Separation of the Energy Absorption and Overvoltage Protection in Solid-State Breakers by the Use of Parallel Varistors

Abstract

Hybrid and solid-state breakers offer new possibilities in the power grid by enabling faster switching, and by simplifying dc breaking. However, they consists of expensive power electronic components that are sensitive to overvoltage transients and require energy absorbing elements mounted in parallel. At turn-off, the rapidly decreasing current in the power electronic switch and the presence of an inherent stray inductance leads to hazardous overvoltage transients across the breaker. This paper investigates the possibility to split the overvoltage protection and energy absorption into two separate components. By optimizing the voltage ratio between two varistors, one can dimension a small electronics varistor for overvoltage protection and a large power electronics varistor for energy absorption. With this setup the power electronics varistor is allowed to be in a circuit with a large stray inductance and can thus be placed further away without causing an uncontrolled overvoltage. It is shown both in circuit simulations as well as in a small-scale experiment that if the voltage ratio between the two varistors is large enough, the inner varistor only has to absorb 1-2% of the system energy.Index Terms-DC breaker, metal oxide varistor (MOV), overvoltage protection, snubber circuit, solid-state circuit breaker.

Review of HVDC Circuit Breakers Topologies.

“…SSCB is an active area of research and new contributions are found in [17]- [18]. This type of CB has two topologies as discussed in [18].…”

“… Cost The table below shows the relationships of the four types of the DC breakers [18]. Table 1, shows that the new solid state DC breaker has many advantages compared to other types of DC breakers in terms of the cost, the high voltage transmission and current rating.…”

Developing of methods calculation of comutation overvoltage in semiconductor apparatus in ac circuits

“…У результаті, через ризик виходу з ладу НК у процесі комутації, клас СНП, що застосовуються в комутаційних НА, як правило, виявляється зави-щеним [11], а параметри захисних кіл вибрані з не-достатньо обґрунтованим запасом [12], що природ-но призводить до підвищення вартості й габаритів апарату [2].…”

“…У зв'язку з цим початкові умови для розв'язання системи рівнянь (5) Значення вm U , також можна визначити, скористав-шись наступною аналітичною залежністю, яка з висо-ким ступенем точності апроксимує ВАХ варистора [12] Основною перевагою проведених досліджень є те, що в результаті було розроблено уточнені методики розрахунку комутаційних перенапруг на НК комута-ційних НА змінного струму, що враховують як варі-анти структурної побудови цих апаратів, так і дина-мічні характеристики СНП. Слід також зазначити, що результати цього дослідження разом з проведеними раніше дослідженнями теплового режиму СНП, що також працюють в НА [10], дозволяють тепер з висо-кою точністю і з невеликими витратами часу вибирати СНП за струмом і за напругою в процесі проектування сучасних комутаційних НА, тобто вирішувати основне завдання цього проектування.…”

An innovative hybrid insulation switch to enable/disable electrical loads without overvoltages

“…The problem of overvoltages is up-to-date and often discussed in the literature [1][2][3][4]. The immediate cause of the overvoltage is a disconnected non-zero current, which flows through the inductance [5][6][7].…”