Solid-state circuit breaker electrical and thermal modeling

Abstract

O interesse de usar corrente contínua (CC), tanto para transmissão, quanto para distribuição de energia, está crescendo devido as suas vantagens quando comparada com a corrente alternada (CA). Dentre várias diferenças entre os dois sistemas, o esquema típico de proteção usado em sistemas CA não se aplica em sistemas CC. Portanto, os disjuntores CC devem apresentar características particulares para lidar com as desafios destes sistemas. Devido a não existência da passagem natural por zero em redes CC, a interrupção da falta é um desafio. Os disjuntores em sistemas CC precisam fornecer uma contra tensão para eliminar uma falta, e ao mesmo tempo, absorver e/ou dissipar a energia remanescente do sistema. Portanto, entender os comportamentos elétrico e térmico é necessário para desenvolver um projeto apropriado. Muitas topologias de disjuntores foram propostas para preencher os requisitos para redes CC. Uma dessas topologias é o disjuntor de estado sólido (DES), constituído de três ramos em paralelo: um ramo de semicondutor, um ramo limitador de transiente e um ramo absorvedor de energia. Devido a sua importância, os componentes do DES são projetados para lidar com qualquer falta no sistema. Dessa forma, a inclusão das dinâmicas dos sistemas fornece informações importantes sobre o comportamento do DES. Nesse contexto, essa dissertação estuda os comportamentos elétrico e térmico dos disjuntores de estado sólido, incluindo a dinâmica do sistema. Diferentemente das soluções encontradas na literatura, a inclusão dos modelos dinâmicos traz informações essenciais para o projeto dos equipamentos, que são mostrados aqui. Todos os três ramos são abordados, explorados e explicados, focando em aplicações de disjuntores. Este modelo garante um melhor projeto dos componentes e maior confiabilidade na previsão da vida útil. Esse trabalho ainda inclui simulações e experimentos práticos de uma falta em cabos submarinos, para um sistema CC de média tensão em pequena escala desenvolvido no Instituto de Eletrônica de Potência da UFSC.

Abstract: To both transmission and distribution of power, the interest in using direct current (dc) in networks is increasing due to its higher efficiency compared to the alternating current (ac). Along with several differences between both systems, the typical protection scheme used for ac systems does not apply to dc systems. Therefore, the dc circuit breakers must have particular features to deal with the dc challenges. As no natural zero-crossings exist in dc, the interruption of fault currents becomes a challenge. The circuit breaker in the dc system must provide a counter-acting voltage to eliminate such faults, and, at the same time, absorb or dissipate the remaining system energy. Thus, understand the electrical and thermal behaviors is crucial to appropriate design and development. Several circuit breakers topologies have been proposed to fulfill the requirements for dc grids. One such topology is the solid-state circuit breaker (SSCB), composed of three parallel branches: a semiconductor branch, a transient limiter branch, and an energyabsorbing branch. Due to its importance, the SSCB devices are designed to deal with any system fault. Thus, the inclusion of system dynamics provides essential information regards the SSCB dynamics. In this context, this Master?s Thesis investigated the solid-state circuit breaker electrical and thermal behaviors, including the system dynamics. Unlike other literature reports, the inclusion of the system dynamics brings essential information to the components design requirements, as demonstrated here. All three branches are analyzed, explored, and explained, focusing on circuit breaker applications. This modeling process can guarantee better components design and a more reliable life prediction for the protection devices. This work also includes simulations and practical experiments of a fault test in a downscaled sub-sea medium voltage dc system developed at the Power Electronics Institute/UFSC.