重磅｜ABB固态断路器，未来配电无限可能

土豆王

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SACE INFINITUS 为未来配电带来无限可能
SACE Infinitus 是一款经认证的高端一体化解决方案，为当前和未来的直流电网带来了新的保护途径。该产品内置电力电子、机械、冷却、控制、传感以及通讯等部件和功能，将低压故障保护和隔离能力提升到了新高度。
直流电力解决方案可实现各种负载的电气化，从而推进可再生能源的并网。
随着电气化转型的全面展开以及继续扩展，迈向碳中和的工作也如火如荼地进行着。直流电力解决方案预计将在配电系统中，尤其是低压 (LV) 系统中扮演日益重要的角色。与交流电力解决方案相比，直流电力解决方案的效率更高，直流电力解决方案可实现各种负载的电气化，包括运输、工业自动化、供暖等，这将有力推进可再生能源的并网以及电网储能部署[1]。
DC 技术在众多应用中都能够带来经济效益，因此发展潜力巨大，这尤其得益于直流连接储能技术所带来的效率提升和能源成本缩减等优势。因为其效率优势，直流应用解决方案在海运行业得到越来越广泛的应用01。但是，仍然面临一些重大障碍：如何确保充分的故障保护和隔离。
这些主要挑战均源于大功率密集直流应用与附加大功率直连储能组合的低电感性。如果发生短路，由于低电感性（并且低电阻率），故障电流上升时间要远比交流应用中的短：只有几微秒甚至更短，这对于常见断路器来说是一个艰巨挑战。为限制并消除故障电流，设备必须快速建立至少能够与系统标称工作电压相匹配的反电压。配备机电断路器的现有直流电和交流电系统均采用电弧猝熄机构，通过熄弧
沟分离、冷却和消散所产生的电弧能量。尽管对于大部分应用来说，这是一种适当的断流方法，但该方法需要数十毫秒才能清除故障，对于新兴直流电应用来说太过缓慢。
与此相反，固态断路器 (SSCB) 依赖微秒级快速功率半导体器件来实现所需的开路断开，并且能够实现超快且安全的断流，适用于上述直流电应用中的快速上升电流[2-3]。
ABB 希望赋能未来直流电力系统，为可持续能源转型铺平道路，因此开发了一款独特的固态断路器 — SACE Infinitus。这是一款高端一体化产品，能够解决故障保护 和隔离问题[1]。
RB-IGCT — 出奇制胜的解决方案
一直以来，与传统断路器相比，采用固态断路器所面临的一大障碍是其通态损耗更高（由于电流传导和电阻耗散），这是因为与机电断路器内部触点的较小电阻相比， 功率半导体产生的电压降较大。更高的损耗不仅会影响效率，还会带来另一个缺点，即需要清除散热；即便是高效散热系统，也会造成不必要的尺寸、复杂度和成本增加[3]。
绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 技术能够实现快速通断，因此在切换方面十分高效，且易于控制；IGBT 是当前最先进的转换器类型。然而，它们在断路器应用中会产生较高的通态损耗，这对于标称电流较高的应用来说是一大挑战。
早在 1996 年，ABB 就推出了用于中压电力转换器的集成门极换流晶闸管 (IGCT)[4]。IGCT 集成有一个低电感栅极驱动器和一个完全可控栅极，使得这种半导体器件能够像晶闸管一样以极低损耗传导电流，并且像 IGBT 或晶体管[3-6]一样快速通断，构成了固态断路器的良好基础。

如何保证充分故障保护和隔离是海事领域直流电力应用所面临的一大障碍。
在此基础上，SACE Infinitus 更进一步，它采用一种特殊反向阻断 IGCT (RB-IGCT)，将晶闸管和二极管串联，能够提供同一硅晶片内的反向电流保护。这种晶片级集成促成了同类产品中最佳的低通态电压降。另外，还采用一个反并联 RB-IGCT 来实现双向电流的
传导和切断02[6]。结果，与同类 IGBT 传导相比，功率损耗降低了 70%03[7]。因此，ABB IGCT 解决方案在1 kA/1 kV 工况下的效率达到 99.9%，与 IGBT 型解决方案的 99.5% 相比更优03[6]。这意味着功率损耗以及相关碳足迹降低 70%。
基于该优化 RB-IGCT 解决方案，ABB 于 2019 年在德国汉诺威工业展览会上推出了其突破性固态断路器概念[7]。
于 2022 年推出的 SACE Infinitus 采用优化 RB-IGCT，是一款能够解决故障保护方面挑战的一体化保护解决方案
一体化设计
除了克服开发最优半导体和冷却系统方面的挑战之外，集成也十分关键。2022年，ABB 推出了革命性 SACE Infinitus04。这是一款高端一体化保护解决方案，实现了所有必要组件的无缝集成，包括电力电子组件、机械组件、冷却组件、控制组件、传感组件和通讯组件等，不但安装简单，而且紧凑小巧。该产品采用简洁设计， 旨在将产品部署阶段所需的工作量和
成本降至最低，充分展现了其相对于定制化复杂且易出错组合型设备解决方案的优势。凭借 SACE Infinitus，不再需要准备安装空间，也无需自己构建系统逻辑来协调用于维护的外部电绝缘开关，这极大提高了设备的安装便利性和安全性，并且降低了成本。
尽管面临集成多项技术的重大挑战，但 ABB 仍然成功克服，开发出独树一帜的固态断路器解决方案。这款断路器采用单框架内隔舱化设计，不仅占地面积小，还易于安装、维护和保养。巧妙的抽拉式机架系统部署在两个移动件之上：其中之一包含电力电子元件，且带有内置液冷和快速关断接头；另一个则包含电绝缘开关04。
此外，基于 ABB Ekip 的通讯模块即插即用，便于将 SSCB 集成到数字化系统之中。这款断路器中还集成有多个电压和电流传感器，能够连续监测各项电力参数，包括功率。
简化冷却
面对这一问题，ABB 开发了一种创新型解决方案，能够缓解空间和重量问题，在实现绝缘和冷却的同时，还能够避免常见方法所带来的复杂性等不利因素04。在 SACE Infinitus 中，热管理概念基于氮化铝散热片，兼具电绝缘和高导热能力，性能堪比铝散热片，这无疑是一项真正的创新。因此，冷却液可以采用常用的水加乙二醇混合物，无需任何额外设备，降低了复杂性。
建立控制和保护
SACE Infinitus 的控制和保护功能源于一个基于微处理器的脱扣器，该脱扣器既能够实现传统“慢速”长距离、短距离、瞬时和接地故障 (LSIG) 保护，仅需几毫秒到几秒，又能够实现超快短路保护，仅需几微秒04。此外，它还确保 SACE Infinitus 的电力电子元件和机电隔离开关能够发挥关键的相互作用。超快电流测量是直流系统的前提条件之一，也是一大挑战，这要求开发基于霍尔效应传感器的专用电流互感器：带宽需要足够大以鉴别最高达 80A/μs 的瞬时电流。
ABB 的高端解决方案能够闪电般在几十微秒之内清除故障，成效显著
当发生断电后，Infinitus 立刻介入
SACE Infinitus 能够在几十毫秒内闪电般清除故障，这到底是如何实现的？在直流系统中，电源一般是在输出端配备较大直流电容器组的逆变器05，如果总线发生短路，将产生非常高的 di/dt 故障电流，标准机电断路器无法有效控制这一电流。凭借技术上的突破，SACE Infinitus 保护系统解决了这一问题04。其开断时间非常短，甚至通常能够在故障电流达到标称电流两倍之前便予以中断。在实践中，当发生故障事件时，这种超快电流限制功能用作即时直流断开机制。SACE Infinitus 能够在 20 - 50 μs 内完成断开操作，成效显著05。
在大多数装置中，故障电流上升速率要远低于临界 di/dt，从而确保半导体器件能够在其 SOA 范围内工作。在此 di/dt 速率下，中断能力几乎是无限的。当超限时，尽管这很罕见，SACE Infinitus 配备的内置电感也能将 di/dt 限制在 SOA 范围之内。

提供无限保护能力的经济型解决方案
部署高度集成防护设备 SACE Infinitus 意味着：
超快开断时间 — 比传统保护系统快 100 倍，并且具备最强连续工作能力
隔离故障区域 — 避免全系统停机
近乎于零的电弧能量暴露 — 消除弧闪风险
最高能效 — 得益于采用了基于半导体的新断路器开关技术，确保功率损耗最低
耐久性提高 100 倍 — 出色的电气使用寿命，满足未来微电网需求
如此，系统整体效率的提升为 ABB 客户在可持续能源转型过程中带来总拥有成本低、可用性高等益处
设立标准
SACE Infinitus 断路器是全球首款基于半导体开断技术的断路器，已获得 IEC 60947-2 认证。ABB 目前正在积极制定相关标准。凭借在 SACE Infinitus 固态断路器项目中获得的经验，ABB 目前正参与制定一项针对固态断路器技术（直流和交流应用）的新 IEC 标准，即项目 PT60947-10，该标准预计将于 2025 年发布。
ABB 开发出全球首款基于固态技术的 IEC 断路器，带来近乎无限的可能。
海运应用
船载直流电网在海运领域的应用由来已久，而 ABB 一直处于该赋能技术的最前沿。由于该技术能够节省多达 20% 的能源，越来越多的船舶开始采用直流配电系统06。
该技术采用一个汇流排断路器连接左舷和右舷；如此配置一般能够实现对发电机的优化利用。如果发生故障，断路器必须能够通过断开故障部分来提供保护，以避免引起系统整体断电，并确保连续运行。传统技术对于短路电流上升速度快、幅度高的问题无能为力，而 ABB SACE Infinitus 则可轻松应对。
SACE Infinitus 具有低损耗、无电弧、超快电流中断速度等优点，是避免重大人身伤害和财产损失风险的理想产品。而且，当还存在除了故障电流之外的其他重大问题时，该产品也能够提供快速保护，例如利用直流总线放电电容器避免直流总线电压降过大而导致系统无法运行。此外，该断路器还提供海运应用相关的 DNV 认证。

SACE Infinitus 可能为构建安全经济型直流电网带来新视角。
塑造直流技术的未来
ABB 新型固态断路器的应用范围不仅限于海运领域，其还可推动可持续性达到新高度。该革命性断路器产品将影响陆地运输领域电气系统的革新。当前应用示例有动 态道路侧电动汽车充电桩试点，以及提升能效的另一项创新工业应用。
SACE Infinitus 是应对直流保护挑战的核心组件，该产品专为大电流直流电应用而设计，并且着眼于未来，集开关、隔离和直流保护功能于一体。产品紧凑小巧，在额定电流为 1000VDC 时最高可达 2.5 kA。其中集成有电力电子元件和高级软件算法，能够控制电力，并以闪电般的速度快速切断极端电流，为 ABB 客户做好应对未来能源需求挑战的准备。SACE Infinitus 的设计简单安全，易于与系统集成，并且保护动作快，能够以经济方式满足各种新兴应用的需求。
通过推出此款能够赋能下一代直流电力系统架构的超快断路器解决方案，ABB 展现了其在电力系统可持续能源转型方面的承诺。SACE Infinitus 是全球首款基于固态技术的 IEC 断路器，可能为构建安全经济型直流电网带来新视角；并且，作为一款创新型一体化产品，将为客户带来近乎无限的可能
01
从游轮（如图所示）到货轮，直流配电在海运领域的应用日益广泛
02
从传统 IGCT 双向布局（左图）到 SACE Infinitus 的创新 RB-IGCT（右图）
03
RB-IGCT 与其它半导体器件的损耗对比 [7]
04
SACE Infinitus 一体化设备将冷却、保护、电感、电力电子以及隔离开关等组件和功能集成到单一易安装设备之中。抽拉式机架在输入/输出动作方面采用电气和液压连接/断开方式
05
基于 SSCB 技术的超快故障电流中断原理。半导体 (SC) 器件中断电流用时 < 25 µs。之后，电网感应能量被吸收到与半导体器件并联的金属氧化物变阻器 (MOV) 路径中，直至电流归零
06
使用固态断路器作为汇流排断路器的船载直流配电网示例

来源：http://www.yidianzixun.com/article/0lpq1zdE
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