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Soluzione a basso costo e a bassa dispersione di interruttore senza arco in corrente continua per il trasporto ferroviario

I. Panoramica della soluzione
Questa soluzione affronta le esigenze di protezione dei sistemi DC (in particolare per l'alimentazione di trazione del trasporto ferroviario) contro i guasti a cortocircuito, proponendo una soluzione di interruttore a corrente continua basata su una struttura ottimizzata di interruttore meccanico. Realizza l'interruzione senza arco attraverso il controllo della tensione del condensatore, combinando bassi consumi in stato di conduzione e alta affidabilità, rendendola adatta a scenari con operazioni frequenti.

II. Principio centrale
Utilizza una topologia di interruttore meccanico veloce combinata con condensatori pre-caricati e parafulmini:

  1. Operazione in stato stazionario: La corrente fluisce attraverso l'interruttore meccanico (circuito principale), con resistenza in stato di conduzione al livello micro-ohm, risultando in un consumo estremamente basso.
  2. Interruzione del guasto:
    • Rilevato un guasto a cortocircuito, l'interruttore meccanico viene attivato per aprirsi rapidamente.
    • Il modulo del condensatore viene inserito, controllando la tensione sull'interruttore meccanico per mantenerla al di sotto della soglia di accensione dell'arco, consentendo l'interruzione senza arco.
    • La corrente di cortocircuito viene deviata nel circuito parallelo del condensatore e del parafulmine, dove il parafulmine assorbe l'energia e sopprime le sovratensioni.

III. Parametri tecnici

Voce del parametro

Valore/Caratteristica

Tempo di interruzione

<10 ms

Corrente nominale

800A - 5000A (personalizzabile)

Consumo in stato di conduzione

resistenza al livello micro-ohm, valore tipico ≤50 μΩ

Frequenza di operazione

≥200 commutazioni giornaliere

Livello di tensione applicabile

DC 1.5kV/3kV (trasporto ferroviario)

IV. Scenari applicativi
• Sistemi di alimentazione di trazione del trasporto ferroviario: soddisfa i requisiti di commutazione frequente e basso consumo.
• Reti di distribuzione DC urbane: protezione da guasti nei sistemi DC a media e bassa tensione.
• Sistemi di alimentazione DC industriali: applicazioni che richiedono alta affidabilità.

V. Vantaggi e limiti
Vantaggi:

  1. Basso consumo in stato di conduzione: l'interruttore meccanico rimane conduttivo durante l'operazione normale, evitando problemi di riscaldamento dei semiconduttori.
  2. Costo controllato: non è necessario utilizzare dispositivi di commutazione completamente solid-state, rendendolo più economico rispetto agli interruttori ibridi.
  3. Interruzione senza arco: la soppressione attiva dell'arco tramite il controllo della tensione del condensatore prolunga la durata dell'interruttore.

Limiti:

  1. Requisiti di capacità: i moduli di condensatori ad alta tensione sono ingombranti, richiedendo un design ottimizzato in base alla tensione del sistema.
  2. Tempo di trasferimento della corrente: si basa sul consumo di energia del parafulmine, risultando in un trasferimento leggermente più lento della corrente di cortocircuito rispetto alle soluzioni completamente solid-state.
  3. Necessità di manutenzione: i componenti meccanici richiedono manutenzioni periodiche, sebbene meno frequenti rispetto agli interruttori tradizionali.

VI. Raccomandazioni per l'implementazione

  1. Selezione del condensatore: utilizzare gruppi di condensatori paralleli multi-modulo per bilanciare la precisione del controllo della tensione e le limitazioni dimensionali.
  2. Ottimizzazione del comando: dotare di meccanismi di azionamento ad alta velocità (ad esempio, meccanismi di repulsione elettromagnetica) per garantire una risposta di interruzione <2 ms.
  3. Configurazione del parafulmine: selezionare resistori non lineari (MOVs) con capacità di assorbimento di energia calcolata in base alla capacità di cortocircuito del sistema.

VII. Riepilogo
Questa soluzione combina l'innovazione della struttura meccanica con il controllo della tensione del condensatore per ottenere un interruttore a corrente continua a basso costo, basso consumo e interruzione senza arco. È particolarmente adatto a scenari con operazioni ad alta frequenza come il trasporto ferroviario, fornendo un percorso affidabile per la protezione da guasti nei sistemi DC a media e bassa tensione.

09/05/2025
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