Mediumspännings-DC fasta tillståndets strömbrytare Design och framtid

Hur en medelspänningsbaserad halvledarförstärkande strömbrytare fungerar:
En DC-halvledarförstärkande strömbrytare använder effekthalvledare för att avbryta felströmmen. En enkel topologi för en DC-halvledarförstärkande strömbrytare visas i figur 1. Fyra dioder och en IGCT representerar den huvudsakliga ledningsvägen, medan överbelastningsbeskyddet används för att avlägsna linjeinduktansen vid fel. När DC-strömbrytaren utlösas stängs IGCT av. På grund av lagrad energi inom induktansen ökar spänningen över halvledarna snabbt och överbelastningsbeskyddet börjar leda ström. För att avlägsna linjeinduktansen måste skyddsspänningen för överbelastningsbeskyddet vara högre än det nominella nätspännet. Det måste också säkerställas att effekthalvledarna kan motstå skyddsspänningen för överbelastningsbeskyddet. Den huvudsakliga fördelen med en DC-halvledarförstärkande strömbrytare är dess snabba avbrottsförmåga och brist på rörliga delar. Eftersom effekthalvledarna placeras i den huvudsakliga ledningsvägen uppstår ledningsförluster.

Figur 1:Enkel design av en halvledarförstärkande strömbrytare

Halvledarförstärkande strömbrytare beror endast på den halvledarförstärkande växeln för att bära den nominella belastningen och avbryta strömmen. Eftersom elektriska bågar elimineras behövs ett annat mekanism för att släppa den lagrade energin i kretsinduktansen. Detta uppnås ofta via en parallellkopplad metalloxidvaristor (MOV). En MOV har en icke-linjär spänning/ström-karakteristik. Dess resistans förblir hög (effektivt agerar som en öppen krets) tills spänningen över den når ett visst värde, där resistansen sjunker och tillåter ström genom enheten. När en MOV leder ström begränsar den också spänningen över sig själv vid en konstant värde. Denna typ av enhet används ofta i högspänningsystem som överbelastningsbeskydd och även som beskyddsenhet för spänningskänsliga komponenter. Två tvåriktade halvledarförstärkande strömbrytartopologier visas i figur 2. När brytaren är stängd aktiveras båda halvledare, vilket tillåter strömflöde i båda riktningar. Under strömavbrott stängs båda enheter av, vilket tvingar spänningen över enheterna att stiga tills MOV börjar leda och begränsa spänningen över enheterna. Den ledande MOV:n agerar för att släppa den lagrade energin inom kretsinduktansen. Medan IGCT visas i figur 2 (a), har GTO:s också använts i äldre design baserade på samma kretstopologi.

 
Figur 2   a) IGCT-baserad enkel tvåriktad halvledarförstärkande strömbrytare, (b) IGBT-baserad enkel tvåriktad halvledarförstärkande strömbrytare

Figur 3 visar ett antal alternativa design som tillämpar detta koncept på medelspänningsystem. I dessa system ansluts flera enheter i serie för att öka den totala spänningsmotståndsförmågan hos halvledarförstärkande strömbrytaren. Dioder kopplas också ofta i serie med de huvudsakliga brytväxlar för att förbättra den omvända blockspänningen i systemet, eftersom den omvända blockeringen hos existerande enheter som IGCT och GTO är begränsad. Kretsen som visas i figur 3 (c) inkluderar parallellkopplade RC-dämpare som krävs för GTO-baserade system för att underlätta avstängningen av enheter, och innehåller också två intressanta egenskaper som kan tillämpas på andra halvledarförstärkande strömbrytare. För det första inkluderar den en parallellkopplad resistor som används för att begränsa felströmmen under strömavbrott. Under normal drift shortas denna resistor av de huvudsakliga halvledarvexlarna och bidrar därför inte till ledningsförlusterna hos brytaren. För det andra är en mekanisk växel ansluten i serie för att ge fysisk isolering. Även om designerna som visas i det här avsnittet främst är utformade för växelströmsystem bör det vara möjligt att tillämpa dessa design på likströmsapplikationer med minimala modifieringar.

 
Figur 3: a) IGCT-baserad medelspänningsbaserad tvåriktad halvledarförstärkande strömbrytare, (b) IGCT-baserad medelspänningsbaserad tvåriktad halvledarförstärkande strömbrytare, (c) GTO-baserad tvåriktad halvledarförstärkande strömbrytare

Ett förenklat blockdiagram av en halvledarförstärkande strömbrytare visas i figur 4. Den halvledarförstärkande strömbrytaren består av en serie av halvledare för att säkert hantera DC-nätspännet. En snabb koordinerad invers-tidskontroller ger gategenvägssignal för växlarna i brytaren som synkront öppnar och stänger. Den snabba invers-tidskontrollern tar emot kommandon från antingen manuell inmatning, från andra brytare i nätverket, eller från snabba sensorer som upptäcker lokala felströmmar. Invers-tidskontrollern ger invers trip-tidskontroll för överströmningslägen, och ett snabbt omedelbart trip om överströmningsgränsen nås. Dessa driftsparametrar kan justeras för varje brytare beroende på dess plats i nätverket, vilket ger en ordnad, sekvenserad respons vid felvillkor.

 
Figur 4: Förenklat systemdiagram av en typisk MVDC-halvledarförstärkande strömbrytare

Den halvledarförstärkande brytaren ger den primära funktionaliteten av en komplett strömbrytarinstallation snabb felbeskydd och isolering. Den fullständiga strömbrytarinstallationen måste också ge ett sätt att säkert koppla bort brytaren från elnätet när underhåll eller service krävs. Ett preliminärt layout för en 8 MW lastnivåbrytare visas i bild 1. Denna brytare består av sex 4,500 V IGBT (CM900HB-66H) anslutna i serie. Den 8 MW brytaren är ungefär 23 tum bred x 9 tum hög x 11 tum djup och väger ungefär 60 lb. IGBT är monterade på vattenkylta aluminiumkalla plattor, vilka i sin tur är monterade på en elektriskt isolerande mekanisk ram. De icke-metalliska vattenlinjerna är tillräckligt resistent för att begränsa strömförlusterna längs linjerna. Detta kommer att kräva ett litet, slutet cirkulationskylnsystem och en långlivad jonutbytarkassett för att bibehålla resistiviteten hos kylningsvattnet. I bild 1 visas den preliminära mekaniska layouten av en 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT-brytare. IGBT är monterade på vattenkylta kalla plattor. Icke-metalliska kylningslinjer mellan närliggande kalla plattor är utformade för att hålla full växelvoltspänning när växeln är öppen. Parallella arrayer av dessa installationer används för att möta den totala strömbeloppet för lasten.

 
Bild 1: Preliminär mekanisk layout av en 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT-brytare. IGBT är monterade på vattenkylta kalla plattor

Jämför fördelarna och nackdelarna med halvledarförstärkande strömbrytare jämfört med andra strömbrytare kortfattat: Medan halvledarförstärkande strömbrytare kan uppnå betydligt snabbare avbrottsförmåga jämfört med konventionella elektromekaniska strömbrytare, är en stor nackdel med halvledarförstärkande brytare deras höga ledningsförluster. Med kontaktresistans så liten som några mikroohm introducerar elektromekaniska kontakter i klassiska strömbrytare försumbara ledningsförluster. I kontrast introducerar de flesta halvledardevice en spänningsdroppe av minst två volt, vilket innebär att vid stor ström genom brytaren kan ledningsförlusterna hos en halvledarförstärkande strömbrytare vara betydligt högre än de hos en klassisk strömbrytare. Den ökade energiförlusten leder också till ökade krav på kylning. Traditionellt används stora metalliska kylfläktar för att passivt kyla effekthalvledare, men de kan bidra till betydande delar av systemets totala storlek och vikt. Installation av aktiva kylningsystem som tvingad luft (fläkt) eller vätskekylning kan hjälpa till att minska storleken och vikten av det totala systemet, men de introducerar ytterligare komplexitet såsom ökad ljudsignature, energiförluster och underhållsproblem. Enligt figur 5 ges värdena i relation till det högsta värdet per grupp. För varje kriterium anses små värden vara föredragna. Ett litet område indikerar därför en överlag god prestanda av en växlingskoncept. Baserat på finnandena visar den halvledarförstärkande strömbrytaren en god överlag prestanda. På grund av dess snabba växlingsförmåga är avstängningstiden liten och endast låga strömförluster uppstår. Även tillförlitligheten och komplexiteten i växlingsprocessen kan anses vara god. Men den halvledarförstärkande brytaren lider av höga förluster jämfört med mekaniska eller hybridväxlar. Ett alternativt koncept med låga förluster, medium relativ kostnad och god tillförlitlighet är den mekaniska snubberbrytaren. Även den konventionella hybridbrytaren visar en överlag medellåg prestanda. Den lider av höga toppströmmar på grund av den mekaniska växeln. Koncepten tagits från HVDC-system har inte en god prestanda inom de undersökta spänningarna och effekterna. Men för högre spänningar och effekter kan detta förändras. Slutligen är konceptet med en ren mekanisk växel fortfarande intressant för låg- och låg-medelspänningsapplikationer eftersom det är det enda välbevisade.

Figur 5: Översikt över alla växlingskoncept för DC-strömbrytare

Tabell 1 summerar karaktäristiken för de fyra strömbrytarteknikerna: Det bör noteras att tidpunkten för tabellens framtagning är 2012.

 
Tabell 1: Summering av strömbrytartekniker för lågeffektslikströmsapplikationer