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approfondimento tecnologico

Protezione a stato solido per la distribuzione CC a bordo

INNOVAZIONE
I vantaggi della distribuzione in corrente continua (CC) ne determinano l'evoluzione a bordo. Di conseguenza, è fondamentale una chiara comprensione della protezione ottimale contro i possibili guasti elettrici. ABB ha creato l'interruttore a stato solido SACE Infinitus per garantire protezione, sicurezza e continuità di servizio.

Con l'industria navale che cerca di migliorare la flessibilità e l'efficienza energetica per raggiungere gli obiettivi di sostenibilità e di performance, sempre più i sistemi di distribuzione e di produzione di energia convenzionale vengono sostituiti da architetture di produzione e di distribuzione ibride o completamente elettriche, in particolare nelle imbarcazioni di piccole e medie dimensioni e nei traghetti. Mentre i sistemi elettrici si basano su motori alimentati esclusivamente da batterie efficienti e ad alto rendimento, i sistemi ibridi utilizzano una combinazione di sistemi di accumulo a batteria e gruppi elettrogeni a combustibile (genset) per alimentare i motori. Questo mondo sempre più elettrificato favorisce l'uso della distribuzione di energia a bordo in corrente continua, che sta rapidamente diventando il sistema preferito, superando i tradizionali sistemi di distribuzione in CA.

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La distribuzione di energia in CC a bordo sta rapidamente diventando il sistema più utilizzato, superando i sistemi di distribuzione in CA.  

La distribuzione in CC presenta molti vantaggi, ma ha delle sfide uniche: la protezione dei convertitori elettronici di potenza, il rilevamento e l'interruzione della corrente di scarica dei condensatori, la selettività tra i dispositivi di interruzione e l'isolamento della zona difettosa. ABB ha condotto un esame approfondito per comprendere queste sfide e sviluppare una soluzione ottimizzata.

Il risultato è un rivoluzionario interruttore automatico all-in-one basato su una tecnologia ottimizzata allo stato solido per la commutazione della corrente elettrica che supera tutte le sfide intrinseche e consente una distribuzione sicura ed efficiente della CC a bordo.

Verso la distribuzione in CC Molti fattori salienti guidano l'evoluzione della distribuzione della CC a bordo (Immagine 2):

• Le configurazioni ibride e completamente elettriche si basano su sistemi di accumulo dell'energia, ad esempio batterie che sono in gran parte basate sulla CC.
• La maggior parte dei carichi richiede convertitori di frequenza, ad esempio l'alimentazione dei motori in cui la velocità è controllata dalla variazione della frequenza e della tensione (Immagine 2). In genere, i convertitori di frequenza utilizzano un processo di doppia conversione; l'uso della distribuzione in CC elimina una delle due fasi di conversione.
• Per la distribuzione di CA, i convertitori multifase richiedono una tensione di alimentazione con uno spostamento di fase diverso (fornito da trasformatori a più avvolgimenti).
• La distribuzione CA forza la sincronizzazione (corrispondenza di frequenza, ecc.), ad esempio per i generatori prima del collegamento in parallelo al Bus principale; e per due sorgenti prima del collegamento in parallelo, se deve essere chiuso un bus-tie.

La protezione è fondamentale
L'evoluzione della CC richiede una protezione avanzata, mentre per i sistemi di distribuzione in CA la protezione è più semplice.La capacità di sfruttare il passaggio naturale per lo zero della corrente alternata consente di interrompere facilmente la corrente stessa in condizioni di funzionamento normali e di guasto.
Al contrario, l'interruzione della CC è complessa sia durante il funzionamento normale che durante i guasti. Senza il passaggio naturale per lo zero della corrente, la CC deve essere forzata a zero, ad esempio installando i poli degli interruttori in serie per creare una tensione d'arco più elevata.

Poiché la CA è uno standard di mercato da molti anni, il sistema di protezione è ben sviluppato e facilmente disponibile in commercio. La distribuzione a bordo della CC è invece relativamente nuova e non dispone ancora della stessa ampia gamma di opzioni di mercato. Inoltre, la selettività cronoamperometrica tra diversi dispositivi di protezione è problematica per i sistemi di distribuzione in CC; gli interruttori automatici con relè elettronici risolverebbero questa sfida, ma esistono pochi dispositivi di questo tipo per la distribuzione in CC.

Il problema della distribuzione in CA
Nonostante i vantaggi intrinseci, la distribuzione in CA presenta notevoli svantaggi. In genere, una minore capacità di trasmissione della potenza è dovuta a perdite di potenza più elevate, soprattutto in presenza di un basso fattore di potenza; questo è uno dei principali svantaggi della distribuzione in CA.
Inoltre, se i motori funzionano a velocità fissa, perché i generatori devono produrre energia elettrica a una frequenza fissa, l'efficienza del motore si riduce. Ancora, è possibile che si verifichino problemi di qualità dell'alimentazione a causa dell'aumento delle armoniche; è necessario gestire il flusso di potenza reattiva attraverso l'intero sistema di distribuzione.

La distribuzione in CC trionfa
Una maggiore semplicità e una maggiore efficienza avvantaggiano la distribuzione CC con un facile collegamento a fonti di alimentazione, ad esempio sistemi di accumulo di batterie, generatori; le batterie possono essere collegate direttamente al bus DC principale o tramite convertitori DC/DC; il sincronismo non è necessario perché i generatori sono collegati al bus CC principale da un convertitore CA/CC tramite un transistor bipolare a gate isolato (IGBT).
È possibile utilizzare generatori a frequenza variabile, il che si traduce in un risparmio di carburante: il motore primario può funzionare con la massima efficienza.
Si risparmia anche spazio, grazie al minor volume/peso dei generatori ad alta frequenza e alla necessità di un minor numero di parti del sistema. Inoltre, un minor numero di armoniche circolanti significa meno problemi di armoniche e una migliore compatibilità elettromagnetica. Non è necessaria la gestione del flusso di potenza reattiva. Le perdite di potenza sono inferiori perché si evita uno stadio di conversione per alimentare i carichi a frequenza variabile. Tutto ciò pesa fortemente a favore della distribuzione in CC.

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La distribuzione in CC presenta delle sfide intrinseche: ABB ha condotto un esame approfondito per sviluppare soluzioni ottimali.

Analisi del cortocircuito in CC
Con l'obiettivo della semplicità e dell'efficienza, la distribuzione in CC è conveniente, a patto che la protezione sia gestita in modo adeguato. ABB ha stabilito un punto di riferimento per la protezione in CC. In primo luogo, sono stati valutati diversi tipi di guasto, ad esempio il cortocircuito e il guasto a terra. ABB ha analizzato un cortocircuito sul bus DC principale; il cortocircuito può essere rappresentato dalla sua resistenza di guasto (anche per il cortocircuito su un alimentatore) (Immagine 3); sono stati considerati i contributi di guasto rilevanti: sorgenti in CC, ad esempio batterie; scarica dei condensatori in CC, generatori di CA a bordo e convertitori CA/CC non isolati basati su IGBT (Immagine 3).

Considerando lo scenario peggiore – un cortocircuito franco – ne consegue che:

• Il contributo al guasto della scarica del condensatore CC può essere elevato (fino a centinaia di kA) anche in base all'impedenza del cavo/busbar tra i condensatori e alla posizione del guasto (il picco della corrente di scarica può essere raggiunto in < 1ms).
• Il contributo ai guasti da parte delle batterie può essere elevato, soprattutto per le batterie agli ioni di litio, in relazione alla potenza nominale totale del sistema di batterie.
• Il convertitore non isolato non è in grado né di limitare, né d’interrompere la corrente di cortocircuito, poiché la corrente fluisce attraverso i diodi di ricircolo.
• Dalla formula riportata in (Immagine 3), ne consegue che il cortocircuito in CC a regime ai terminali in CC del convertitore è praticamente uguale a una corrente presunta di cortocircuito ai terminali in CA del convertitore.
• Maggiore è il numero di generatori in CA in parallelo sul bus CC, maggiore è il contributo totale di cortocircuito CC fornito che passa attraverso i convertitori.

Se sono installati convertitori elevatori mono o bidirezionali non isolati (la tensione del bus CC è superiore alla tensione delle sorgenti CC), di solito non sono in grado di limitare o interrompere il contributo di guasto della sorgente CC poiché la corrente fluisce attraverso il diodo di ricircolo. Pertanto, sono necessari dispositivi di protezione adeguati per rilevare e interrompere i considerevoli contributi di guasto, in particolare quelli provenienti dalle batterie e dal condensatore CC, nonché per proteggere i convertitori.

Analisi dei guasti a terra in CC
Il punto neutro del generatore è collegato direttamente a terra o a una bassa resistenza, le parti attive in CC sono  isolate da terra mentre le -masse sono collegate a terra, per rilevare e interrompere un guasto a terra, anche se nessuno tocca la parte conduttiva esposta difettosa.

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ABB ha progettato SACE Infinitus per fornire una protezione sicura, costante ed efficiente per la distribuzione in CC a bordo.

Le masse possono essere messe a terra con sistemi TT o TN. Nei sistemi TT le parti attive sono messe a terra, le masse sono collegate a un sistema di messa a terra separato. Mentre nei sistemi TNl e parti attive sono messe a terra, le masse sono collegate allo stesso sistema di messa a terra. Nei sistemi TT, non esiste un percorso di richiusura per qualsiasi possibile contributo di corrente al guasto da parte delle sorgenti CC, che alimentano solo il carico; mentre i convertitori alimentano il carico e il guasto a terra. Al contrario, in un sistema TN, esiste un percorso di richiusura per il contributo di corrente di guasto delle sorgenti CC, che alimentano il carico e il guasto a terra, mentre i convertitori alimentano solo il guasto; le sorgenti CC alimentano il guasto attraverso gli IGBT inferiori, mentre il contributo dei generatori passa attraverso i diodi di ricircolo superiori (Immagine 4).

Con la protezione integrata dell'IGBT, l'IGBT può essere aperto automaticamente ogni volta che la corrente che lo attraversa aumenta oltre un limite specifico (Immagine 4). Quindi, considerando il guasto a terra in CC con un sistema TN, ne consegue che:

• Poiché il contributo delle sorgenti DC fluisce solo negli IGBT inferiori del convertitore, tale contributo può essere limitato e interrotto grazie alla protezione IGBT incorporata (Immagine 5).
• La corrente di guasto a terra rimane elevata a causa del contributo dei generatori, che fluisce attraverso i diodi di freewheeling superiori del convertitore.

Pertanto, saranno ancora necessari dispositivi di protezione adeguati per interrompere il contributo di guasto fornito dai generatori e per proteggere i convertitori con una velocità di interruzione molto elevata.

Se il punto neutro del generatore non è collegato a terra o è collegato a terra con una resistenza elevata, le parti attive CC e le masse sono collegate a terra, un guasto a terra sulla polarità positiva è equivalente a un cortocircuito CC dal punto di vista dei contributi al guasto e del comportamento del convertitore. Pertanto, le considerazioni fatte per l'evento di cortocircuito in CC sono valide anche per la condizione di guasto a terra in CC (Immagine 5).

• La tensione verso terra della polarità CC guasta tende a zero, mentre la tensione verso terra della polarità CC sana tende a meno la tensione DC nominale.
• Il convertitore CA/CC non alimenta il guasto perché non esiste un percorso di corrente di guasto. - Esiste un elevato contributo transitorio di scarica del condensatore CC, ma il valore di regome è nullo.
• contributo transitorio delle sorgenti CC attraverso il condensatore CC collegato alla polarità sana.

Tuttavia, l'aumento della tensione della polarità sana verso terra può creare problemi di isolamento. Sono necessari dispositivi di protezione adeguati per rilevare e interrompere l'elevata corrente di scarica del condensatore CC.

Considerando che il punto neutro del generatore e le parti attive in CC sono prive di messa a terra o collegate a terra tramite resistenza elevata e che le masse sono collegate a terra – durante un guasto a terra (Immagine 6), ne consegue che:

• I convertitori CA/CC e le sorgenti CC non alimentano il guasto (Immagine 7).
• Esiste una corrente di guasto transitoria attraverso le capacità parassite, anche quando la polarità CC è sana. - Come detto in precedenza, la tensione verso della polarità CC gusta tende a zero, mentre la tensione verso terra della polarità CC sana può variare dalla metà del valore nominale della tensione continua all'intero valore nominale (Immagine 7).

Superare sfide complesse
In base alle scoperte di ABB, è necessaria una protezione completa dai guasti nelle applicazioni di bordo più impegnative.
Combinando queste conoscenze con idee e analisi, ABB ha progettato SACE Infinitus (Immagine 8a), il nuovo interruttore con RB-IGCT, una tecnologia a semiconduttori ottimizzata per un'applicazione di interruttore a stato solido in grado di ridurre le perdite fino al 70% rispetto alla tecnologia precedente (Immagine 8b). SACE Infinitus fornisce una protezione sicura, efficace ed efficiente per la distribuzione in CC a bordo [Rif. 1], anche nella configurazione back-to-back per l'applicazione come congiuntore di sbarra (Immagine 8c).

SACE Infinitus ha una tensione nominale di 1 kVDC, una corrente nominale di 2.500 A ed è in grado di rilevare e isolare la zona difettosa in modo completo e sicuro; elimina rapidamente il guasto riducendo gli effetti negativi nell'area difettosa attraverso la limitazione del cortocircuito e di mantenere l'alimentazione nell'area non difettosa. Inoltre, riconfigura rapidamente il sistema per consentire una rapida rialimentazione dei carichiprioritari. A differenza di altri interruttori, SACE infinitus non causa perdite di efficienza o di potenza e funziona bene in configurazioni a con congiuntore di sbarra chiuso. È significativo che l'interruttore si integri completamente con altri componenti del sistema di protezione e con i sistemi di controllo/gestione.

Inoltre, SACE Infinitus è il primo interruttore a stato solido al mondo ad essere pienamente conforme ai severi requisiti di certificazione della norma di prodotto IEC 60947-2.Con SACE Infinitus, ABB offre alle imbarcazioni un nuovo strumento per controllare, proteggere e integrare le architetture di rete in CC. Fornendo continuità di servizio e sicurezza in un unico pacchetto integrato con il più basso costo di proprietà, questo rivoluzionario interruttore a stato solido aiuta l’industria del trasporto marittimo a diventare più sostenibile ed efficiente dal punto di vista energetico (Immagine 9).

Riferimenti
A. Antoniazzi, et al., "One of a kind", ABB Review 4/2022, pp. 14-19.

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Autore

Marco Carminati
ABB Elettrificazione Bergamo, Italia marco.carminati@it.abb.com