Mediumspenn DC fasttilstands sirkuitbrytere Design og fremtid

Hvordan fungerer mediumspansons solid-state strømbrytere:
En DC-strømbryter av typen solid-state bruker effektskjeletter for å bryte feilstrømmen. En enkel topologi for en DC-strømbryter av typen solid-state er vist i figur 1. Fire dioder og en IGCT representerer hovedledningsbanen, mens overvoltagebeskytteren brukes til å løse ut lindeinduktansen ved feil. Når DC-strømbryteren slås av, skrus IGCT av. På grunn av lagret energi i induktoren, stiger spenningen over skjelettene raskt, og overvoltagebeskytteren begynner å lede strøm. For å løse ut lindeinduktansen, må beskyttelsesspenningen til overvoltagebeskytteren være høyere enn den nominelle nettspenningen. Det må også sikres at effektskjelettene kan tåle beskyttelsesspenningen til overvoltagebeskytteren. Hovedfordelen med en DC-strømbryter av typen solid-state er dens raske brytetid og mangel på bevegelige deler. Siden effektskjelettene plasseres i hovedledningsbanen, oppstår det ledingsforluster.

Figur 1:Enkel design av solid stat strømbryter

Solid-state strømbrytere er avhengige av solid-state skruen for å føre den nominelle lasten og bryte strømmen. Ettersom elektrisk bue er eliminert, trengs en annen mekanisme for å dissipere den lagrede energien i kretsinduktansen. Dette oppnås ofte via en parallellkoblet metalloksidvaristor (MOV). En MOV har en ikke-lineær spenning/strøm karakteristikk.
Dens motstand forblir høy (effektivt virker som en åpen sirkel) til spenningen over den når en viss verdi, hvor dens motstand faller og tillater strøm gjennom enheten. Når en MOV leder, klamper den også spenningen over seg selv på en konstant verdi.
Denne typen enhet brukes ofte i høyspenningssystemer som et overvoltagebeskytter, og brukes også som beskyttelsesenheter for spenningssensitive komponenter.
To toveis solid-state strømbrytertopologier er vist i figur 2. Når bryteren er lukket, skrus begge effektskjelettene på, slik at strøm kan strømme i begge retninger. Under strømbryting, skrus begge enheter av, noe som tvinger spenningen over enhetene til å stige til MOV begynner å lede og klampe spenningen over enhetene. Den ledede MOV virker for å dissipere den lagrede energien i kretsinduktansen.
Selv om IGCT vises i figur 2 (a), har GTO også blitt brukt i eldre design basert på samme kretstopologi.

 
Figur 2  a) IGCT-basert enkel toveis solid-state strømbryter, (b) IGBT-basert enkel toveis solid-state strømbryter

Figur 3 viser flere alternative design som anvender dette konseptet i mediumspansons systemer. I disse systemene kobles flere enheter i serie for å øke den totale spenningstålmodigheten til solid-state strømbryteren. Dioder kobles også ofte i serie med de hovedbryteskruene for å forbedre revers blokkeringsspenningen i systemet, på grunn av den begrensete revers blokkeringskapasiteten hos eksisterende enheter som IGCT og GTO. Kretsen vist i figur 3 (c) inkluderer parallelle RC-dempere som kreves for GTO-baserte systemer for å hjelpe med å skru av enheter, og inneholder også to interessante funksjoner som kan anvendes på andre solid-state strømbrytere. Først inkluderer den en parallel koblet motstand som brukes til å begrense feilstrømmen under strømbryting. Under normal drift shortes denne motstanden av de hovedeffektskjelettene og bidrar derfor ikke til ledingsforluster i strømbryteren. Andre, en mekanisk skru kobles i serie for å gi fysisk isolasjon.
Selv om designene vist i denne seksjonen er primært utviklet for AC-strømsystemer, burde det være mulig å anvende disse designene til DC-applikasjoner med minimale endringer.

 
Figur 3: a) IGCT-basert mediumspansons toveis solid-state strømbryter, (b) IGCT-basert mediumspansons toveis solid-state strømbryter, (c) GTO-basert toveis solid-state strømbryter

En forenklet blokkdiagram av en solid-state strømbryter er vist i figur 4. Solid-state strømbryteren består av en serie streng av solid-state enheter for å håndtere DC-bussens spenning trygt. En rask koordinert inverse-time kontroller gir gate drive signal for skruene i strømbryteren som åpnes og lukkes synkront. Den raske inverse-time kontrolleren mottar kommandoer enten fra manuell inndata, fra andre brytere i nettverket, eller fra raske sensorer som oppdager lokale feilstrømmer. Inverse-time kontrolleren gir invers trip tidkontroll for overstrømstillstand, og en rask øyeblikkelig trip hvis overstrøm grensen blir nådd. Disse operasjonsparametrene kan justeres for hver strømbryter avhengig av dens plassering i nettverket, noe som gir en ordnet, sekvensert respons til feilsituasjoner.

 
Figur 4: Forenklet systemdiagram av en typisk MVDC solid-state strømbryter

Solid-state strømbryteren gir hovedfunksjonaliteten til en komplett strømbryteroppsett, rask feilbeskyttelse og isolering. Det fullstendige strømbryteroppsettet må også gi en metode for å frakoble strømbryteren trygt fra strømnettet når vedlikehold eller service er nødvendig.
Et foreløpig layout for en 8 MW lastnivå strømbryter er vist i bilde 1. Denne strømbryteren
består av seks 4,500 V IGBT (CM900HB-66H) koblet i serie. Den 8 MW strømbryteren er
ca 23 tommer bred x 9 tommer høy  11 tommer dyp og veier ca 60 lb. IGBT-ene er montert
på vannkjølte aluminiumskjølepflater, som igjen er montert på en elektrisk isolerende mekanisk
ramme. De ikke-metalliske vannlinjene er tilstrekkelig motstandsdyktige for å begrense strømlekkasje langs linjene.
Dette vil kreve et lite, lukket kjølesystem og en varig ionutvekslingspatrone for å opprettholde
motstandsdyktigheten til kjølevannet.
Dette vil kreve et lite, lukket kjølesystem og en varig ionutvekslingspatrone for å opprettholde motstandsdyktigheten til kjølevannet.
I bilde 1 vises det foreløpige mekaniske layoutet av en 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT strømbryter. IGBT-ene er montert på vannkjølte kjølepflater. Ikke-metalliske kjølelinjer mellom nabo kjølepflater er designet for å stå av den fulle skruespennings når skruen er åpen.
Parallelle rekker av disse oppsettene brukes for å møte den totale strømbehovet for lasten.

 
Bilde 1: Foreløpig mekanisk layout av en 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT strømbryter. IGBT-ene er montert på vannkjølte kjølepflater

Sammenlign fordelene og ulemper med solid-state strømbrytere med andre strømbrytere kort:
Selv om solid-state strømbrytere kan oppnå betydelig raskere brytetid sammenlignet med konvensjonelle elektromekaniske strømbrytere, er en hovedulempen høye ledingsforluster. Med kontaktmotstand så liten som noen få mikro-ohm, introduserer elektromekaniske kontakter i klassiske strømbrytere forneglige ledingsforluster. I motsetning til dette, introduserer de fleste solid-state enheter en spenningfall på minst to volt, derfor, når en stor strøm strømmer gjennom strømbryteren, kan ledingsforluster av en solid-state strømbryter være betydelig høyere enn de av en klassisk strømbryter. Økte energiforluster fører også til økte krav til kjøling. Tradisjonelt brukes store metalliske varmekilder for å passivt kjøle effektskjeletter, men de kan bidra til betydelige deler av systemets totale størrelse og vekt. Mens installasjon av aktive kjølesystemer som tvungen luft (vifte) eller væskedriv kan hjelpe til å redusere størrelsen og vekten av det totale systemet, introduserer de ekstra kompleksiteter som økt akustisk signatur, energiforluster og vedlikeholdsproblemer.
Ifølge figur 5, er verdiene gitt i forhold til den høyeste verdien per gruppe.
For hvert kriterium, små verdier regnes som foretrukket. En liten areal indikerer derfor en god total ytelse av et skruingkonsept.
Basert på funnene, viser solid-state strømbryteren en god total ytelse. Pga sin raske skruingsevne, er slukkingstiden kort, og bare lave strømamplituder oppstår. Også påliteligheten og kompleksiteten i skruingsprosessen kan betraktes som gode. Imidlertid lider solid-state bryter av høye forluster sammenlignet med mekaniske eller hybrid skruer.
Et alternativt konsept med lave forluster, middels relative kostnader, og god pålitelighet er snubber mekanisk bryter. Også den konvensjonelle hybrid bryteren viser en middels total ytelse. Den lider av høye toppstrømmer på grunn av den mekaniske skruen. Konseptene tatt fra HVDC-systemer har ikke en god ytelse innenfor de undersøkte spenning- og effektnivåene. Men, for høyere spenninger og effekter, kan dette endre seg. Til slutt, konseptet med ren mekanisk bryter er fortsatt interessant for lav- og lav-mediumspenning applikasjoner, siden det er den eneste godt beviste.

Figur 5: Oversikt over alle skruingkonsepter for DC strømbrytere

Tabell 1 summerer egenskapene til de fire strømbryterteknologiene:
Det skal merkes at tabellen ble forberedt i 2012.

 
Tabell 1: Sammendrag av strømbryterteknologier for lav effekt DC-applikasjoner