Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
On the design of hybrid DC-breakers consisting of a mechanical switch and semiconductor devices
KTH, School of Electrical Engineering (EES), Electromagnetic Engineering.ORCID iD: 0000-0003-3515-3536
2015 (English)Licentiate thesis, monograph (Other academic)
Abstract [en]

The interest of using direct current in networks for both transmission and distribution of power is increasing due to the higher efficiency compared to the alternating current used today. As no natural zero crossings exist in direct current, the interruption of fault currents becomes a challenge. Several circuit breaker topologies have been proposed to fulfill the requirements for DC grids. One such topology is the hybrid DC-breaker consisting of three parallel branches: a mechanical switch, a semiconductor branch, and a metal oxide varistor.

The current interruption in the hybrid DC-breaker is made in three steps. A mechanical switch carries the nominal current with low losses during normal operation. When the breaker is tripped to interrupt the current, the mechanical switch is opened and commutates the current into the semiconductor branch. This branch will then conduct the current as the mechanical switch regains its voltage withstand. The semiconductors turn off and force the current into the varistor branch where the magnetic energy is absorbed and the current is forced to zero.

This thesis is based on simulations and experiments to obtain design rules for such a DC-breaker. It has been shown that several aspects needs to be considered. Simulations are performed with several different models to obtain the requirements of each of the components in the DC-breaker.

First of all, the choice of the semiconductor is important. There are a number of components available in the market, but typically they are optimized for fast switching applications like inverters rather than circuit breaker applications that only requires one single switching. Due to the high current and voltage ratings and the easy control, the IGBT seems to be the best choice among the commercially available components.

Simulations on the mechanical switch show that there is an optimal combination of opening time and arc voltage of the to obtain a successful commutation into the semiconductor branch. The actuator is a key component since a relatively low increase in performance of the actuator drive circuit, significantly decreases the requirement of the other components in the DC-breaker.

A significant part of the work has been put on the voltage transient during the turn-off of the semiconductor. As the current is forced into the varistor branch, the stray inductance in that loop will result in an over-voltage due to the high current derivative. A new type of snubber has been investigated using another varistor mounted close to the semiconductor. It has been shown that the function of the varistor snubber can be divided into two regions depending on the ratio between the snubber and the main varistor. If the ratio is high enough, the energy absorbed in the snubber varistor is only a few percent of the total energy.

Abstract [sv]

Intresset för att använda likström i både transmission och distribution av elkraft har ökat tack vare en högre verkningsgrad och lägre förluster. En begränsande faktor för utbyggnad av likströmsnät är utvecklingen av brytare för likström. Svårigheten att bryta en likström jämfört med växelström är att det saknas en naturlig nollgenomgång där strömmen kan brytas. För att tvinga fram en nollgenomgång kan man använda en hybrid brytare som består av tre parallella grenar: en mekanisk switch, en gren med krafthalvledarkomponenter och en gren med en varistor.

Hybridbrytaren bryter en ström i tre steg. I normalfallet leder den mekaniska kontakten strömmen för att hålla nere de elektriska förlusterna. När strömmen ska brytas öppnas den mekaniska kontakten och strömmen kommuteras över till krafthalvledargrenen. När krafthalvledaren stängs av, trycks strömmen över till den tredje grenen där varistorn begränsar spänningen över brytaren och absorberar den magnetiska energi som finns lagrad i nätet. Strömmen avtar och när systemet är avmagnetiserat når strömmen noll.

Denna avhandling sammanfattar ett arbete att med hjälp av simuleringar och experiment få fram designparametrar för en sådan brytare. Flera simuleringsmodeller har av använts för att få fram designkriterier för de olika komponenterna i hybridbrytaren.

Ett första steg är att välja krafthalvledarkomponent. Dessa komponenter är främst utvecklade för omvandling mellan lik- och växelström där de slås av och på i korta intervall. En brytartillämpning skiljer sig markant från detta eftersom strömmen bara behöver brytas enstaka gånger vilket ändrar kraven på komponenten. Enkelheten i att kontrollera komponenten tillsammans med dess höga ström- och spänningstålighet gör IGBTn till det bästa valet bland de kommersiellt tillgängliga komponenterna.

Simuleringar visar att en optimal design av den mekaniska switchen är en kombination av snabbhet och ljusbågsspänning. En nyckelkomponent är den snabba aktuatorn som driver switchen. En relativt liten förbättring av drivkretsen kan leda till minskade krav och därmed kostnader på övriga komponenter i brytaren.

En stor del av arbetet har lagts på att studera den transienta överspänningen då krafthalvledarkomponenten bryter strömmen. Den höga strömderivatan medför att även små ströinduktanser leder till relativt stora överspänningar som riskerar att skada brytaren. En ny typ av snubberkrets, bestående av en mindre varistor som monteras nära krafthalvledaren, har föreslagits. På detta sätt separeras överspänningsskyddet från absorptionen av den magnetiska energin. Experiment och simuleringar visar att om spänningsförhållandet mellan de två varistorerna är tillräckligt stort absorberas endast ett par procent av energin i snubbern.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2015. , x, 90 p.
Series
TRITA-EE, ISSN 1653-5146 ; 2015:011
Keyword [en]
DC, circuit breaker, hybrid breaker, DC systems
Keyword [sv]
DC, brytare, hybridbrytare, likström
National Category
Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-164524ISBN: 978-91-7595-481-3 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-164524DiVA: diva2:806019
Presentation
2015-05-08, E2, Lindstedsvägen 3, Kungl Tekniska högskolan, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20150420

Available from: 2015-04-20 Created: 2015-04-17 Last updated: 2015-04-20Bibliographically approved

Open Access in DiVA

Licentiate Thesis(2439 kB)641 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 2439 kBChecksum SHA-512
0d4760192f6ecab7db5aef859d796328d14ba1f013c620a27852a03f57d85b462332a644247f878eee7810a97293e7aee1c600e1b586cd2555ef53853b75d155
Type fulltextMimetype application/pdf

Authority records BETA

Magnusson, Jesper

Search in DiVA

By author/editor
Magnusson, Jesper
By organisation
Electromagnetic Engineering
Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 641 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

isbn
urn-nbn

Altmetric score

isbn
urn-nbn
Total: 1182 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf