Projeto e futuro de Disjuntores de Estado Sólido em Corrente Contínua de Média Tensão

Como funcionam os disjuntores de estado sólido de média tensão:
Um disjuntor DC de estado sólido usa semicondutores de potência para interromper a corrente de falha. Uma topologia simples de um disjuntor DC de estado sólido é mostrada na Figura 1. Quatro diodos e um IGCT representam o caminho de condução principal, enquanto o supressor de surtos é usado para descarregar a indutância da linha em caso de falha. Quando o disjuntor DC é acionado, o IGCT é desligado. Devido à energia armazenada indutivamente, a tensão nos semicondutores aumenta rapidamente e o supressor de surtos começa a conduzir corrente. Para descarregar a indutância da linha, a tensão de proteção do supressor de surtos deve ser maior que a tensão nominal da rede. Também deve ser garantido que os semicondutores de potência possam suportar a tensão de proteção do supressor de surtos. A principal vantagem de um disjuntor DC de estado sólido é sua velocidade de interrupção rápida e a falta de partes móveis. Como os semicondutores de potência estão colocados no caminho de condução principal, ocorrem perdas no estado de condução.

Figura 1: Design simples de disjuntor de estado sólido

Os disjuntores de estado sólido dependem exclusivamente do interruptor de estado sólido para transportar a carga nominal e interromper a corrente. Como o arco elétrico é eliminado, outro mecanismo é necessário para dissipar a energia armazenada na indutância do circuito. Isso geralmente é alcançado por meio de um varistor de óxido metálico (MOV) conectado em paralelo. Um MOV tem uma característica de tensão/corrente não linear.
Sua resistência permanece alta (agindo efetivamente como um circuito aberto) até que a tensão através dele atinja um certo valor, onde sua resistência cai permitindo que a corrente passe pelo dispositivo. Quando conduzindo, um MOV também limita a tensão através dele a um valor constante.
Este tipo de dispositivo é frequentemente usado em sistemas de alta tensão como um supressor de surtos e também é usado como um dispositivo de proteção para componentes sensíveis à tensão.
Duas topologias de disjuntores de estado sólido bidirecionais são mostradas na Figura 2. Quando o disjuntor está fechado, ambos os dispositivos semicondutores são ligados, permitindo que a corrente flua em ambas as direções. Durante a interrupção da corrente, ambos os dispositivos são desligados, forçando a tensão através dos dispositivos a subir até que o MOV comece a conduzir e limitar a tensão através dos dispositivos. O MOV em condução age para dissipar a energia armazenada dentro da indutância do circuito.
Embora IGCTs sejam mostrados na Figura 2 (a), GTOs também foram usados em designs mais antigos baseados na mesma topologia de circuito.

 
Figura 2   a) Disjuntor de estado sólido bidirecional simples baseado em IGCT, (b) Disjuntor de estado sólido bidirecional simples baseado em IGBT

A Figura 3 mostra vários designs alternativos que aplicam esse conceito a sistemas de média tensão. Nesses sistemas, múltiplos dispositivos são conectados em série para aumentar a capacidade total de suporte à tensão do disjuntor de estado sólido. Diodos também são frequentemente conectados em série com os principais interruptores de interrupção para melhorar a tensão de bloqueio reverso do sistema, devido à capacidade limitada de bloqueio reverso de dispositivos existentes como IGCT e GTO. O circuito mostrado na Figura 3 (c) inclui amortecedores RC conectados em paralelo, que são necessários para sistemas baseados em GTO para auxiliar no desligamento dos dispositivos, e também contém duas características interessantes que podem ser aplicadas a outros disjuntores de estado sólido. Primeiro, inclui um resistor conectado em paralelo que é usado para limitar a corrente de falha durante a interrupção da corrente. Durante a operação normal, este resistor é curto-circuitado pelos principais interruptores semicondutores e, portanto, não contribui para as perdas no estado de condução do disjuntor. Segundo, um interruptor mecânico é conectado em série para fornecer isolamento físico.
Embora os designs mostrados nesta seção sejam principalmente projetados para sistemas de energia AC, deve ser possível aplicar esses designs a aplicações DC com modificações mínimas.

 
Figura 3: a) Disjuntor de estado sólido bidirecional de média tensão baseado em IGCT, (b) Disjuntor de estado sólido bidirecional de média tensão baseado em IGCT, (c) Disjuntor de estado sólido bidirecional baseado em GTO

Um diagrama de blocos simplificado de um disjuntor de estado sólido é mostrado na Figura 4. O interrompedor de corrente de estado sólido é composto por uma série de dispositivos de estado sólido para lidar com segurança com a tensão do barramento DC. Um controlador inverso rápido coordenado fornece o sinal de acionamento para os interruptores no interrompedor, que abrem e fecham sincronicamente. O controlador inverso rápido recebe comandos de uma entrada manual, de outros disjuntores na rede ou de sensores rápidos que detectam correntes de falha locais. O controlador inverso fornece controle de tempo de disparo inverso para estados de sobrecorrente e um disparo instantâneo rápido se o limite de sobrecorrente for atingido. Esses parâmetros operacionais podem ser ajustados para cada disjuntor, dependendo de sua localização na rede, fornecendo uma resposta ordenada e sequenciada a condições de falha.

 
Figura 4: Diagrama de sistema simplificado de um disjuntor de estado sólido típico de média tensão DC

O interrompedor de estado sólido fornece a funcionalidade primária de uma montagem completa de disjuntor, proporcionando proteção rápida contra falhas e isolamento. A montagem completa do disjuntor também deve fornecer um meio de desconectar o interrompedor da rede de energia de forma segura quando a manutenção ou serviço forem necessários.
Um layout preliminar para um interrompedor de nível de carga de 8 MW é mostrado na foto 1. Este interrompedor
consiste em seis IGBTs de 4,500 V (CM900HB-66H) conectados em série. O interrompedor de 8 MW é
aproximadamente 23 polegadas de largura x 9 polegadas de altura  11 polegadas de profundidade e pesa aproximadamente 60 lb. Os IGBTs são montados
em placas frias de alumínio resfriadas a água, que, por sua vez, são montadas em uma estrutura mecânica isolante eletricamente.
As linhas de água não metálicas são suficientemente resistentes para limitar a fuga de corrente ao longo das linhas. Isso exigirá um pequeno sistema de resfriamento fechado e um cartucho de troca iônica de longa duração para manter a resistividade da água de resfriamento.
Isso exigirá um pequeno sistema de resfriamento fechado e um cartucho de troca iônica de longa duração para manter a resistividade da água de resfriamento.
A foto 1 mostra o layout mecânico preliminar de um interrompedor IGBT de 10 kV, 8 MW (800 A). Os IGBTs são montados em placas frias resfriadas a água. As linhas de resfriamento não metálicas entre placas frias adjacentes são projetadas para suportar a tensão total do interruptor quando o interruptor está aberto.
Arranjos paralelos dessas montagens são usados para atender aos requisitos gerais de corrente para a carga.

 
Foto 1: Layout mecânico preliminar de um interrompedor IGBT de 10 kV, 8 MW (800 A). Os IGBTs são montados em placas frias resfriadas a água

Compare as vantagens e desvantagens dos disjuntores de estado sólido com outros disjuntores brevemente:
Embora os disjuntores de estado sólido possam alcançar uma velocidade de interrupção substancialmente mais rápida em comparação com os disjuntores convencionais baseados em eletromecânica, uma grande desvantagem dos disjuntores de estado sólido é suas altas perdas no estado de condução. Com resistência de contato tão baixa quanto alguns micro-ohms, os contatos eletromecânicos em disjuntores clássicos introduzem perdas no estado de condução negligenciáveis. Em contraste, a maioria dos dispositivos de estado sólido introduz uma queda de tensão de pelo menos dois volts, portanto, conforme uma corrente elevada flui através do disjuntor, as perdas no estado de condução de um disjuntor de estado sólido podem ser significativamente maiores do que as de um disjuntor clássico. O aumento da perda de energia também leva a requisitos aumentados de resfriamento. Tradicionalmente, grandes dissipadores de calor metálicos são usados para resfriar passivamente dispositivos semicondutores de potência, no entanto, eles podem contribuir para porções substanciais do tamanho e peso totais do sistema. Embora a instalação de sistemas de resfriamento ativo, como ar forçado (ventilador) ou resfriamento líquido, possa ajudar a reduzir o tamanho e o peso do sistema geral, eles introduzem complexidades adicionais, como assinatura acústica aumentada, perdas de energia e problemas de manutenção.
Conforme a Figura 5, os valores são dados em relação ao maior valor por grupo.
Para cada critério, valores menores são considerados preferíveis. Uma área pequena, portanto, indica um bom desempenho geral de um conceito de comutação.
Com base nos achados, o disjuntor de estado sólido mostra um bom desempenho geral. Devido às suas capacidades de comutação rápida, o tempo de desligamento é pequeno e apenas amplitudes de corrente baixas ocorrem. Além disso, a confiabilidade e a complexidade do processo de comutação podem ser consideradas boas. No entanto, o disjuntor de estado sólido sofre de altas perdas, em comparação com interruptores mecânicos ou híbridos.
Um conceito alternativo com baixas perdas, custos relativos médios e boa confiabilidade é o disjuntor mecânico com amortecedor. Além disso, o disjuntor híbrido convencional apresenta um desempenho geral médio. Ele sofre de correntes de pico elevadas devido ao interruptor mecânico. Os conceitos provenientes de sistemas HVDC não têm um bom desempenho nos níveis de tensão e potência investigados. No entanto, para tensões e potências mais altas, isso pode mudar. Finalmente, o conceito de um interruptor puramente mecânico ainda é interessante para aplicações de baixa e baixa-média tensão, pois é o único bem comprovado.

Figura 5: Visão geral de todos os conceitos de comutação para disjuntores DC

A Tabela 1 resume as características das quatro tecnologias de disjuntores:
Deve-se notar que o tempo de preparação desta tabela é 2012.

 
Tabela 1: Resumo das tecnologias de disjuntores para aplicações DC de baixa potência