Ontwerp en toekomst van middenspannings-DC vaste-staats-schakelaars

Hoe werken middenspannings vaste toestand circuitbrekers:
Een vaste toestand DC-breker gebruikt stroom halfgeleiders om de storingstroom te onderbreken. Een eenvoudige topologie van een vaste toestand DC-breker wordt weergegeven in figuur 1. Vier dioden en een IGCT vertegenwoordigen het hoofdconductiepad, terwijl de overvoltagebeveiliging wordt gebruikt om de lijninductie af te voeren in geval van een storing. Wanneer de DC-breker wordt getript, wordt de IGCT uitgeschakeld. Vanwege de inductief opgeslagen energie neemt de spanning over de halfgeleiders snel toe en begint de overvoltagebeveiliging stroom te geleiden. Om de lijninductie af te voeren, moet de beveiligingspanning van de overvoltagebeveiliging hoger zijn dan de nominale netspanning. Het moet ook worden gewaarborgd dat de stroomhalfgeleiders de beveiligingspanning van de overvoltagebeveiliging kunnen weerstaan. Het belangrijkste voordeel van een vaste toestand DC-breker is de snelle onderbrekingsnelheid en het ontbreken van bewegende delen. Omdat de stroomhalfgeleiders in het hoofdconductiepad zijn geplaatst, treden on-staatsverliezen op.

Figuur 1: Eenvoudig ontwerp van vaste toestand circuitbreker

Vaste toestand circuitbrekers vertrouwen uitsluitend op de vaste toestand schakelaar om de nominale belasting te dragen en de stroom te onderbreken. Aangezien de elektrische boog wordt geëlimineerd, is een andere mechanisme nodig om de opgeslagen energie in de circuitsinductie af te voeren. Dit wordt vaak bereikt via een parallel verbonden metaaloxide varistor (MOV). Een MOV heeft een niet-lineaire spanning/stroom karakteristiek.
De weerstand blijft hoog (effectief als een open circuit) totdat de spanning erover een bepaalde waarde bereikt, waarbij de weerstand daalt waardoor stroom door het apparaat kan lopen. Wanneer een MOV stroom leidt, klikt de spanning erover op een constante waarde.
Dit type apparaat wordt vaak gebruikt in hoge-spanningssystemen als een overvoltagebeveiliging en wordt ook gebruikt als beschermingsapparaat voor spanningsgevoelige componenten.
Twee tweerichtings vaste toestand circuitbreker topologieën worden weergegeven in figuur 2. Wanneer de breker gesloten is, worden beide halfgeleiderapparaten ingeschakeld, waardoor stroom in beide richtingen kan stromen. Tijdens de stroomonderbreking worden beide apparaten uitgeschakeld, waardoor de spanning over de apparaten stijgt totdat de MOV begint te geleiden en de spanning over de apparaten vastlegt. De geleidende MOV werkt om de in de circuitsinductie opgeslagen energie af te voeren.
Hoewel IGCT's worden getoond in figuur 2 (a), zijn GTO's ook gebruikt in oudere ontwerpen op basis van dezelfde circuittopologie.

 
Figuur 2   a) IGCT gebaseerde eenvoudige tweerichtings vaste toestand circuitbreker, (b) IGBT gebaseerde eenvoudige tweerichtings vaste toestand circuitbreker

Figuur 3 toont een aantal alternatieve ontwerpen die dit concept toepassen op middenspanningssystemen. In deze systemen worden meerdere apparaten in serie verbonden om de totale spanningstolerantie van de vaste toestand breker te verhogen. Dioden worden ook vaak in serie verbonden met de hoofdschakelaars om de reverse blokspanning van het systeem te verbeteren, vanwege de beperkte reverse blokkeercapaciteit van bestaande apparaten zoals IGCT en GTO. Het circuit dat wordt weergegeven in figuur 3 (c) bevat parallel verbonden RC dempers die nodig zijn voor GTO-gebaseerde systemen om het uitschakelen van apparaten te ondersteunen, en bevat ook twee interessante kenmerken die kunnen worden toegepast op andere vaste toestand circuitbrekers. Ten eerste bevat het een parallel verbonden weerstand die wordt gebruikt om de foutstroom tijdens de stroomonderbreking te beperken. Tijdens normale bedrijfsomstandigheden wordt deze weerstand kortgesloten door de hoofdhalfgeleiders en draagt daarom niet bij aan de on-staatsverliezen van de breker. Ten tweede is een mechanische schakelaar in serie verbonden om fysieke isolatie te bieden.
Ondanks dat de in deze sectie getoonde ontwerpen voornamelijk zijn ontworpen voor wisselspanningskracht-systemen, zou het mogelijk moeten zijn om deze ontwerpen met minimale wijzigingen toe te passen op gelijkspanningsapplicaties.

 
Figuur 3: a) IGCT gebaseerde middenspannings tweerichtings vaste toestand circuitbreker, (b) IGCT gebaseerde middenspannings tweerichtings vaste toestand circuitbreker, (c) GTO gebaseerde tweerichtings vaste toestand circuitbreker

Een vereenvoudigd blokschema van een vaste toestand circuitbreker wordt weergegeven in figuur 4. De vaste toestand stroomonderbreker bestaat uit een reeks van vaste toestand apparaten om de DC busspanning veilig te hanteren. Een snelle geïntegreerde inverse-tijdcontroller geeft het poortsignaal voor de schakelaars in de onderbreker die synchroon openen en sluiten. De snelle inverse-tijdcontroller ontvangt commando's van een handmatige invoer, van andere schakelaars in het netwerk, of van snelle sensoren die lokale foutstromen detecteren. De inverse-tijdcontroller biedt inverse trip-tijdcontrole voor overstroomtoestanden, en een snelle directe trip indien de overstroomlimiet wordt bereikt. Deze operationele parameters kunnen voor elke schakelaar worden aangepast, afhankelijk van de locatie in het netwerk, wat een geordende, gevolgde respons op foutcondities oplevert.

 
Figuur 4: Vereenvoudigd systeemschema van een typische MVDC vaste toestand circuitbreker

De vaste toestand onderbreker biedt de primaire functionaliteit van een volledige circuitbrekerassemblage, snelle foutbescherming en isolatie. De volledige circuitbrekerassemblage moet ook een manier bieden om de onderbreker veilig van het elektriciteitsnetwerk te ontkoppelen wanneer onderhoud of service vereist is.
Een voorlopig ontwerp voor een 8 MW belastingsniveau circuitonderbreker wordt weergegeven in foto 1. Deze onderbreker
bestaat uit zes 4.500 V IGBT's (CM900HB-66H) die in serie zijn verbonden. De 8 MW onderbreker is
ongeveer 23 inch breed x 9 inch hoog  11 inch diep en weegt ongeveer 60 pond. De IGBT's zijn gemonteerd
op watergekoelde aluminium koelplaten, die op hun beurt zijn gemonteerd op een elektrisch isolerend mechanisch frame. De niet-metallische waterleidingen hebben een voldoende hoge weerstand om de stroomlek langs de leidingen te beperken.
Dit zal een klein, gesloten koelsysteem en een langdurig ion-wisselcartridge vereisen om de weerstand van het koelwater te handhaven.
Dit zal een klein, gesloten koelsysteem en een langdurig ion-wisselcartridge vereisen om de weerstand van het koelwater te handhaven.
In foto 1 wordt het voorlopige mechanische ontwerp van een 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT-onderbreker getoond. De IGBT's zijn gemonteerd op watergekoelde koelplaten. Niet-metallische koellijnen tussen aangrenzende koelplaten zijn ontworpen om de volledige schakelspanning te staan wanneer de schakelaar open staat.
Parallelle arrays van deze assemblages worden gebruikt om aan de totale stroomvereisten voor de belasting te voldoen.

 
Foto 1: Voorlopig mechanisch ontwerp van een 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT-onderbreker. De IGBT's zijn gemonteerd op watergekoelde koelplaten

Vergelijk de voordelen en nadelen van vaste toestand circuitbrekers met andere circuitbrekers kort:
Terwijl vaste toestand circuitbrekers aanzienlijk snellere onderbrekingssnelheden kunnen bereiken vergeleken met conventionele elektromechanische circuitbrekers, is één groot nadeel van vaste toestand brekers hun hoge on-staatsverliezen. Met contactweerstanden zo laag als enkele micro-ohms introduceren elektromechanische contacten in klassieke circuitbrekers verwaarloosbare on-staatsverliezen. Daarentegen introduceren de meeste vaste toestand apparaten minstens een spanning van twee volt, dus als er een grote stroom door de breker stroomt, kunnen de on-staatsverliezen van een vaste toestand circuitbreker aanzienlijk hoger zijn dan die van een klassieke circuitbreker. De toegenomen energieverlies leidt ook tot toegenomen koelvereisten. Traditioneel worden grote metalen koellichamen gebruikt om stroomhalfgeleiders passief te koelen, echter, ze kunnen aanzienlijke delen van de totale grootte en gewicht van het systeem uitmaken. Hoewel de installatie van actieve koelsystemen zoals geforceerde lucht (ventilator) of vloeistofkoeling kan helpen om de grootte en het gewicht van het totale systeem te verminderen, brengen ze extra complexiteiten mee zoals toegenomen akoestisch signaal, energieverliezen en onderhoudsproblemen.
Volgens figuur 5 worden de waarden gegeven in relatie tot de hoogste waarde per groep.
Voor elk criterium worden kleine waarden als preferabel beschouwd. Een kleine oppervlakte duidt derhalve op een overall goede prestatie van een schakelconcept.
Op basis van de bevindingen toont de vaste toestand circuitbreker een goede overall prestatie. Vanwege de snelle schakelcapaciteiten is de uitschakeltijd klein en komen slechts lage stroomamplituden voor. Ook de betrouwbaarheid en de complexiteit van het schakelproces kunnen als goed worden beschouwd. Echter, de vaste toestand breker lijdt onder hoge verliezen, in vergelijking met mechanische of hybride schakelaars.
Een alternatief concept met lage verliezen, middelbare relatieve kosten en goede betrouwbaarheid is de snubbermechanische schakelaar. Ook toont de conventionele hybride schakelaar een overall middelmatige prestatie. Hij lijdt onder hoge piekstromen vanwege de mechanische schakelaar. De concepten afkomstig uit HVDC-systemen hebben geen goede prestatie binnen de onderzochte spanning- en vermogensniveaus. Echter, voor hogere spanningen en vermogens kan dit veranderen. Tenslotte is het concept van een pure mechanische schakelaar nog steeds interessant voor lage en lage-middenspanningsapplicaties, omdat het de enige goed bewezen is.

Figuur 5: Overzicht van alle schakelconcepten voor DC-circuitbrekers

Tabel 1 vat de kenmerken samen van de vier circuitbreker technologieën:
Het moet worden opgemerkt dat de tijd van voorbereiding van deze tabel 2012 is.

 
Tabel 1: Samenvatting van circuitbreker technologieën voor lage vermogens DC-toepassingen