Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • 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
Studies on Current Commutation in Hybrid DC-breakers
KTH, School of Electrical Engineering (EES), Electromagnetic Engineering.ORCID iD: 0000-0003-3515-3536
2017 (English)Doctoral thesis, monograph (Other academic)
Abstract [en]

Compared to conventional AC-circuit breakers, a DC-breaker has to act fast and force the current down to zero. Many different DC-breaker topologies are available, and this thesis is focused on the hybrid DC-breaker comprising a mechanical switch and high power semiconductors.

The main part of this thesis is focused on the current commutations in the hybrid DC-breaker. The two current commutations: from the mechanical switch to the semiconductor branch, and from the semiconductor to the metal oxide varistor, have completely different characteristics. When the mechanical switch opens, the metallic contacts separate and an electric arc is formed. As the voltage across the arc is higher than the voltage across the semiconductors, the current is pushed over to the semiconductor branch. The undesired stray inductance in the loop limits the current derivative and slows down the commutation. As the contacts keep separating, the arc voltage increases and eventually all current is conducted by the semiconductor and the arc ceases.

For a hybrid DC-breaker, the worst case is a solid ground fault, as the fast rising current results in high current levels and makes the commutation from the mechanical switch to the semiconductor both difficult and slow. However, the fast rise of the current can be used to enhance the commutation by using coupled inductors in the two parallel branches. When the fault current rises in the semiconductor branch, the mutual coupling of the inductors causes the current in the mechanical switch to decrease and helps the commutation. The result is that the commutation time decreases with decreasing fault impedance, and makes the solid ground fault easier to handle.

The commutation from the semiconductor to the metal oxide varistor is controlled by the turn-off of the semiconductor. When the semiconductor is turned off, it pulls the current down to zero with a rather constant current derivative regardless of the surrounding circuit and the system current is taken over by the metal oxide varistor. Hence, any inductance in the commutation loop will result in an over-voltage proportional to this inductance on top of the varistor voltage. By connecting a smaller metal oxide varistor, as a snubber, close to the semiconductor, the over-voltage can be controlled and the commutation from the snubber to the metal oxide varistor will be driven by the voltage difference between the two varistors.

It is shown that for a 12 kV DC-system, a possible design of the mechanical switch in the hybrid DC-breaker comprises two contact gaps in series and opens with a velocity of 11 m/s. It has been experimentally verified that when starting the commutation at 4 kA, the commutation takes less than 700 us and is over before the switch has opened 1 mm.

The thesis also contains proposed designs for an 80 kV DC-breaker that can be used as a modular solution for higher system voltages. For this higher voltage, the design will be a choice of the combination between the number of contact gaps in series and the opening velocity of the mechanical switch.

Abstract [sv]

Till skillnad från konventionella brytare i växelspänningssystem behöver en brytare för likström (DC) reagera fortare och tvinga ner strömmen. Det finns många olika topologier för hur man kan designa en DC-brytare, men denna avhandling fokuserar på en hybridbrytare som består av en mekanisk kontakt och halvledarkomponenter.

Huvuddelen av denna avhandling fokuserar på kommuteringen av strömmar mellan hybridbrytarens grenar. Brytförloppet består av två kommuteringar: från den mekaniska kontakten till halvledarna och från halvledarna till en metalloxidvaristor och dessa två kommuteringar har helt olika karakteristik. När den mekaniska kontakten öppnar bildas en ljusbåde. Eftersom ljusbågsspänningen är högre än spänningsfallet över halvledarna, flyttas strömmen över till halvledargrenen. Den oönskade induktansen som finns i kretsen kommer begränsa kommuteringen och förlänga tiden det tar att flytta strömmen från den mekaniska kontakten till halvledarna. Tack vare att den mekaniska kontakten öppnar med hög hastighet förlängs ljusbågen och ljusbågsspänningen fortsätter att öka tills all ström flyttats över till halvledarna och ljusbågen slocknar.

För hybridbrytaren är ett solitt jordfel det värsta felfallet eftersom den snabbt ökande felströmmen leder till en svårare och mer utdragen kommutering till halvledarna. Den höga strömderivatan kan dock utnyttjas genom att installera två kopplade spolar i serie med den mekaniska kontakten och halvledarna. När strömmen ökar i halvledargrenen skapar den kopplade induktansen en motspänning som leder till en minskad ström genom den mekaniska kontakten och snabbar på kommuteringen. Resultatet är att kommuteringstiden blir kortare ju snabbare felströmmen växer.

Kommuteringen från halvledarna till varistorn styrs av halvledarkomponenternas karakteristik. När halvledaren stänger av tvingas strömmen ner med en näst intill konstant derivata oberoende av komponenterna i kretsen och strömmen tas över av varistorn. Den oönskade induktansen i kretsen kommer då ge upphov till en överspänning proportionell till induktansen som ökar kraven på halvledaren. Genom att installera en liten varistor nära halvledaren kan överspänningen kontrolleras och kommuteringen kommer istället drivas av spänningsskillnaden mellan de två varistorerna.

För ett 12 kV likströmssystem är en möjlig design av den mekaniska kontakten att ha två kontaktgap i serie och en öppningshastighet på 11 m/s. Experiment har verifierat att om kommuteringen startar vid 4 kA tar den midre än 700 us och är avslutad innan kontakten öppnats 1 mm.

Avhandlingen innehåller även förslag på hur en 80 kV brytare kan designas för att användas som en modul i system med högre spänning. I det fallet är designen en avvägning mellan antalet kontakter i serie och öppningshastigheten på kontakten.

Place, publisher, year, edition, pages
KTH Royal Institute of Technology, 2017. , p. 139
Series
TRITA-EE, ISSN 1653-5146 ; 2017:045
Keywords [en]
Commutation, Hybrid DC-breakers
National Category
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Research subject
Electrical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-207465ISBN: 978-91-7729-429-0 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-207465DiVA, id: diva2:1096926
Public defence
2017-06-09, Hörsal E2, Lindstedsvägen 3, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20170519

Available from: 2017-05-19 Created: 2017-05-19 Last updated: 2017-05-19Bibliographically approved

Open Access in DiVA

Jesper Magnusson - Studies on Current Commutation in Hybrid DC-breakers(5675 kB)265 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 5675 kBChecksum SHA-512
277f10f2614eeb1ee1bb4f165b6ff41f1cd74935049da522e2aaaaddb5391b04388e2343dce3a4310428e235ad9df253d72d98fb5bf6856788263b0e0f7c201f
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

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

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 265 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: 531 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • 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