Pangunahing disenyo at hinaharap ng Medium Voltage DC Solid-State Circuit Breakers

Paano gumagana ang medium voltage solid-state circuit breaker:
Gumagamit ang isang solid-state DC breaker ng power semiconductors upang interupitin ang fault current. Isang simpleng topolohiya ng solid-state DC breaker ang ipinapakita sa Figure 1. Ang apat na diode at isang IGCT ang nagsisilbing pangunahing conduction path, habang ang surge arrester ay ginagamit para i-discharge ang line inductance kung mayroong fault. Kapag natrip ang DC breaker, itinuturn off ang IGCT. Dahil sa inductively stored energy, tumaas agad ang voltage sa ibabaw ng semiconductors at nagsisimula ang surge arrester na mag-conduct ng current. Upang i-discharge ang line inductance, kailangan mas mataas ang protection voltage ng surge arrester kaysa nominal grid voltage. Kailangan din siguruhin na kayang tanggihan ng power semiconductors ang protection voltage ng surge arrester. Ang pangunahing pagkakamaliwanagan ng solid-state DC breaker ay ang mabilis na interruption speed at ang kakulangan ng mga moving parts. Dahil nasa main conduction path ang power semiconductors, may on-state losses.

Figure 1: Simpleng disenyo ng solid state circuit breaker

Nagpapatugon lamang ang solid-state circuit breakers sa solid-state switch upang dalhin ang nominal load at interupitin ang current. Dahil nawala ang electric arc, kailangan ng ibang mekanismo upang i-dissipate ang stored energy sa circuit inductance. Karaniwang ito ay naitatamo sa pamamagitan ng parallel-connected metal-oxide varistor (MOV). May non-linear voltage/current characteristic ang MOV.
Tataas ang resistance nito (na effectively acting bilang open circuit) hanggang sa maabot ang isang tiyak na value ng voltage sa ibabaw nito, kung saan bumababa ang resistance nito at pinapayagan ang current na mag-conduct sa pamamagitan ng device. Kapag nag-conduct ang MOV, ito rin ang nag-clamp ng voltage sa ibabaw nito sa isang constant value.
Ang uri ng device na ito ay madalas na ginagamit sa high voltage systems bilang surge arrester at ginagamit rin bilang protection device para sa voltage-sensitive components.
Dalawang bi-directional solid-state circuit breaker topologies ang ipinapakita sa Figure 2. Kapag sarado ang breaker, parehong semiconductor devices ang naka-on, pinapayagan ang current na tumakbo sa parehong direksyon. Sa panahon ng current interruption, parehong devices ang naka-off, pilitin ang voltage sa ibabaw ng devices na tumaas hanggang simulan ng MOV na mag-conduct at clamp ang voltage sa ibabaw ng devices. Ang conducting MOV ay gumagamit upang i-dissipate ang energy na naka-store sa circuit inductance.
Bagama't ipinapakita ang IGCTs sa Figure 2 (a), ginagamit din ang GTOs sa mas lumang disenyo batay sa parehong circuit topology.

 
Figure 2   a) IGCT based simple bi-directional solid-state circuit breaker, (b) IGBT based simple bi-directional solid-state circuit breaker

Ipinalalaman ng Figure 3 ang ilang alternative designs na nag-aapply ng konsepto na ito sa medium voltage systems. Sa mga system na ito, konektado sa serye ang maraming devices upang taasan ang total voltage withstand capability ng solid-state breaker. Madalas din konektado sa serye ang mga diode kasama ang main breaking switches upang mapabuti ang reverse block voltage ng system, dahil sa limitadong reverse blocking capability ng existing devices tulad ng IGCT at GTO. Ang circuit na ipinapakita sa Figure 3 (c) ay kasama ang parallel-connected RC snubbers na kailangan para sa GTO-based systems upang matulungan ang turn-off ng devices, at may dalawang interesanteng features na maaaring gamitin sa iba pang solid-state circuit breakers. Una, may parallel-connected resistor na ginagamit upang limitahan ang fault current sa panahon ng current interruption. Sa normal operation, shorted out ang resistor na ito ng main semiconductor switches at hindi nag-contribute sa on-state losses ng breaker. Pangalawa, may mechanical switch na konektado sa serye upang magbigay ng pisikal na isolation.
Bagama't ang mga disenyo na ipinapakita sa seksyon na ito ay pangunahing disenyo para sa ac power systems, posible na i-apply ang mga disenyo na ito sa dc applications sa minimal na modifications.

 
Figure 3: a) IGCT based medium voltage bi-directional solid-state circuit breaker, (b) IGCT based medium voltage bi-directional solid-state circuit breaker, (c) GTO based bidirectional solid-state circuit breaker

Ipinapakita sa Figure 4 ang simplified block diagram ng solid-state circuit breaker. Ang solid-state current interrupter ay binubuo ng series string ng solid-state devices upang ligtas na hawakan ang DC bus voltage. Ang fast coordinated inverse-time controller ay nagbibigay ng gate drive signal para sa mga switches sa interrupter na synchronously open at close. Ang fast inverse time controller ay tumatanggap ng commands mula sa manual input, mula sa iba pang breakers sa network, o mula sa fast sensors na nagdedetect ng local fault currents. Nagbibigay ang inverse-time controller ng inverse trip time control para sa overcurrent states, at fast instantaneous trip kung maabot ang overcurrent limit. Maaaring i-adjust ang mga operational parameters na ito para sa bawat breaker depende sa lokasyon nito sa network, nagbibigay ng orderly, sequenced response sa fault conditions.

 
Figure 4: Simplified system diagram of a typical MVDC solid-state circuit breaker

Ang solid-state interrupter ay nagbibigay ng primary functionality ng isang complete circuit breaker assembly na mabilis na fault protection at isolation. Ang complete circuit breaker assembly ay kailangan din magbigay ng paraan upang ligtas na i-disconnect ang interrupter mula sa power network kapag kailangan ng maintenance o serbisyo.
Ipinapakita sa photo 1 ang preliminary layout para sa 8 MW load-level circuit interrupter. Ang interrupter na ito
binubuo ng anim na 4,500 V IGBTs (CM900HB-66H) na konektado sa serye. Ang 8 MW interrupter ay
humigit-kumulang 23” wide x 9” high  11” deep at may timbang na humigit-kumulang 60 lb. Ang IGBTs ay mounted
sa water-cooled aluminum cold plates, na sa kanilang bahagi ay mounted sa isang electrically insulating mechanical
frame. Sapat na resistive ang non-metallic water lines upang limitahan ang current leakage down the lines.
Kailangan ng small, closed-loop cooling system at long-lasting ion-exchange cartridge upang panatilihin
ang resistivity ng cooling water.
Kailangan ng small, closed-loop cooling system at long-lasting ion-exchange cartridge upang panatilihin ang resistivity ng cooling water.
Sa photo 1 ipinapakita ang preliminary mechanical layout ng 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT interrupter. Ang IGBTs ay mounted sa water-cooled cold plates. Non-metallic cooling lines sa pagitan ng adjacent cold plates ay designed upang stand off ang full switch voltage kapag bukas ang switch.
Parallel arrays ng mga assemblies na ito ang ginagamit upang tugunan ang overall current requirements para sa load.

 
Photo 1: Preliminary mechanical layout of a 10 kV, 8 MW (800 A) IGBT interrupter. The IGBTs are mounted on water-cooled cold plates

Ipaglaban ang mga advantages at disadvantages ng Solid-State Circuit breakers sa iba pang circuit breakers ng maikli:
Bagama't maaari ng solid-state circuit breakers na makamit ang substantially faster interruption speed kumpara sa conventional electro-mechanical-based circuit breakers, isa sa pangunahing drawback ng solid-state breakers ay ang kanilang mataas na on-state losses. May contact resistance na maliit na ilang micro-ohms, ang electro-mechanical contacts sa classical circuit breakers ay nag-iintroduce ng negligible on-state losses. Sa kabilang banda, karamihan sa solid-state devices ay nag-iintroduce ng voltage drop ng hindi bababa sa dalawang volts, kaya kapag malaking current ang tumatakbong sa breaker, ang on-state losses ng solid-state circuit
breaker ay maaaring significantly higher kaysa sa classical circuit breaker. Ang pagtaas ng energy loss ay nagdudulot rin ng pagtaas ng requirements para sa cooling. Tradisyonal na ginagamit ang large metallic heatsinks upang passively coolin ang power semiconductor devices, ngunit, ito ay maaaring mag-ambag sa substantial portions ng sistema's overall size at weight. Habang ang installation ng active cooling systems tulad ng forced air (fan) o liquid cooling ay maaaring makatulong upang bawasan ang size at weight ng overall system, ito ay nag-iintroduce ng additional complexities tulad ng increased acoustic signature, energy losses, at maintenance issues.
Ayon sa figure 5, ang mga values ay ibinibigay sa relasyon sa pinakamataas na value per group.
Para sa bawat criterion, ang maliit na values ang itinuturing na preferable. Ang maliit na area, kaya, ay nagpapahiwatig ng overall good performance ng isang switching concept.
Batay sa mga findings, ang solid-state circuit-breaker ay nagpapakita ng good overall performance. Dahil sa mabilis na switching capabilities nito, ang turn-off time ay maliit at mababang current amplitudes lang ang nangyayari. Pati na rin, ang reliability at complexity ng switching process ay maaaring ituring na mabuti. Gayunpaman, ang solid-state breaker ay nakakaranas ng mataas na losses, kumpara sa mechanical o hybrid switches.
Isang alternative concept na may mababang losses, medium relative costs, at good reliability ay ang snubber mechanical breaker. Pati na rin, ang conventional hybrid breaker ay nagpapakita ng overall medium performance. Nakakaranas ito ng mataas na peak currents dahil sa mechanical switch. Ang mga concepts na kinuha mula sa HVDC systems ay hindi maganda ang performance sa voltage at power levels na iniimbestigahan. Gayunpaman, para sa mas mataas na voltages at powers, maaaring magbago ito. Sa huli, ang concept ng pure mechanical-breaker ay patuloy na interesante para sa low at low-medium voltage applications dahil ito ang tanging well-proven one.

Figure 5: Overview of all switching concepts for DC circuit breakers

Nagsasama ang Table 1 ng mga characteristics ng apat na circuit breaker technologies:
Dapat tandaan na ang oras ng preparation ng table na ito ay 2012.

 
Table 1: Summary of circuit breakers technologies for low power DC applications