Проектирование и будущее твердотельных выключателей постоянного тока среднего напряжения

Как работают твердотельные выключатели среднего напряжения:
Твердотельный выключатель постоянного тока использует силовые полупроводниковые приборы для прерывания тока короткого замыкания. Простая топология твердотельного выключателя постоянного тока показана на рисунке 1. Четыре диода и IGCT представляют собой основной проводящий путь, в то время как грозозащитный ограничитель используется для разрядки индуктивности линии в случае аварии. Когда твердотельный выключатель срабатывает, IGCT отключается. В результате энергии, накопленной в индуктивности, напряжение на полупроводниковых приборах быстро возрастает, и грозозащитный ограничитель начинает проводить ток. Для разрядки индуктивности линии защитное напряжение грозозащитного ограничителя должно быть выше номинального сетевого напряжения. Также необходимо обеспечить, чтобы полупроводниковые приборы могли выдерживать защитное напряжение грозозащитного ограничителя. Основное преимущество твердотельного выключателя постоянного тока — его быстрая скорость прерывания и отсутствие движущихся частей. Поскольку полупроводниковые приборы находятся в основном проводящем пути, возникают потери в режиме проводимости.

Рисунок 1: Простая конструкция твердотельного выключателя

Твердотельные выключатели полностью зависят от твердотельного переключателя для передачи номинальной нагрузки и прерывания тока. Поскольку электрическая дуга исключена, необходим другой механизм для рассеивания накопленной энергии в индуктивности цепи. Это часто достигается с помощью параллельно подключенного металлооксидного варистора (MOV). MOV имеет нелинейную характеристику напряжение-ток.
Его сопротивление остается высоким (эффективно действуя как разомкнутая цепь) до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет определенного значения, после чего его сопротивление падает, позволяя току проходить через устройство. Когда MOV проводит ток, он также ограничивает напряжение на нем на постоянном уровне.
Этот тип устройства часто используется в высоковольтных системах в качестве грозозащитного ограничителя и также в качестве защитного устройства для компонентов, чувствительных к напряжению.
На рисунке 2 показаны две двунаправленные топологии твердотельных выключателей. Когда выключатель закрыт, оба полупроводниковых устройства включены, что позволяет току течь в обоих направлениях. Во время прерывания тока оба устройства выключаются, заставляя напряжение на устройствах расти до тех пор, пока MOV не начнет проводить и ограничивать напряжение на устройствах. Проводящий MOV действует для рассеивания энергии, накопленной в индуктивности цепи.
Хотя на рисунке 2 (a) показаны IGCT, GTO также использовались в старых конструкциях на основе той же топологии цепи.

 
Рисунок 2   а) Простой двунаправленный твердотельный выключатель на основе IGCT, (b) Простой двунаправленный твердотельный выключатель на основе IGBT

Рисунок 3 показывает несколько альтернативных конструкций, которые применяют эту концепцию к системам среднего напряжения. В этих системах несколько устройств соединены последовательно для увеличения общей способности выдерживать напряжение твердотельного выключателя. Диоды также часто соединяются последовательно с основными выключающими переключателями для улучшения обратного блокирующего напряжения системы, из-за ограниченной обратной блокирующей способности существующих устройств, таких как IGCT и GTO. Цепь, показанная на рисунке 3 (c), включает параллельно подключенные RC-заглушки, которые требуются для систем на основе GTO, чтобы помочь выключению устройств, и также содержит две интересные особенности, которые могут быть применены к другим твердотельным выключателям. Во-первых, она включает параллельно подключенный резистор, который используется для ограничения тока короткого замыкания во время прерывания тока. В нормальном режиме работы этот резистор шунтируется основными полупроводниковыми переключателями, поэтому он не вносит вклад в потери в режиме проводимости выключателя. Во-вторых, механический выключатель соединен последовательно для обеспечения физической изоляции.
Хотя конструкции, показанные в этом разделе, в основном предназначены для сетей переменного тока, их можно применять к сетям постоянного тока с минимальными изменениями.

 
Рисунок 3: а) Двунаправленный твердотельный выключатель среднего напряжения на основе IGCT, (b) Двунаправленный твердотельный выключатель среднего напряжения на основе IGCT, (c) Двунаправленный твердотельный выключатель на основе GTO

Упрощенная блок-схема твердотельного выключателя показана на рисунке 4. Твердотельный прерыватель тока состоит из последовательной цепочки твердотельных устройств для безопасной работы с напряжением постоянного тока. Быстрый координированный инверсно-временной контроллер обеспечивает сигнал управления затворами для переключателей в прерывателе, которые синхронно открываются и закрываются. Инверсно-временной контроллер получает команды либо от ручного ввода, от других выключателей в сети, либо от быстрых датчиков, которые обнаруживают местные токи короткого замыкания. Инверсно-временной контроллер обеспечивает инверсное управление временем срабатывания для состояний перегрузки по току и быстрое мгновенное срабатывание, если предел перегрузки по току достигнут. Эти операционные параметры могут быть настроены для каждого выключателя в зависимости от его расположения в сети, обеспечивая упорядоченный, последовательный ответ на аварийные условия.

 
Рисунок 4: Упрощенная системная диаграмма типичного твердотельного выключателя среднего напряжения постоянного тока

Твердотельный прерыватель обеспечивает основную функциональность полного сборочного выключателя — быструю защиту от аварий и изоляцию. Полный сборочный выключатель также должен обеспечивать возможность безопасного отключения прерывателя от сети питания, когда требуется обслуживание или ремонт.
Предварительная планировка прерывателя уровня нагрузки 8 МВт показана на фото 1. Этот прерыватель
состоит из шести 4,500 В IGBT (CM900HB-66H), соединенных последовательно. Прерыватель мощностью 8 МВт
имеет размеры примерно 23 дюйма в ширину, 9 дюймов в высоту и 11 дюймов в глубину и весит около 60 фунтов. IGBT установлены
на водяные холодильные плиты из алюминия, которые, в свою очередь, установлены на электроизолирующую механическую раму. Неметаллические водяные линии достаточно резистивны, чтобы ограничить ток утечки по линиям.
Это потребует маленького замкнутого контура охлаждения и долговечного катриджа ионного обмена для поддержания
резистивности охлаждающей воды.
Это потребует маленького замкнутого контура охлаждения и долговечного катриджа ионного обмена для поддержания резистивности охлаждающей воды.
На фото 1 показана предварительная механическая планировка прерывателя IGBT на 10 кВ, 8 МВт (800 А). IGBT установлены на водяные холодильные плиты. Неметаллические охлаждающие линии между соседними холодильными плитами спроектированы таким образом, чтобы выдерживать полное напряжение переключателя, когда переключатель открыт.
Параллельные массивы этих сборок используются для удовлетворения общих требований к току для нагрузки.

 
Фото 1: Предварительная механическая планировка прерывателя IGBT на 10 кВ, 8 МВт (800 А). IGBT установлены на водяные холодильные плиты

Сравните преимущества и недостатки твердотельных выключателей с другими выключателями кратко:
Хотя твердотельные выключатели могут достичь значительно более быстрой скорости прерывания по сравнению с традиционными электромеханическими выключателями, одним из главных недостатков твердотельных выключателей является их высокие потери в режиме проводимости. С контактным сопротивлением, равным нескольким микрОм, электромеханические контакты в классических выключателях вносят незначительные потери в режиме проводимости. В противоположность этому, большинство твердотельных устройств вносят падение напряжения не менее двух вольт, поэтому при больших токах, проходящих через выключатель, потери в режиме проводимости твердотельного выключателя могут быть значительно выше, чем у классического выключателя. Увеличенные потери энергии также приводят к увеличению требований к охлаждению. Традиционно для пассивного охлаждения силовых полупроводниковых устройств используются большие металлические радиаторы, однако они могут занимать значительную часть общего объема и массы системы. Хотя установка активных систем охлаждения, таких как принудительный воздух (вентилятор) или жидкостное охлаждение, может помочь уменьшить размер и массу всей системы, они вносят дополнительные сложности, такие как увеличенный акустический сигнал, потери энергии и проблемы с обслуживанием.
Согласно рисунку 5, значения даны в отношении к максимальному значению в группе.
Для каждого критерия малые значения считаются предпочтительными. Малая площадь, следовательно, указывает на хорошую общую производительность концепции переключения.
На основе результатов, твердотельный выключатель показывает хорошую общую производительность. Благодаря своим быстрым переключательным возможностям, время отключения мало, и возникают только низкие амплитуды тока. Также надежность и сложность процесса переключения можно считать хорошими. Однако твердотельный выключатель страдает от высоких потерь по сравнению с механическими или гибридными выключателями.
Альтернативная концепция с низкими потерями, средними относительными затратами и хорошей надежностью — это гашение механического выключателя. Также традиционный гибридный выключатель показывает общую среднюю производительность. Он страдает от высоких пиковых токов из-за механического переключателя. Концепции, взятые из систем HVDC, не имеют хорошей производительности в исследуемых уровнях напряжения и мощности. Однако для более высоких напряжений и мощностей это может измениться. Наконец, концепция чисто механического выключателя все еще интересна для низких и низко-средних напряжений, так как это единственная хорошо проверенная концепция.

Рисунок 5: Обзор всех концепций переключения для выключателей постоянного тока

Таблица 1 суммирует характеристики четырех технологий выключателей:
Следует отметить, что таблица составлена в 2012 году.

 
Таблица 1: Сводка технологий выключателей для низкомощных приложений постоянного тока