Vidējā sprieguma DC čaulodes stāvokļa līkstes izstrāde un nākotne

Kā darbojas vidējā sprieguma čaunogais strāvas pārtraukis:
Čaunogais DC pārtraukis izmanto enerģijas poluoktadus, lai pārtrauktu defekta strāvu. Vienkārša topoloģija čaunogam DC pārtraukim ir parādīta 1. attēlā. Četriem diodiem un IGCT pārstāv galveno vedēja ceļu, savukārt impulsa apsaimniekošanai tiek izmantots impulsu apsaimniekotājs, ja notiek defekts. Kad DC pārtraukis tiek izsaukts, IGCT tiek izslēgts. Tā kā induktīvi saglabātā enerģija, spriegums uz poluoktadiem strauji pieaug un impulsu apsaimniekotājs sāk caurstrāvēt strāvu. Lai izlaistu līnijas indukciju, impulsu apsaimniekotāja aizsardzības spriegums jābūt lielāks nekā nominālais tīkla spriegums. Jānodrošina arī, ka enerģijas poluoktadi spēj izturēt impulsu apsaimniekotāja aizsardzības spriegumu. Galvenais priekšrocība čaunogam DC pārtraukim ir tā ātrā pārtraukšanas rādītājs un nepastāvējošie kustīgie daļas. Tā kā enerģijas poluoktadi tiek novietoti galvenajā vedēja ceļā, notiek strādes zudumi.

1. attēls: Vienkārša čaunoga statiskā pārtraukļa dizains

Čaunogiem pārtraukļiem tiek izmantots tikai čaunogs pārtrauklis, lai nodrošinātu nominālo slodzi un pārtrauktu strāvu. Tā kā elektriskais loks ir izslēgts, vajadzīga citā mehānisma, lai izlaistu saglabāto enerģiju indukcijas shēmā. Tas bieži tiek sasniegts, izmantojot paralēli savienoto metāloksīda varistoru (MOV). MOV ir nelīniskas sprieguma/strāvas charakteristikas.
Tā pretestība paliek augsta (efektīvi darbojas kā atvērts kontakts) līdz tam brīdim, kad tā virsā esošais spriegums sasniedz noteiktu vērtību, kur tā pretestība samazinās, ļaujot strāvei caurstrāvēt caur ierīci. Caursvītrojot, MOV arī fiksē spriegumu tā virsā konstantā vērtībā.
Šāda veida ierīces bieži tiek izmantotas augstsprieguma sistēmās kā impulsu apsaimniekotāji un arī kā aizsardzības ierīces sprieguma jūtīgām komponentēm.
Divi divvirziena čaunogiem pārtraukļu topoloģijas ir parādītas 2. attēlā. Kad pārtrauklis ir slēgts, abi poluoktadi tiek ieslēgti, ļaujot strāvei plūst abās virzienos. Strāves pārtraukuma laikā abi ierīces tiek izslēgti, piespiestot spriegumu šo ierīču virsā pieaugt, līdz MOV sāk caurstrāvēt un fiksē spriegumu šo ierīču virsā. Caurstrāvojošais MOV darbojas, lai izlaistu enerģiju, kas saglabāta indukcijas shēmā.
Lai gan 2. (a) attēlā ir parādīti IGCT, vecākos dizainos, balstoties uz to pašu shēmu, tika izmantoti GTO.

 
2. attēls   a) IGCT balstīts vienkāršs divvirziena čaunogais pārtrauklis, (b) IGBT balstīts vienkāršs divvirziena čaunogais pārtrauklis

3. attēls parāda vairākas alternatīvas dizainus, kas piemēro šo konceptu vidējsprieguma sistēmām. Šajās sistēmās, vairākas ierīces ir savienotas sērijā, lai palielinātu kopējo čaunogā pārtraukļa sprieguma izturēšanas spēju. Diodi tiek arī bieži savienoti sērijā ar galvenajiem pārtraukuma slēdziem, lai uzlabotu sistēmas pretējo bloķēšanas spriegumu, tā kā esošie ierīču, piemēram, IGCT un GTO, pretējā bloķēšana ir ierobežota. Shēmā, kas parādīta 3. (c) attēlā, ietilpst paralēli savienotie RC snubberi, kas ir nepieciešami GTO balstītajām sistēmām, lai palīdzētu ierīču izslēgšanai, un satur arī divas interesantas funkcijas, kas varētu tikt piemērotas citiem čaunogiem pārtraukļiem. Pirmkārt, tā ietver paralēli savienoto reostatu, kas tiek izmantots, lai ierobežotu defekta strāvu strāves pārtraukuma laikā. Normālas darbības laikā šis reostats tiek saīsināts ar galvenajiem poluoktadiem un tādējādi neatbalsta pārtraukļa strādes zudumus. Otrkārt, sērijā savienots mehāniskais slēdis, lai nodrošinātu fizisko izolāciju.
Lai arī šajā sadaļā parādītie dizaini ir galvenokārt paredzēti ac strāvas sistēmām, šīm dizainiem vajadzētu būt iespējams piemērot šīs dizainus dc lietojumprogrammām ar minimālām izmaiņām.

 
3. attēls: a) IGCT balstīts vidējsprieguma divvirziena čaunogais pārtrauklis, (b) IGCT balstīts vidējsprieguma divvirziena čaunogais pārtrauklis, (c) GTO balstīts divvirziena čaunogais pārtrauklis

Simplificēta bloku diagramma čaunogam pārtrauklim ir parādīta 4. attēlā. Čaunogais strāves pārtrauklis sastāv no sērijā savienotiem čaunogiem ierīčiem, lai droši apstrādātu DC magistrales spriegumu. Ātrs koordinēts inversā laika kontrolētājs nodrošina šķērsnes dzesēšanas signālu šķērsnēm, kas sinhroni atver un aizver. Ātra inversā laika kontrolētāja saņem komandas vai nu manuāli, no citiem tīkla pārtraukļiem, vai no ātriem sensoriem, kas uztver vietējos defekta strāvas. Inversā laika kontrolētājs nodrošina inversu tripu laiku pārstrāvas stāvokļiem un ātru momentānu tripu, ja pārstrāvas robeža tiek sasniegta. Šie operatīvie parametri var tikt pielāgoti katram pārtrauklim atkarībā no tā atrašanās vietas tīklā, nodrošinot sakārtotu, sekvenciālu atbildi uz defekta stāvokļiem.

 
4. attēls: Simplificēta sistēmas diagramma tipiskam MVDC čaunogam pārtrauklim

Čaunogais pārtraukis nodrošina pilnīgu pārtraukļa komplektu ātro defekta aizsardzību un izolāciju. Pilnīgs pārtraukļa komplekts jānodrošina arī ar drošu iespēju atvienot pārtraukļu no enerģijas tīkla, kad nepieciešama apkope vai serviss.
Prelimināra izkārtojuma 8 MW slodzes līmeņa strāves pārtraukīšanas ierīce ir parādīta 1. foto. Šis pārtrauklis
sastāv no sešiem 4,500 V IGBT (CM900HB-66H), kas ir savienoti sērijā. 8 MW pārtrauklis ir
aptuveni 23 collas platss x 9 collas augsts  11 collas dziļs un sver aptuveni 60 mārciņas. IGBT ir montēti
uz ūdensdzesējamām aluminija aukstām plānēm, kas savukārt ir montētas uz elektriski izolējošu mehānisko
konstrukciju. Ne metalliskās ūdens cauruļvads ir pietiekami pretestīgi, lai ierobežotu strāvi lejup pa cauruļiem.
Tas prasīs mazu, slēgtu cirkulācijas sistēmu un ilgstošu jonu maiņas kartu, lai uzturētu
dzesēšanas ūdens rezistivitāti.
Tas prasīs mazu, slēgtu cirkulācijas sistēmu un ilgstošu jonu maiņas kartu, lai uzturētu dzesēšanas ūdens rezistivitāti.
1. foto parāda prelimināro mehānisko izkārtojumu 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT pārtraukīšanas ierīcei. IGBT ir montēti uz ūdensdzesējamām aukstām plānēm. Ne metalliskās dzesēšanas cauruļvades starp blakus esošajām aukstām plānēm ir izstrādātas, lai izturētu pilno slēdzis spriegumu, kad slēdzis ir atvērts.
Paralēlas šo asambleju masīvi tiek izmantoti, lai apmierinātu kopējo strāves prasības slodzei.

 
1. foto: Prelimināris mehāniskais izkārtojums 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT pārtraukīšanas ierīcei. IGBT ir montēti uz ūdensdzesējamām aukstām plānēm

Salīdziniet čaunogā pārtraukļa priekšrocības un trūkumi ar citiem pārtraukļiem īsumā:
Lai arī čaunogā pārtraukļa var sasniegt būtiski ātrāku pārtraukšanas rādītāju salīdzinājumā ar konventionālajiem elektromehāniskā balstītiem pārtraukļiem, viens no galvenajiem trūkumiem čaunogā pārtraukļa ir tās augstās strādes zaudējumi. Ar kontaktresistenci tikai dažas mikrouomu, konventionālie elektromehāniskie kontakti klasiskajos pārtraukļos ievieš negaidāmus strādes zaudējumus. Savukārt, daudzi čaunogā ierīču ievieš vismaz divu voltu sprieguma pazeminājumu, tādējādi, kad liela strāva plūst caur pārtraukli, čaunogā pārtraukļa strādes zaudējumi var būt būtiski lielāki nekā klasiskā pārtraukļa. Pieaugus enerģijas zaudējumiem, pieaug arī dzesēšanas prasības. Tradicionāli tiek izmantoti lieli metāllieksmi, lai pasīvi dzesētu enerģijas poluoktadus, tomēr, tie var radīt būtisku daļu no sistēmas kopējā izmēra un svara. Lai arī aktīvu dzesēšanas sistēmu, piemēram, spēka gāzes (ventilatora) vai šķidruma dzesēšanas, instalēšana var palīdzēt samazināt sistēmas kopējo izmēru un svaru, tās ievieš papildu sarežģījumus, piemēram, palielināto akustisko parakstu, enerģijas zaudējumus un apkopes problēmas.
Pēc 5. attēla, vērtības ir dadas attiecībā uz augstāko vērtību katrai grupai.
Katram kritērijam mazas vērtības tiek uzskatītas par labākām. Maza zona, tātad, norāda uz labu kopējo pārtraukļa koncepta veiktspēju.
Pēc atrastajiem datiem, čaunogais pārtrauklis parāda labu kopējo veiktspēju. Tā ātras pārtraukšanas spējas dēļ, izslēgšanas laiks ir mazs, un tikai zemas strāves amplitūdas rodas. Arī uzticamība un pārtraukšanas procesa sarežģītība var tikt uzskatīta par labu. Tomēr, čaunogais pārtrauklis cieš no augstiem zaudējumiem salīdzinājumā ar mehāniskajiem vai hibrīdajiem pārtraukļiem.
Alternatīvs koncepts ar zemiem zaudējumiem, vidējiem relatīviem izdevumiem un labu uzticamību ir snubber mehāniskais pārtrauklis. Arī konventionālais hibrīds pārtrauklis parāda vidēju kopējo veiktspēju. Tā cieš no augstām strāves virsotnevērtībām dēļ mehāniskā slēdza. Koncepti, kas ņemti no HVDC sistēmām, nav labi veidojuši veiktspēju izpētītajos sprieguma un jaudas līmeņos. Tomēr, augstākiem spriegumiem un jaudai tas var mainīties. Visbeidzot, tīrs mehāniskais pārtrauklis joprojām ir interesants zemām un vidējām sprieguma lietojumprogrammām, jo tā ir vienīgā labi pierādītā.

5. attēls: Pārskats par visiem pārtraukļu konceptiem DC pārtraukļos

1. tabula apkopo četrus pārtraukļu tehnoloģiju raksturlielus:
Jāatzīmē, ka šīs tabulas sagatavošanas laiks bija 2012. gads.

 
1. tabula: Apkopojums par pārtraukļu tehnoloģijām zemās jaudas DC lietojumprogrammām