에 고장 전류를 제한합니다. 정상 작동 중에는 이 저항이 주 반도체 스위치에 의해 단락되어 차단기의 전류 흐름 손실에 기여하지 않습니다. 둘째, 물리적 격리를 제공하기 위해 직렬로 연결된 기계식 스위치가 있습니다.
이 섹션에서 표시된 설계는 주로 교류 전력 시스템을 위해 설계되었지만, 최소한의 수정으로 이러한 설계를 직류 응용 분야에도 적용할 수 있어야 합니다.

 
도표 3: a) IGCT 기반 중간 전압 양방향 고체 상태 회로 차단기, (b) IGCT 기반 중간 전압 양방향 고체 상태 회로 차단기, (c) GTO 기반 양방향 고체 상태 회로 차단기

고체 상태 회로 차단기의 간략한 블록 다이어그램이 도표 4에 표시되어 있습니다. 고체 상태 전류 차단기는 DC 버스 전압을 안전하게 처리하기 위해 직렬로 연결된 고체 상태 장치들로 구성됩니다. 빠른 조율형 역시간 제어기는 차단기의 스위치에 게이트 드라이브 신호를 제공하여 동기적으로 열고 닫습니다. 빠른 역시간 제어기는 수동 입력, 네트워크의 다른 차단기, 또는 현지 고장 전류를 감지하는 빠른 센서로부터 명령을 받습니다. 역시간 제어기는 과전류 상태에 대한 역시간 제어를 제공하며, 과전류 한도에 도달하면 빠른 순간적인 트립을 제공합니다. 이러한 작동 매개변수는 각 차단기의 네트워크 위치에 따라 조정되어 고장 조건에 대해 순차적인 응답을 제공합니다.

 
도표 4: 일반적인 MVDC 고체 상태 회로 차단기의 간략화된 시스템 다이어그램

고체 상태 차단기는 완전한 회로 차단기 어셈블리의 주요 기능인 빠른 고장 보호 및 격리를 제공합니다. 완전한 회로 차단기 어셈블리는 유지 관리나 서비스가 필요한 경우 차단기를 전력 네트워크에서 안전하게 분리하는 방법도 제공해야 합니다.
8 MW 부하 수준의 회로 차단기의 예비 배치가 사진 1에 표시되어 있습니다. 이 차단기는 4,500 V IGBTs(CM900HB-66H) 6개가 직렬로 연결되어 있습니다. 8 MW 차단기는 약 23인치 너비 x 9인치 높이 x 11인치 깊이이며, 무게는 약 60파운드입니다. IGBT는 수냉 알루미늄 콜드 플레이트에 장착되며, 이는 전기적으로 절연된 기계적 프레임에 장착됩니다. 비금속 수관은 충분히 저항적이어서 라인을 따라 전류 누설을 제한합니다. 이는 작은 폐쇄 루프 냉각 시스템과 오랜 지속 시간을 가진 이온 교환 카트리지를 필요로 하며, 냉각수의 저항성을 유지합니다.
사진 1은 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT 차단기의 예비 기계 배치를 보여줍니다. IGBT는 수냉 콜드 플레이트에 장착됩니다. 인접한 콜드 플레이트 사이의 비금속 냉각 라인은 스위치가 열릴 때 전체 스위치 전압을 견딜 수 있도록 설계되었습니다.
부하의 전체 전류 요구 사항을 충족하기 위해 이러한 어셈블리의 병렬 배열이 사용됩니다.

 
사진 1: 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT 차단기의 예비 기계 배치. IGBT는 수냉 콜드 플레이트에 장착됨

고체 상태 회로 차단기의 장점과 단점을 다른 회로 차단기와 비교하여 간략히 설명하겠습니다:
고체 상태 회로 차단기는 전통적인 전자기계 기반 회로 차단기와 비교하여 실질적으로 더 빠른 차단 속도를 달성할 수 있지만, 고체 상태 차단기의 주요 단점은 높은 전류 흐름 손실입니다. 접촉 저항이 몇 마이크로옴 수준으로 매우 작기 때문에, 전통적인 회로 차단기의 전자기계 접촉은 사실상 무시할 수 있는 전류 흐름 손실을 초래합니다. 반면, 대부분의 고체 상태 장치는 적어도 2볼트 이상의 전압 강하를 초래하므로, 큰 전류가 차단기를 통과할 때 고체 상태 회로 차단기의 전류 흐름 손실은 전통적인 회로 차단기보다 상당히 높을 수 있습니다. 증가된 에너지 손실은 냉각 요구 사항을 증가시킵니다. 전통적으로는 큰 금속 히트싱크를 사용하여 전력 반도체 장치를 수동으로 냉각하나, 이는 시스템의 전체 크기와 무게의 상당 부분을 차지할 수 있습니다. 강제 공기(팬) 또는 액체 냉각과 같은 활성 냉각 시스템의 설치는 시스템의 전체 크기와 무게를 줄일 수 있지만, 추가적인 복잡성, 즉 증가된 소음, 에너지 손실, 유지 관리 문제 등을 초래할 수 있습니다.
도표 5에 따르면, 값들은 각 그룹의 최대 값과 관련하여 주어집니다.
모든 기준에 대해 작은 값이 선호됩니다. 따라서 작은 면적은 스위칭 개념의 전반적인 좋은 성능을 나타냅니다.
조사 결과에 따르면, 고체 상태 회로 차단기는 전반적으로 좋은 성능을 보입니다. 빠른 스위칭 능력 덕분에 차단 시간이 짧고, 전류 진폭이 낮습니다. 또한, 스위칭 과정의 신뢰성과 복잡성도 좋다고 볼 수 있습니다. 그러나 고체 상태 차단기는 기계식이나 하이브리드 스위치와 비교하여 높은 손실을 입습니다.
낮은 손실, 중간 수준의 상대 비용, 그리고 좋은 신뢰성을 가진 대안적인 개념은 스너버 기계식 차단기입니다. 또한, 전통적인 하이브리드 차단기는 전반적으로 중간 수준의 성능을 보입니다. 기계식 스위치로 인해 높은 피크 전류가 발생합니다. HVDC 시스템에서 가져온 개념은 조사된 전압 및 전력 수준에서 좋은 성능을 보이지 않지만, 더 높은 전압 및 전력에서는 달라질 수 있습니다. 마지막으로, 순수 기계식 차단기 개념은 여전히 낮은 전압과 낮은 중간 전압 응용 분야에서 관심을 끌고 있으며, 현재까지 가장 잘 검증된 개념입니다.

도표 5: DC 회로 차단기의 모든 스위칭 개념 개요

표 1은 네 가지 회로 차단기 기술의 특성을 요약합니다:
이 표가 작성된 시점은 2012년임을 참고하시기 바랍니다.

 
표 1: 낮은 전력 DC 응용 분야를 위한 회로 차단기 기술 요약