Keskijännitekatkaisija tasavirralle

Yhdysvaltain energiaministeriön Oak Ridge laboratorion tutkijat rikkovat teknisiä esteitä nopeammilla katkaisijoilla, jotka mahdollistavat ja suojaavat nykyaikaista sähkönjakeluverkkoa.

”Tasavirralle tarkoitettujen keskijännitekatkaisijoiden puute on ollut este sähkön jakelun joustavuudelle”, sanoo johtava tutkija Prasad Kandula.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi ORNL:n tutkijat suunnittelevat ja skaalaavat uudentyyppisen puolijohdepohjaisen katkaisijan kapasiteettia, joka voi toimia sata kertaa nopeammin kuin mekaaniset katkaisijat.

Tasavirtajärjestelmät voivat tarjota edullisempaa sähköä energiaintensiivisille talouden kehityshankkeille, kuten tekoälytietokeskuksille. Tasavirtaan vaikuttaa sähkölinjoissa pienempi resistanssi ja häviöitä vältetään myös sillä, että virtaa ei tarvitse muuntaa tasavirtapohjaisen tehoelektroniikan ja vaihtovirtapohjaisen verkon välillä.

Keskijännitekatkaisijat ovat ratkaisevan tärkeitä tasavirran jakelun toteuttamisessa. Tasavirtajärjestelmät perustuvat nopeaan tehoelektroniikkaan, joka vaatii yhtä nopeaa suojausta. Puolijohteet tarjoavat sekä nopeutta että parempaa turvallisuutta tasavirtajärjestelmille.

Perinteiset mekaaniset katkaisijat perustuvat fyysiseen rakoon, joka on vähemmän tehokas pysäyttämään tasavirtaa, joka pystyy kipinöimään räjähdysenergian valokaarena raon yli. Valokaaren välttämiseksi virta voidaan sen sijaan reitittää pois puolijohdepiirin kautta, mikä vähentää merkittävästi turvallisuusriskejä ja maastopaloriskejä.

Tähän asti puolijohdekatkaisijat ovat olleet liian kalliita kilpaillakseen taloudellisesti mekaanisten katkaisijoiden kanssa vaihtovirrassa tai helpottaakseen tasavirtaverkkojen laajempaa käyttöä. Mikään kaupallinen katkaisija ei pysty käsittelemään yli 2 000 voltin tasavirtaa, ja useimmat eivät pysty saavuttamaan puoliakaan siitä.

Kandula ja hänen tiiminsä pyrkivät löytämään kustannustehokkaan ratkaisun tämän suorituskykykuilun täyttämiseksi. He keskittyivät vanhempaan, alan hyväksymään puolijohteeseen eli tyristoriin. "Valitsimme perusteknologian, joka oli kestävä, tehokas ja edullinen", Kandula sanoi. Tyristorit ovat riittävän edullisia tehdäkseen puolijohdepohjaisista kytkimistä ensimmäistä kertaa kilpailukykyisiä.

Tyristoreita ei voida suoraan "kytkeä" pois päältä, joten tiimin piti myös suunnitella ulkoinen piiri virran pienentämiseksi.

ORNL:n Grid Research Innovation and Development Centerissä insinöörit rakensivat ja testasivat katkaisijan prototyypin, joka katkaisi 1 400 voltin virran alle 50 mikrosekunnissa – neljästä kuuteen kertaa nopeammin kuin tyristoreilla oli aiemmin osoitettu.

ORNL:n tutkijat suunnittelivat ratkaisuja ja testasivat katkaisijoita sarjakytkennässä testauskapasiteetti ollessa jopa 1 800 volttia. He työskentelevät jo sarjan laajentamiseksi, jotta se lopulta skaalautuisi 10 000 volttiin, ennakoiden tulevaisuuden tasavirtaverkkojen suurempia energiantarpeita.

Aiheesta aiemmin:

Musta laatikko sähkönjakeluverkon toiminnan mallintamiseen

Inverttereiden roolista tulevaisuuden sähköverkossa

Joustava ja tehokas DC-muunnin kestävän energian mikroverkkoihin