मध्यम वोल्टेज डीसी ठोस अवस्था सर्किट ब्रेकर्स डिझाइन र भविष्य

मध्य वोल्टेज सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर कैसे काम करता है:
एक सोलिड-स्टेट डीसी ब्रेकर फ़ाल्ट करंट को अवरुद्ध करने के लिए पावर सेमीकंडक्टर्स का उपयोग करता है। सोलिड-स्टेट डीसी ब्रेकर की एक सरल टोपोलोजी चित्र 1 में दिखाई गई है। चार डायोड और एक IGCT मुख्य चालन मार्ग का प्रतिनिधित्व करते हैं, जबकि फ़ाल्ट की स्थिति में लाइन इंडक्टेंस को डिस्चार्ज करने के लिए सर्ज आरेस्टर का उपयोग किया जाता है। जब डीसी ब्रेकर ट्रिप होता है, तो IGCT बंद हो जाता है। इंडक्टिवली संचित ऊर्जा के कारण, सेमीकंडक्टर्स पर वोल्टेज तेजी से बढ़ता है और सर्ज आरेस्टर विद्युत का संचालन शुरू करता है। लाइन इंडक्टेंस को डिस्चार्ज करने के लिए, सर्ज आरेस्टर का संरक्षण वोल्टेज नामित ग्रिड वोल्टेज से अधिक होना चाहिए। इसके अलावा, यह सुनिश्चित किया जाना चाहिए कि पावर सेमीकंडक्टर्स सर्ज आरेस्टर के संरक्षण वोल्टेज को सहन कर सकें। सोलिड-स्टेट डीसी ब्रेकर का मुख्य लाभ इसकी तेज अवरुद्धन गति और गतिशील भागों की कमी है। क्योंकि पावर सेमीकंडक्टर्स मुख्य चालन मार्ग में रखे जाते हैं, इसलिए ऑन-स्टेट नुकसान होते हैं।

चित्र 1: सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर का सरल डिजाइन

सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर नामित लोड को ले जाने और विद्युत को अवरुद्ध करने के लिए एकमात्र सोलिड-स्टेट स्विच पर निर्भर करता है। क्योंकि विद्युत आर्क निकाल दिया जाता है, इसलिए सर्किट इंडक्टेंस में संचित ऊर्जा को डिस्पीस करने के लिए एक अन्य मेकेनिज्म की आवश्यकता होती है। यह अक्सर एक समानांतर-संयोजित धातु-ऑक्साइड वेरिस्टर (MOV) के माध्यम से प्राप्त किया जाता है। MOV का वोल्टेज/करंट विशेषता गैर-रैखिक होती है।
इसका प्रतिरोध उच्च रहता है (असल में एक ओपन सर्किट की तरह कार्य करता है) जब तक इसके द्वारा वोल्टेज एक निश्चित मान तक नहीं पहुंचता, जहाँ इसका प्रतिरोध गिर जाता है और डिवाइस के माध्यम से विद्युत का संचालन होने लगता है। जब MOV संचालित होता है, तो यह डिवाइस पर वोल्टेज को एक नियत मान पर बंद कर देता है।
इस प्रकार का डिवाइस अक्सर उच्च वोल्टेज प्रणालियों में एक सर्ज आरेस्टर के रूप में और वोल्टेज-संवेदनशील घटकों के लिए एक संरक्षण डिवाइस के रूप में उपयोग किया जाता है।
चित्र 2 में दो द्विदिशात्मक सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर टोपोलोजी दिखाई गई हैं। जब ब्रेकर बंद होता है, तो दोनों सेमीकंडक्टर डिवाइस चालू हो जाते हैं, जिससे दोनों दिशाओं में विद्युत का संचालन होने लगता है। विद्युत को अवरुद्ध करते समय, दोनों डिवाइस बंद हो जाते हैं, जिससे डिवाइस पर वोल्टेज बढ़ता है जब तक MOV संचालित नहीं होता और डिवाइस पर वोल्टेज को बंद नहीं कर देता। संचालित MOV लाइन इंडक्टेंस में संचित ऊर्जा को डिस्पीस करने का काम करता है।
चित्र 2 (a) में IGCT दिखाए गए हैं, GTOs भी पुराने डिजाइनों में उसी सर्किट टोपोलोजी के आधार पर उपयोग किए गए हैं।

 
चित्र 2   a) IGCT आधारित सरल द्विदिशात्मक सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर, (b) IGBT आधारित सरल द्विदिशात्मक सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर

चित्र 3 में इस अवधारणा को मध्य वोल्टेज प्रणालियों पर लागू करने के कई वैकल्पिक डिजाइन दिखाए गए हैं। इन प्रणालियों में, अधिक संपूर्ण वोल्टेज सहन क्षमता को बढ़ाने के लिए एक से अधिक डिवाइस श्रृंखला में जोड़े जाते हैं। डायोड अक्सर मुख्य ब्रेकिंग स्विचों के साथ श्रृंखला में जोड़े जाते हैं ताकि प्रणाली का विपरीत ब्लॉक वोल्टेज में सुधार किया जा सके, क्योंकि विद्यमान डिवाइस जैसे IGCT और GTO की विपरीत ब्लॉकिंग क्षमता सीमित होती है। चित्र 3 (c) में दिखाए गए सर्किट में GTO-आधारित प्रणालियों के लिए आवश्यक समानांतर-संयोजित RC स्नबर्स शामिल हैं, जो डिवाइसों को बंद करने में मदद करते हैं, और ये दो दिलचस्प विशेषताएं हैं जो अन्य सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकरों पर लागू की जा सकती हैं। पहले, इसमें एक समानांतर-संयोजित प्रतिरोध शामिल है जो विद्युत को अवरुद्ध करने के दौरान फ़ाल्ट करंट को सीमित करने के लिए उपयोग किया जाता है। सामान्य संचालन के दौरान, यह प्रतिरोध मुख्य सेमीकंडक्टर स्विचों द्वारा शॉर्ट किया जाता है और इसलिए ब्रेकर के ऑन-स्टेट नुकसान में योगदान नहीं करता। दूसरा, एक यांत्रिक स्विच श्रृंखला में जोड़ा जाता है ताकि शारीरिक अलगाव प्रदान किया जा सके।
इस खंड में दिखाए गए डिजाइन अधिकांशतः एसी पावर प्रणालियों के लिए डिजाइन किए गए हैं, लेकिन इन डिजाइनों को थोड़े से संशोधनों के साथ डीसी अनुप्रयोगों पर लागू किया जा सकता है।

 
चित्र 3: a) IGCT आधारित मध्य वोल्टेज द्विदिशात्मक सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर, (b) IGCT आधारित मध्य वोल्टेज द्विदिशात्मक सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर, (c) GTO आधारित द्विदिशात्मक सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर

एक सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर का सरलीकृत ब्लॉक आरेख चित्र 4 में दिखाया गया है। सोलिड-स्टेट करंट इंटररप्टर डीसी बस वोल्टेज को सुरक्षित रूप से संभालने के लिए एक श्रृंखला स्ट्रिंग सेमीकंडक्टर डिवाइस से बना होता है। एक तेज निर्देशित इन्वर्स-टाइम कंट्रोलर इंटररप्टर में स्विचों के लिए गेट ड्राइव सिग्नल प्रदान करता है जो संक्रमणिक रूप से खोलता और बंद करता है। इन्वर्स-टाइम कंट्रोलर मैनुअल इनपुट, नेटवर्क में अन्य ब्रेकरों, या फ़ाल्ट करंट का पता लगाने वाले तेज सेंसरों से आदेश प्राप्त करता है। इन्वर्स-टाइम कंट्रोलर ओवरकरंट स्थितियों के लिए इन्वर्स ट्रिप टाइम नियंत्रण प्रदान करता है, और यदि ओवरकरंट सीमा पहुंच जाती है तो तेज तत्कालीन ट्रिप। इन संचालन पैरामीटरों को प्रत्येक ब्रेकर के लिए नेटवर्क में इसकी स्थिति के आधार पर समायोजित किया जा सकता है, जिससे फ़ाल्ट स्थितियों पर एक विनम्र, क्रमबद्ध प्रतिक्रिया प्रदान की जाती है।

 
चित्र 4: एक सामान्य MVDC सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर का सरलीकृत प्रणाली आरेख

सोलिड-स्टेट इंटररप्टर एक पूर्ण सर्किट ब्रेकर असेंबली के मुख्य कार्यों में तेज फ़ाल्ट संरक्षण और अलगाव शामिल है। पूर्ण सर्किट ब्रेकर असेंबली को रखरखाव या सेवा की आवश्यकता होने पर इंटररप्टर को पावर नेटवर्क से सुरक्षित रूप से अलग करने का एक साधन प्रदान करना चाहिए।
8 MW लोड-स्तर के सर्किट इंटररप्टर के लिए एक प्रारंभिक लेआउट फोटो 1 में दिखाया गया है। यह इंटररप्टर
छह 4,500 V IGBTs (CM900HB-66H) को श्रृंखला में जोड़कर बना है। 8 MW इंटररप्टर
लगभग 23” चौड़ा x 9” ऊंचा  11” गहरा है और लगभग 60 lb. वजन का है। IGBTs
जल-संशीतल एल्युमिनियम कोल्ड प्लेट्स पर लगाए गए हैं, जो बारी-बारी से विद्युत सुरक्षित यांत्रिक
फ्रेम पर लगाए गए हैं। गैर-धातु जल लाइनें पर्याप्त रोधी होती हैं ताकि लाइनों पर विद्युत का रिक्तीकरण सीमित रहे।
इसके लिए एक छोटा, बंद-लूप शीतलन प्रणाली और एक लंबे समय तक चलने वाला आयन-विनिमय कार्ट्रिज आवश्यक होगा ताकि शीतलन जल का रोधी बना रहे।
इसके लिए एक छोटा, बंद-लूप शीतलन प्रणाली और एक लंबे समय तक चलने वाला आयन-विनिमय कार्ट्रिज आवश्यक होगा ताकि शीतलन जल का रोधी बना रहे।
फोटो 1 में 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT इंटररप्टर का प्रारंभिक यांत्रिक लेआउट दिखाया गया है। IGBTs जल-संशीतल कोल्ड प्लेट्स पर लगाए गए हैं। आसन्न कोल्ड प्लेट्स के बीच गैर-धातु शीतलन लाइनें डिवाइस खुला होने पर पूरे स्विच वोल्टेज को स्थापित करने के लिए डिजाइन की गई हैं।
इन असेंबलियों के समानांतर सरणी का उपयोग लोड की समग्र विद्युत की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए किया जाता है।

 
फोटो 1: 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT इंटररप्टर का प्रारंभिक यांत्रिक लेआउट। IGBTs जल-संशीतल कोल्ड प्लेट्स पर लगाए गए हैं

सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर के लाभ और हानियों को अन्य सर्किट ब्रेकरों के साथ संक्षेप में तुलना करें:
जबकि सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर आधुनिक इलेक्ट्रो-मैकेनिकल-आधारित सर्किट ब्रेकर की तुलना में बहुत तेज अवरुद्धन गति प्राप्त कर सकता है, सोलिड-स्टेट ब्रेकर का एक प्रमुख दोष उनके उच्च ऑन-स्टेट नुकसान हैं। कुछ माइक्रो-ओहम के संपर्क रोध के साथ, शास्त्रीय सर्किट ब्रेकर में इलेक्ट्रो-मैकेनिकल संपर्क नगण्य ऑन-स्टेट नुकसान प्रस्तुत करते हैं। इसके विपरीत, अधिकांश सोलिड-स्टेट डिवाइस कम से कम दो वोल्ट का वोल्टेज गिरावट प्रस्तुत करते हैं, इसलिए जब बड़ा करंट ब्रेकर से गुजरता है, तो सोलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर के ऑन-स्टेट नुकसान शास्त्रीय सर्किट ब्रेकर की तुलना में बहुत अधिक हो सकते हैं। ऊर्जा की वृद्धि के साथ शीतलन की आवश्यकताएं भी बढ़ जाती हैं। परंपरागत रूप से बड़े धातु वाले हीटसिंक का उपयोग पावर सेमीकंडक्टर डिवाइसों को निष्क्रिय रूप से शीतल करने के लिए किया जाता है, हालांकि, वे प्रणाली के कुल आकार और वजन का एक बड़ा हिस्सा योगदान दे सकते हैं। जबकि एक एक्टिव शीतलन प्रणाली जैसे फोर्स्ड एयर (फैन) या तरल शीतलन