Thiết kế và tương lai của cầu chì bán dẫn điện áp trung bình DC

Edwiin

Trường dữ liệu: Công tắc điện

China

Cách hoạt động của cầu chì rắn trung thế:
Một cầu chì DC rắn sử dụng bán dẫn điện để ngắt dòng điện lỗi. Một cấu trúc đơn giản của cầu chì DC rắn được hiển thị trong Hình 1. Bốn điôt và một IGCT đại diện cho đường dẫn chính, trong khi bộ bảo vệ xung được sử dụng để xả năng lượng từ tính trong trường hợp có lỗi. Khi cầu chì DC được kích hoạt, IGCT sẽ được tắt. Do năng lượng được lưu trữ cảm ứng, điện áp qua các bán dẫn tăng nhanh và bộ bảo vệ xung bắt đầu dẫn dòng. Để xả năng lượng từ tính, điện áp bảo vệ của bộ bảo vệ xung phải cao hơn điện áp lưới định mức. Cũng cần đảm bảo rằng các bán dẫn điện có thể chịu được điện áp bảo vệ của bộ bảo vệ xung. Ưu điểm chính của cầu chì DC rắn là tốc độ ngắt nhanh và không có bộ phận di chuyển. Vì các bán dẫn điện được đặt trên đường dẫn chính, nên có tổn thất trạng thái đóng.

Hình 1: Thiết kế đơn giản của cầu chì trạng thái rắn

Cầu chì trạng thái rắn chỉ dựa vào công tắc trạng thái rắn để mang tải định mức và ngắt dòng. Vì hồ quang điện bị loại bỏ, cần một cơ chế khác để tiêu tán năng lượng lưu trữ trong mạch cảm ứng. Điều này thường được thực hiện thông qua varistor oxit kim loại (MOV) kết nối song song. MOV có đặc tính điện áp/dòng không tuyến tính.
Độ kháng của nó vẫn cao (tương đương với mạch mở) cho đến khi điện áp qua nó đạt đến một giá trị nhất định, khi đó độ kháng giảm cho phép dòng điện đi qua thiết bị. Khi dẫn, MOV cũng giữ điện áp qua nó ở một giá trị cố định.
Loại thiết bị này thường được sử dụng trong các hệ thống điện áp cao như bộ bảo vệ xung và cũng được sử dụng làm thiết bị bảo vệ cho các thành phần nhạy cảm với điện áp.
Hai sơ đồ cầu chì trạng thái rắn hai chiều được hiển thị trong Hình 2. Khi cầu chì đóng, cả hai thiết bị bán dẫn đều được bật, cho phép dòng điện chảy theo cả hai hướng. Trong quá trình ngắt dòng, cả hai thiết bị đều được tắt, buộc điện áp qua các thiết bị tăng lên cho đến khi MOV bắt đầu dẫn và giữ điện áp qua các thiết bị. MOV dẫn giúp tiêu tán năng lượng lưu trữ trong mạch cảm ứng.
Trong Hình 2 (a), IGCT được hiển thị, nhưng GTO cũng đã được sử dụng trong các thiết kế cũ dựa trên cùng một cấu trúc mạch.

Hình 2 a) Cầu chì trạng thái rắn hai chiều đơn giản dựa trên IGCT, (b) Cầu chì trạng thái rắn hai chiều đơn giản dựa trên IGBT

Hình 3 hiển thị một số thiết kế thay thế áp dụng khái niệm này cho các hệ thống trung thế. Trong các hệ thống này, nhiều thiết bị được kết nối串联错误，让我继续翻译剩余的部分：

Hình 3 hiển thị một số thiết kế thay thế áp dụng khái niệm này cho các hệ thống trung thế. Trong các hệ thống này, nhiều thiết bị được kết nối theo chuỗi để tăng khả năng chịu điện áp tổng cộng của cầu chì trạng thái rắn. Các điôt cũng thường được kết nối theo chuỗi với các công tắc chính để cải thiện điện áp chặn ngược của hệ thống, do khả năng chặn ngược hạn chế của các thiết bị hiện có như IGCT và GTO. Mạch được hiển thị trong Hình 3 (c) bao gồm các bộ hãm RC kết nối song song, cần thiết cho các hệ thống dựa trên GTO để hỗ trợ việc tắt các thiết bị, và cũng chứa hai đặc điểm thú vị có thể được áp dụng cho các cầu chì trạng thái rắn khác. Đầu tiên, nó bao gồm một điện trở kết nối song song được sử dụng để giới hạn dòng điện lỗi trong quá trình ngắt dòng. Trong quá trình hoạt động bình thường, điện trở này được ngắn mạch bởi các công tắc bán dẫn chính và do đó không góp phần vào tổn thất trạng thái đóng của cầu chì. Thứ hai, một công tắc cơ khí được kết nối theo chuỗi để cung cấp sự cách ly vật lý.
Trong khi các thiết kế được hiển thị trong phần này chủ yếu được thiết kế cho các hệ thống điện xoay chiều, thì có thể áp dụng các thiết kế này cho các ứng dụng điện một chiều với những thay đổi tối thiểu.

Hình 3: a) Cầu chì trạng thái rắn hai chiều trung thế dựa trên IGCT, (b) Cầu chì trạng thái rắn hai chiều trung thế dựa trên IGCT, (c) Cầu chì trạng thái rắn hai chiều dựa trên GTO

Sơ đồ khối đơn giản của cầu chì trạng thái rắn được hiển thị trong Hình 4. Bộ ngắt dòng trạng thái rắn bao gồm một chuỗi các thiết bị trạng thái rắn để an toàn xử lý điện áp bus DC. Bộ điều khiển thời gian nghịch đảo nhanh cung cấp tín hiệu điều khiển cổng cho các công tắc trong bộ ngắt, đồng bộ mở và đóng. Bộ điều khiển thời gian nghịch đảo nhận lệnh từ đầu vào thủ công, từ các cầu chì khác trong mạng hoặc từ các cảm biến nhanh phát hiện dòng điện lỗi cục bộ. Bộ điều khiển thời gian nghịch đảo cung cấp điều khiển thời gian nghịch đảo cho các trạng thái quá dòng, và ngắt tức thì nếu giới hạn quá dòng được đạt. Các thông số hoạt động này có thể được điều chỉnh cho từng cầu chì tùy thuộc vào vị trí của nó trong mạng, cung cấp phản ứng theo thứ tự, tuần tự đối với các tình huống lỗi.

Hình 4: Sơ đồ hệ thống đơn giản của một cầu chì trạng thái rắn trung thế điển hình

Bộ ngắt dòng trạng thái rắn cung cấp chức năng chính của một cụm cầu chì hoàn chỉnh, bảo vệ lỗi nhanh và cách ly. Cụm cầu chì hoàn chỉnh cũng phải cung cấp phương tiện để an toàn ngắt kết nối bộ ngắt từ mạng điện khi cần bảo dưỡng hoặc sửa chữa.
Một bố cục sơ bộ cho bộ ngắt dòng tải 8 MW được hiển thị trong ảnh 1. Bộ ngắt này
bao gồm sáu IGBT 4,500 V (CM900HB-66H) kết nối theo chuỗi. Bộ ngắt 8 MW có
kích thước khoảng 23 inch rộng x 9 inch cao x 11 inch sâu và nặng khoảng 60 pound. Các IGBT được gắn
trên các tấm lạnh bằng nhôm làm mát bằng nước, sau đó được gắn trên khung cơ khí cách điện.
Các đường ống nước không kim loại đủ kháng để hạn chế dòng điện rò rỉ dọc theo đường ống.
Điều này yêu cầu một hệ thống làm mát vòng kín nhỏ và một hộp trao đổi ion lâu dài để duy trì
độ dẫn điện của nước làm mát.
Ảnh 1 hiển thị bố cục cơ khí sơ bộ của bộ ngắt IGBT 10 kV, 8 MW (800 A). Các IGBT được gắn trên các tấm lạnh làm mát bằng nước. Các đường ống làm mát không kim loại giữa các tấm lạnh liền kề được thiết kế để chịu được điện áp toàn bộ của công tắc khi công tắc mở.
Các mảng song song của các cụm này được sử dụng để đáp ứng yêu cầu dòng điện tổng thể cho tải.

Bố cục cơ khí sơ bộ của bộ ngắt IGBT

Ảnh 1: Bố cục cơ khí sơ bộ của bộ ngắt IGBT 10 kV, 8 MW (800 A). Các IGBT được gắn trên các tấm lạnh làm mát bằng nước

So sánh ưu và nhược điểm của cầu chì trạng thái rắn với các cầu chì khác một cách ngắn gọn:
Trong khi cầu chì trạng thái rắn có thể đạt được tốc độ ngắt nhanh hơn đáng kể so với các cầu chì cơ khí điện truyền thống, một nhược điểm lớn của cầu chì trạng thái rắn là tổn thất trạng thái đóng cao. Với điện trở tiếp xúc nhỏ chỉ vài micro-ohm, các tiếp xúc cơ khí điện trong các cầu chì truyền thống gây ra tổn thất trạng thái đóng rất nhỏ. Ngược lại, hầu hết các thiết bị trạng thái rắn tạo ra một điện áp giọt ít nhất là hai volt, do đó khi dòng điện lớn đi qua cầu chì, tổn thất trạng thái đóng của cầu chì trạng thái rắn có thể cao hơn đáng kể so với các cầu chì truyền thống. Tăng tổn thất năng lượng cũng dẫn đến yêu cầu làm mát tăng. Truyền thống, các tản nhiệt kim loại lớn được sử dụng để làm mát thụ động các thiết bị bán dẫn điện, tuy nhiên, chúng có thể chiếm một phần đáng kể về kích thước và trọng lượng của hệ thống. Mặc dù việc lắp đặt các hệ thống làm mát chủ động như quạt hoặc làm mát bằng chất lỏng có thể giúp giảm kích thước và trọng lượng tổng thể của hệ thống, nhưng chúng cũng gây ra các phức tạp như tăng tiếng ồn, tổn thất năng lượng và vấn đề bảo dưỡng.
Theo Hình 5, các giá trị được đưa ra liên quan đến giá trị cao nhất trong nhóm.
Đối với mỗi tiêu chí, các giá trị nhỏ được coi là tốt hơn. Do đó, một diện tích nhỏ cho thấy hiệu suất tổng thể tốt của một khái niệm chuyển mạch.
Dựa trên các phát hiện, cầu chì trạng thái rắn cho thấy hiệu suất tổng thể tốt. Nhờ khả năng chuyển mạch nhanh, thời gian tắt nhỏ và chỉ có các biên độ dòng điện thấp xảy ra. Ngoài ra, độ tin cậy và độ phức tạp của quá trình chuyển mạch cũng có thể được coi là tốt. Tuy nhiên, cầu chì trạng thái rắn gặp phải tổn thất cao so với các công tắc cơ khí hoặc lai.
Một khái niệm thay thế với tổn thất thấp, chi phí tương đối trung bình và độ tin cậy tốt là cầu chì cơ khí có bộ hãm. Ngoài ra, cầu chì lai truyền thống cũng cho hiệu suất tổng thể trung bình. Nó gặp phải các dòng điện đỉnh cao do công tắc cơ khí. Các khái niệm lấy từ các hệ thống HVDC không có hiệu suất tốt trong phạm vi điện áp và công suất được nghiên cứu. Tuy nhiên, đối với các điện áp và công suất cao hơn, điều này có thể thay đổi. Cuối cùng, khái niệm về cầu chì cơ khí thuần túy vẫn còn thú vị cho các ứng dụng điện áp thấp và trung bình thấp, vì đây là giải pháp duy nhất được chứng minh đầy đủ.

Tổng quan về tất cả các khái niệm chuyển mạch trong các cầu chì DC