Проектування та майбутнє статичних керуючих пристроїв постійного струму середнього напруги

Як працює статичний випрямлення середнього напруги:
Статичний DC-вимикач використовує силові напівпровідникові прилади для переривання току виняткової ситуації. Проста топологія статичного DC-вимикача показана на рис. 1. Чотири діоди та IGCT представляють основний шлях провідності, а захисний пристрій використовується для розрядки індуктивної енергії лінії у разі аварії. Коли DC-вимикач трипсує, IGCT вимикається. Через збережену індуктивну енергію, напруга на напівпровідниках швидко зростає, і захисний пристрій починає проводити струм. Для розрядки індуктивної енергії лінії, захисна напруга захисного пристрою повинна бути вище номінальної напруги мережі. Також необхідно забезпечити, щоб силові напівпровідникові прилади могли витримати захисну напругу захисного пристрою. Основна перевага статичного DC-вимикача полягає у його швидкому перериванні та відсутності рухомих частин. Оскільки силові напівпровідникові прилади розташовані в основному шляху провідності, відбуваються втрати в режимі провідності.

Рисунок 1: Простий дизайн статичного вимикача

Статичні вимикачі спираються лише на статичний ключ для проведення номінального завантаження та переривання струму. Оскільки електрична дуга виключена, потрібен інший механізм для розрядки збереженої енергії в індуктивності цепи. Це часто досягається за допомогою паралельно підключених металооксидних варисторів (MOV). MOV має нелінійну характеристику напруга-струм.
Його опір залишається високим (фактично діє як відкрите коло) до тих пір, поки напруга на ньому не досягне певного значення, де його опір знижується, дозволяючи струм проходити через пристрій. Проводячи, MOV також обмежує напругу на ньому на постійному рівні.
Цей тип пристрою часто використовується в системах високої напруги як захисний пристрій від нагнітання та також як пристрій захисту для компонентів, чутливих до напруги.
Дві двобічні топології статичного вимикача показані на рис. 2. Коли вимикач замкнуто, обидва напівпровідникові прилади увімкнені, дозволяючи струму протікати в обох напрямках. Під час переривання струму обидва прилади вимикаються, примушуючи напругу на них зростати до тих пір, поки MOV не почне проводити струм і обмежувати напругу на них. Проводячи, MOV діє для розрядки енергії, збереженої в індуктивності цепи.
Хоча на рис. 2 (a) показані IGCT, GTO також використовувалися в старих конструкціях на основі тієї ж топології цепи.

 
Рисунок 2   а) Простий двобічний статичний вимикач на основі IGCT, (b) Простий двобічний статичний вимикач на основі IGBT

Рисунок 3 показує ряд альтернативних конструкцій, які застосовують цю концепцію до систем середньої напруги. У цих системах кілька пристроїв з'єднуються послідовно для збільшення загальної витривалості напруги статичного вимикача. Діоди також часто з'єднуються послідовно з основними вимикачами для покращення оберненої блокувальної напруги системи, оскільки відомі пристрої, такі як IGCT та GTO, мають обмежену обернену блокувальну здатність. На рис. 3 (c) показано паралельно підключені RC гасники, які необхідні для систем на основі GTO, щоб допомогти вимкненню пристроїв, і містять два цікаві елементи, які можуть бути застосовані до інших статичних вимикачів. По-перше, включає паралельно підключений резистор, який використовується для обмеження току виняткової ситуації під час переривання струму. В нормальних умовах цей резистор короткозамкнений основними напівпровідниковими вимикачами і тому не вносить вкладу в втрати в режимі провідності вимикача. По-друге, серійно підключений механічний вимикач забезпечує фізичну ізоляцію.
Хоча конструкції, показані в цьому розділі, спроектовані переважно для систем живлення AC, повинно бути можливим застосувати ці конструкції до DC-застосувань з мінімальними модифікаціями.

 
Рисунок 3: а) Статичний вимикач середньої напруги на основі IGCT, (b) Статичний вимикач середньої напруги на основі IGCT, (c) Двобічний статичний вимикач на основі GTO

Спрощена блок-схема статичного вимикача показана на рис. 4. Статичний вимикач струму складається з рядової стрічки статичних пристроїв для безпечного оброблення напруги DC-шины. Швидкий координований контролер з оберненим часом надає сигнал управління затворами для вимикачів, які синхронно відкриваються та закриваються. Контролер з оберненим часом отримує команди або від ручного вводу, від інших вимикачів в мережі, або від швидких датчиків, які виявляють місцеві токи виняткової ситуації. Контролер з оберненим часом забезпечує контроль оберненого часу відключення для станів перевищення струму та швидке моментальне відключення, якщо досягнуто ліміту перевищення струму. Ці параметри роботи можна налаштовувати для кожного вимикача в залежності від його розташування в мережі, забезпечуючи послідовну, секвенційну відповідь на аварійні ситуації.

 
Рисунок 4: Спрощена системна діаграма типового статичного вимикача середньої напруги MVDC

Статичний вимикач забезпечує основну функціональність повного вимикача — швидкий захист від аварій та ізоляцію. Повний вимикач також повинен забезпечувати можливість безпечного відключення вимикача від мережі живлення, коли потрібне обслуговування або ремонт.
Попередній макет вимикача рівня завантаження 8 МВ показаний на фото 1. Цей вимикач
складається з шести IGBT (CM900HB-66H) напругою 4,500 В, з'єднаних послідовно. Вимикач 8 МВ
має ширину приблизно 23 дюйми, висоту 9 дюймів, глибину 11 дюймів і важить приблизно 60 фунтів. IGBT монтується
на водно-охолоджуваних алюмінієвих холодильних платах, які, в свою чергу, монтується на електрично ізоляційній механічній
рамі. Неметалеві водяні лінії достатньо опорні, щоб обмежити ток втечі по лініях.
Це потребує невеликої замкненої системи охолодження та довгострокового іонного обмінного картриджа для підтримки
опорності охолоджувальної води.
На фото 1 показано попередній механічний макет вимикача IGBT напругою 10 кВ, потужністю 8 МВ (800 А). IGBT монтується на водно-охолоджуваних холодильних платах. Неметалеві охолоджувальні лінії між суміжними холодильними платами спроектовані для витримання повної напруги вимикача, коли вимикач відкритий.
Паралельні масиви таких агрегатів використовуються для задоволення загальних вимог до струму для завантаження.

 
Фото 1: Попередній механічний макет вимикача IGBT напругою 10 кВ, потужністю 8 МВ (800 А). IGBT монтується на водно-охолоджуваних холодильних платах

Порівняйте переваги та недоліки статичних вимикачів з іншими вимикачами коротко:
Хоча статичні вимикачі можуть досягати значно швидшої швидкості переривання порівняно з традиційними електромеханічними вимикачами, одним з головних недоліків статичних вимикачів є їх високі втрати в режимі провідності. З контактним опором, який становить лише кілька мікроом, електромеханічні контакти в класичних вимикачах вносять незначні втрати в режимі провідності. Наприкінці, більшість статичних пристроїв вводять напруговий спад не менше двох вольт, тому, коли великий струм проходить через вимикач, втрати в режимі провідності статичного вимикача можуть бути значно вищими, ніж у класичного вимикача. Збільшені втрати енергії також призводять до збільшення вимог до охолодження. Традиційно для пасивного охолодження силових напівпровідникових пристроїв використовуються великі металеві радіатори, але вони можуть вносити значний внесок у загальні розміри та вагу системи. Хоча встановлення активних систем охолодження, таких як принудове повітряне (вентилятор) або рідкове охолодження, може допомогти зменшити розміри та вагу загальної системи, вони вносять додаткові складності, такі як збільшений акустичний сигнал, втрати енергії та проблеми з обслуговуванням.
Згідно з рис. 5, значення подані відносно найвищого значення в групі.
Для кожного критерію малі значення вважаються бажаними. Мала площа, отже, вказує на загальноприйнятну продуктивність концепції комутації.
На підставі знайдених даних, статичний вимикач показує хорошу загальну продуктивність. Благодіяючи своїм швидким можливостям комутації, час вимкнення невеликий, і відбуваються лише невеликі амплітуди струму. Також надійність та складність процесу комутації можна вважати хорошими. Однак, статичний вимикач страждає від високих втрат порівняно з механічними або гібридними вимикачами.
Альтернативна концепція з низькими втратами, середніми відносними витратами та хорошою надійністю — це вимикач з механічним гасником. Також традиційний гібридний вимикач показує загальну середню продуктивність. Він страждає від високих пикових струмів через механічний вимикач. Концепції, взяті з систем HVDC, не мають добреї продуктивності в досліджуваних рівнях напруги та потужності. Однак, для вищих напруг та потужностей це може змінитися. Нарешті, концепція чисто механічного вимикача все ще цікава для застосувань з низькою та середньою напругою, оскільки це єдиний добре доведений варіант.

Рисунок 5: Огляд всіх концепцій комутації для DC-вимикачів

Таблиця 1 підсумовує характеристики чотирьох технологій вимикачів:
Варто зазначити, що ця таблиця була підготовлена в 2012 році.

 
Таблиця 1: Підсумок технологій вимикачів для застосувань з низькою потужністю DC