Zorgen voor veiligheid en betrouwbaarheid van DC-systemen
Door Anju Upadhyay
Deze blogpost van Anju Upadhyay biedt een uitgebreid overzicht van de uitdagingen en ontwikkelingen in zonebeveiliging binnen gesloten DC-bus- en ringsystemen, met de nadruk op de cruciale rol van solid-state DC breakers bij het verbeteren van de betrouwbaarheid en efficiëntie van het systeem.
De adoptie van gelijkstroom (DC)-voedingssystemen heeft aan kracht gewonnen in verschillende toepassingen, waaronder boordnetwerken en microgrids. In tegenstelling tot traditionele wisselstroom (AC)-systemen bieden DC-systemen meer flexibiliteit, verbeterde vermogensdichtheid en naadloze integratie met energieopslagsystemen (ESS). De overgang naar DC brengt echter nieuwe uitdagingen met zich mee, met name op het gebied van systeembeveiliging en foutcoördinatie.
Solid-state DC breakers spelen een cruciale rol bij het waarborgen van de veiligheid en betrouwbaarheid van DC-systemen, met name in gesloten bus-, multi-bus- of ringconfiguraties. Deze breakers bieden ultrasnelle foutonderbreking, wat efficiënte foutisolatie en systeemherstel mogelijk maakt. Hun inzet in ringnetwerken brengt echter unieke uitdagingen met zich mee vanwege de complexiteit van de foutstroom en de behoefte aan nauwkeurige coördinatiemechanismen. In deze blogpost worden deze uitdagingen en de voordelen van solid-state DC breaker technologie in moderne DC-beveiligingstopologieën onderzocht.
Uitdagingen bij het beschermen van gesloten bus multi bus of ringsystemen
Complexiteit van foutstroom
In tegenstelling tot AC-systemen, waar foutstromen van nature worden beperkt door inductie en zero-crossing-gebeurtenissen, ervaren DC-systemen continue foutstromen. In gesloten multi-bus of ringtopologieën kunnen foutstromen uit meerdere richtingen stromen, wat het proces van selectieve foutisolatie compliceert. De verhoogde foutniveaus kunnen leiden tot over-tripping of under-tripping van beveiligingsapparaten, wat de stabiliteit van het systeem in gevaar brengt.
Problemen met de coördinatie van de beveiliging
Traditionele AC-beveiligingsschema’s vertrouwen op sequentiële coördinatie van stroomonderbrekers op basis van vooraf bepaalde tripniveaus. In een DC-ringsysteem kan de stroom echter bidirectioneel stromen, waardoor conventionele beveiligingsmethoden ineffectief worden. Het instellen van tripdrempels op een stapsgewijze manier werkt niet in deze configuraties, waardoor het gebruik van alternatieve benaderingen zoals communicatiegebaseerde coördinatie en geavanceerde triplogica noodzakelijk is.
Behoefte aan snelle foutisolatie
In onderling verbonden DC-netwerken moet foutisolatie binnen microseconden plaatsvinden om uitgebreide systeemstoringen te voorkomen. Solid-state DC breakers, met hun vermogen om stromen bijna onmiddellijk te onderbreken, verbeteren de betrouwbaarheid van het systeem aanzienlijk. Het garanderen van selectieve coördinatie tussen meerdere solid-state DC breakers en het vermijden van hinderlijke uitschakelingen blijven echter kritieke zorgen.
Voordelen van het toepassen van solid-state DC breakers in multi-bus- en ringsystemen
Ultrasnelle storingsonderbreking
Solid-state DC breakers kunnen DC-storingen binnen microseconden onderbreken, waardoor het risico op langdurige storingen die het systeem kunnen destabiliseren, wordt geminimaliseerd. Deze snelle responstijd verbetert de algehele veerkracht van het systeem en ondersteunt de overgang naar onderling verbonden gesloten-busconfiguraties.
Verbeterde selectiviteit door communicatiegebaseerde oplossingen
Om de uitdagingen van selectiviteit aan te pakken, bevatten solid-state DC breakers communicatiemechanismen tussen de onderbrekers. Optische communicatieverbindingen maken directionele storingsdetectie mogelijk, waardoor de breakers trippingacties effectief kunnen coördineren. Functies zoals forward tripping en reverse blocking-logica zorgen ervoor dat alleen het getroffen deel van het netwerk wordt geïsoleerd, waardoor de integriteit van het systeem behouden blijft.
Verbeterde energie-efficiëntie en storingsbeheer
Het integreren van solid-state DC breakers in multi-busconfiguraties verbetert de energie-efficiëntie door verliezen te verminderen die gepaard gaan met traditionele stroomonderbrekers en zekeringen. In tegenstelling tot zekeringen, die werken volgens het smeltprincipe en niet programmeerbaar zijn, kunnen solid-state DC breakers dynamisch worden geconfigureerd om verschillende foutniveaus te detecteren en hierop te reageren. Zo wordt onnodige degradatie van beschermende elementen voorkomen.
Systeemontwerp en implementatie
Concept van noodmoduswerking
Om betrouwbaar foutbeheer te garanderen, hebben solid-state DC breakers een noodmodusfunctie. Deze operationele status maakt gecontroleerde foutafhandeling mogelijk door nood-uitschakelniveaus voorrang te geven boven standaard-uitschakelinstellingen. Wanneer er een fout optreedt, communiceren aangrenzende solid-state DC breakers via optische verbindingen om de noodmodus-activering te propageren, wat zorgt voor gesynchroniseerde foutisolatie in het netwerk.
Concept van noodmoduswerking
Om betrouwbaar foutbeheer te garanderen, hebben solid-state DC breakers een noodmodusfunctie. Deze operationele status maakt gecontroleerde foutafhandeling mogelijk door nooduitschakelniveaus voorrang te geven boven standaarduitschakelinstellingen. Wanneer er een fout optreedt, communiceren aangrenzende solid-state DC breakers via optische verbindingen om de noodmodusactivering te propageren, wat zorgt voor gesynchroniseerde foutisolatie in het hele netwerk.
Architectuur en verificatie
In een testopstelling met een Astrol 1,5 kV, 3 kA solid-state DC breaker werd een noodmodusevaluatie uitgevoerd om de prestaties ervan te valideren. De resultaten toonden aan dat solid-state DC breakers effectief selectiviteit behouden bij het verwerken van hoge foutstromen. Het vermogen om dynamisch te schakelen tussen normale en nooduitschakelniveaus zorgt ervoor dat de stabiliteit van het systeem behouden blijft, zelfs onder ernstige foutomstandigheden.
Timing en controle van de noodmodus
De duur van de noodmodusactivering is cruciaal om onnodige systeembrede uitschakelingen te voorkomen. Door solid-state DC breakers te programmeren om de noodmodus gedurende een vooraf bepaalde duur (bijvoorbeeld 10 milliseconden) te handhaven, kunnen tijdelijke storingen worden onderscheiden van permanente storingen, wat de betrouwbaarheid van het systeem verder verbetert.
Conclusie
De integratie van solid-state DC breakers in gesloten multi-bus- en ringgebaseerde DC-netwerken biedt een revolutionaire benadering van systeembeveiliging. Hun ultrasnelle foutisolatiemogelijkheden, gekoppeld aan geavanceerde communicatiegebaseerde coördinatie, maken selectiviteit en efficiënt foutbeheer mogelijk. Naarmate DC-netten zich blijven ontwikkelen, zal solid-state DC breaker technologie een cruciale rol spelen bij het garanderen van naadloze bescherming en operationele flexibiliteit.
Door de complexiteit van bidirectionele foutstromen aan te pakken, coördinatiemechanismen te optimaliseren en snelle foutonderbreking te benutten, banen solid-state DC breakers de weg voor de toekomst van onderling verbonden DC-netten en efficiënte DC-voedingssystemen.
