I nte rna t io na l J o urna l o f   Appl ied P o wer   E ng i neer ing   ( I J AP E )   Vo l.   10 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 2 1 ,   p p .   2 1 7 ~ 2 2 9   I SS N:  2252 - 8 7 9 2 ,   DOI 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijap e. v 1 0 . i3 . p p 2 1 7 - 229          217       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij a p e. ia esco r e. co m   Pros pects of  rege nera tive cur rent   brea king  in  D C ci rcuit  brea ker t o po lo g y       S.  M .   Sa nza d L um en,   Ra m a ni K a nn a n,  No Z a iha Ya ha y a   De p a rtme n o El e c tri c a a n d   El e c tro n ics   E n g i n e e rin g ,   Un iv e rsiti   T e k n o l o g i   P ET RON AS,   S e ri  Isk a n d a r,   Ip o h ,   M a lay sia       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Dec   17 ,   2 0 20   R ev is ed   Feb   5 ,   2 0 21   Acc ep ted   Ap r   4 ,   2 0 21       Du e   to   th e   st u n n in g   a d v a n c e m e n t   o p o we e lec tro n ics ,   DC  p o we r   sy ste m   is  g e tt in g   imm e n se   a tt e n ti o n   in   th e   field   o re se a rc h .   P r o tec ti o n   a n d   h e re a fter  th e   p ro tec ti v e   d e v ice fo th e   DC  p o we sy ste m   a p p li c a ti o n   a re   two   v it a l   a re a th a n e e d   to   b e   e x p l o re d   a n d   d e v e l o p e d   fu rt h e r.   De sig n in g   a   p ro tec ti v e   d e v ice   su c h   a s   DC  c ircu it   b re a k e p o ss e ss e a   l o t   o f   c h a ll e n g e s.   Th e   m a in   c h a ll e n g e   is   to   in terru p a   c u r re n wh ich   d o e s n o t   h a v e   a   n a tu ra z e r o   c ro ss i n g   li k e   AC  c u rre n h a s.  I n   a d d it i o n ,   e n e rg y   is  sto re d   i n   t h e   n e two rk   i n d u c ta n c e d u ri n g   n o rm a o p e ra ti o n .   I n sta n t a n e o u c u rre n t   b re a k i n g   is  o p p o se d   b y   t h is   sto re d   e n e rg y   d u rin g   c ircu it   b r e a k e tri p p i n g ,   h e n c e ,   a ll   th e   DC  c ircu it   b re a k e to p o lo g ies   p ro p o se d   i n   li tera tu re   u se   sn u b b e n e two r k ,   n o n l in e a re sisto t o   d issip a te  t h is   sto re d   e n e rg y   a h e a d u rin g   th e   c u rre n t   b re a k i n g   o p e ra ti o n .   Ho we v e r,   it   is  p o ss ib le  to   st o re   th is  e n e rg y   m o m e n taril y   a n d   re u se   it   late b y   d e v e l o p i n g   a n   imp r o v i se d   to p o l o g y .   I n   th is  p a p e r,   th e   p ro sp e c ts  o e n e rg y   re c o v e ry   a n d   re u se   i n   a   DC  c ircu it   b re a k e wa stu d ied   a n d   a   n e w   to p o lo g y   wi th   re g e n e ra ti v e   c u rre n b re a k i n g   c a p a b il it y   h a d   b e e n   p ro p o se d .   Th is  n e to p o l o g y   c a n   fe e d   t h e   sto re d   e n e r g y   o f   th e   n e two r k   b a c k   in t o   th e   sa m e   n e two rk   a fter  b re a k in g   th e   c u rre n a n d   th u c a n   imp ro v e   th e   o v e ra ll   sy ste m   e fficie n c y .   K ey w o r d s :   C u r r en t b r ea k in g     DC   cir cu it b r ea k er     Fau lt c u r r en   Pro tectio n   R eg en er atio n     T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   S.  M.   San za d   L u m e n   Dep ar tm en t o f   E lectr ical  an d   E lectr o n ics E n g in ee r i n g   Un iv er s iti T ek n o lo g i PE T R O NAS   Ser i I s k an d ar ,   I p o h ,   Ma lay s ia   E m ail: s_ 1 8 0 0 3 3 0 9 @ u tp . ed u . m y       1.   I NT RO D UCT I O N   Mic r o g r id   c o n ce p h as  em er g ed   as  th n ew  n o r m s   f o r   elec t r icity   d is tr ib u tio n   r ec en tly .   As   s tated   in   liter atu r th at  “M icr o g r id s   ar lo ca en er g y   n etwo r k s   th at   in v o lv r en ewa b le  en er g y   s o u r ce s   an d   s to r ag e   s y s tem s ”.   DC   m icr o g r id   is   c o n v en ie n m ec h a n is m   f o r   in te g r atin g   d is tr ib u ted   en e r g y   r es o u r ce s   ( DE R s )   an d   lo ca lo ad s   in to   f u lly   in te g r a ted   s y s tem .   Dif f er en ty p es  o f   v o ltag s o u r ce   c o n v e r ter   ( VSC )   lik AC   to   D C ,   DC   to   DC   ar u s ed   as  b u ild in g   b lo c k s   f o r   t h m icr o g r i d   n etwo r k .   DC   m icr o   g r id s   h av d em o n s tr ate s u p er io r ity   o v er   AC   m icr o   g r id s   in   te r m s   o f   r eliab ilit y ,   ef f icien cy ,   co n tr o s im p lici ty ,   in teg r atio n   o f   r en ewa b le  en er g y   s o u r ce s ,   an d   co n n ec tio n   o f   DC   lo ad s .   Nev er th eless ,   DC   p o wer   s y s t em   is   also   g ettin g   im m en s atten tio n   in   th f ield   o f   HVDC  tr an s m is s io n ,   elec tr ic  v eh icle,   elec tr ic   tr ac tio n   l o ad .   Desp ite  th ese   m an y   a d v an tag es,  t h er ar s ig n if ican ch alle n g es  to   d esig n   an   ap p r o p r iate  p r o tectio n   s ch em e   f o r   DC   p o wer   s y s tem   as  well.   B asically ,   th ch allen g e   s tem s   f r o m   th n atu r o f   DC   f au lt  c u r r e n t,  wh ich   c an   r a p id ly   in cr ea s to   m o r th a n   a   h u n d r ed   tim es  o f   th e   n o m in al  c u r r en d u r i n g   s u d d en   f au lt  in ce p tio n   an d   h as  n o   n atu r ally   o cc u r r in g   ze r o   cr o s s in g   p o in lik e   AC   h as.  Pr o p er   g r o u n d i n g   ar ch itectu r e,   f ast  an d   ef f icien f a u lt   d etec tio n   s tr ateg y ,   f au lt  c u r r e n lim itin g   m eth o d   a n d   a n   ap p r o p r iate  DC   cir cu it  b r ea k er   ( D C C B )   ar r eq u ir e d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8 7 9 2   I n t J   Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.   10 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 2 1 :   2 1 7     229   218   to   ad d r ess   th ch allen g es  o f   DC   s y s tem   p r o tectio n   [ 1 ] - [ 3 ] .   DC C B   u s ed   f o r   cu r r en i n ter r u p tio n   in   DC   n etwo r k   is   an   in teg r al  p ar o f   th s y s tem .   I n   th is   p ap er ,   d if f er en ty p es  o f   DC C B   to p o lo g ies  h ad   b ee n   d is cu s s ed   to   ex p lo it  th eir   lim it atio n s   an d   n ew  t o p o lo g y   wit h   u n iq u cu r r en b r ea k in g   f ea t u r was  p r esen ted   an d   e v alu ated .   T h e   s tr u ctu r e   o f   th is   p ap er   is   as  f o llo ws:   S ec tio n   1   g iv es  t h b r ief   b ac k g r o u n d   o f   th to p ic  alo n g   with   lit er atu r r ev iews,  r elate d   wo r k s ,   an d   p r o b lem   s tatem en t.  Sectio n   2   in tr o d u ce s   an d   d is cu s s es  th e   n ew  DC C B   to p o lo g y .   Sectio n   3   d escr ib es  th r esear ch   m eth o d o lo g y   in   d etail  with   m eth o d o lo g y   f lo ch a r t   an d   later   d is cu s s es  th m ath e m atica m o d ellin g   a n d   wo r k in g   p r in ci p le  o f   t h p r o p o s ed   to p o lo g y   th o r o u g h ly .   Sectio n   4   p r esen ts   th s im u latio n   r esu lts ,   co m p ar th p e r f o r m a n ce   with   co n v e n tio n al  to p o lo g y   an d   t h u s   v alid ates th p r o p o s ed   co n ce p t.   I n   o r d er   to   b r ea k   th cu r r en t   in   an y   n etwo r k ,   cir cu it  b r ea k er s   ar u s ed .   C ir cu it  b r ea k e r s   u s u ally   m ak b r ea k   i n   th cu r r e n p ath   b y   s ep ar atin g   m ec h an ica co n tacts  o r   b y   s o lid   s tate  tu r n   o f f   p r o ce s s .   I n   m ec h an ical  tu r n   o f f   p r o ce s s ,   a s   th co n tacts  s ep ar ate,   ar is   in itiated   in   b etwe en   th em ,   a n d   th is   ar n ee d s   to   b ex tin g u is h e d   q u ick ly   to   b r ea k   th cu r r en e f f icien tly   as  well  as  to   k ee p   th c o n tacts  u n d am a g ed .   I n   AC   n etwo r k   d u to   th s in u s o id al   n atu r o f   th cu r r e n t,  n at u r al  c u r r en ze r o   s itu atio n   ar is es  twice  in   f u ll  cy cle.   Usi n g   d if f er en ar ex tin g u is h in g   tech n iq u es,  cir c u it  b r ea k e r   u s u ally   b r ea k s   th cu r r en at  th ese  cu r r en ze r o   in s tan ce s .   T h is   p r o ce s s   o f   cu r r en b r ea k in g   is   q u ite  s tr aig h t f o r war d   in   AC   n etwo r k   b u in   DC   n etwo r k ,   it  is   n o th at  s im p le.   Natu r al  c u r r en ze r o   is   n o t   av ailab le  in   DC   n etwo r k   an d   th at   m ak es  th e   b r ea k in g   o f   DC   cu r r en u s in g   co n v en tio n al  ci r cu it  b r ea k e r   v er y   ch allen g in g   [ 4 ] ,   [ 5 ] .   Fu r th er m o r e,   wh e n   cu r r en f l o ws  in   DC   n etwo r k ,   e n er g y   is   s to r ed   in   th e   in d u ctan ce   o f   t h lin e   as  well  as  in   th e   f ilter   elem e n ts   o f   th e   DC /DC   co n v er ter s .   As  a   r esu lt,  cu r r e n in   th is   n etwo r k   ca n n o b b r o k e n   in s tan tan eo u s ly ,   o th er wis it  will  cr ea te   h ig h   p o ten tial  s tr ess   o n   th b r ea k er   co n tacts,  cr ea te  a n d   m a in tain   ar f o r   lo n g er   p e r io d   o f   tim an d   d a m ag e   th co n tacts  in   th p r o ce s s .   Similar ly ,   in   ca s o f   s o lid   s tate  tu r n   o f f   p r o ce s s ,   s u d d en   ce asi n g   o f   cu r r en f lo w   in   an   in d u ctiv DC   n etwo r k   will  d ev elo p   h ig h   p o te n tial  s tr ess   ac r o s s   th d ev ice   an d   m ay   d a m ag e   it.  Fo r   s af an d   ef f icien t   b r ea k in g   o f   DC   cu r r e n t,  it  m u s b e   r ed u c ed   to   ze r o   an d   th e   s to r ed   en er g y   o f   t h n etwo r k   m u s b d is s ip ated   d u r in g   th p r o ce s s .   Sn u b b er   n etwo r k   o r   im p e d an ce   n etwo r k   o r   n o n lin ea r   r esis to r   o r   a   co m b in atio n   o f   th em   ar u s ed   in   th e   DC C B   to   ab s o r b   an d   d is s ip ate  th n etwo r k   e n er g y   as   h ea an d   to   ass is t   in   th cu r r en r ed u ctio n   f o llo wed   b y   b r ea k in g .   As  p er   liter atu r e,   DC   cir cu it  b r ea k er s   ar m ain ly   d iv id ed   in to   th r ee   ca teg o r ies:   1 )   Me ch an ic al  cir cu it  b r ea k er s   wh ic h   ar e   s im ilar   to   th e   tr ad itio n al   m ec h an ical  s witch es;  2 )   So lid - s tate  cir cu it  b r ea k er s   th at  p er f o r m   in ter r u p tio n   b y   p o wer   elec tr o n ic  d e v ices   an d   3 )   Hy b r id   cir c u it  b r ea k er s   th at   co m b in b o th   m ec h an ical  an d   s o lid - s tate  tech n o lo g ies  to g eth er .   B esid es,  with   th d ev elo p m en o f   p o wer   elec tr o n ics,  DC   s o lid - s tate  cir cu it  b r ea k er s   h av e   also   b ee n   g r ea tly   im p r o v e d   an d   an   u p g r ad ed   v er s io n   ca lled   Z - s o u r ce   s o lid - s tate  cir cu it b r ea k er   h as b ee n   p r o p o s ed   [ 6 ] - [ 8 ] .   T h b asic  m ec h an ical  cir cu it  b r ea k er   ( MCB )   is   co m p o s ed   o f   m ec h an ical  s witch ,   co m m u tatio n   cir cu it,  an d   an   en er g y   a b s o r b er   cir cu it.  T h s ch em e   o f   MCB   u s in g   p ass iv an d   ac tiv c o m m u tatio n   cir c u its   ar e   s h o wn   in   Fig u r e   1 ( a ) .   U n d er   n o r m al  o p er atin g   co n d i tio n ,   th e   m ec h an ical  s witch   co n d u cts  t h lo a d   cu r r en t.  On ce   th b r ea k er   r ec e iv es  tr ip   s ig n al,   th m ec h an ical  s witch   o p en s ,   an d   an   ar is   in itiated .   T h ar v o ltag f o r ce s   th cu r r e n to   s h if f r o m   t h lo ad   c u r r en t p ath   to   th co m m u tatio n   p ath .   T h e n   th co m m u tatio n   cir cu it  co n s is tin g   o f   ca p ac i to r   an d   in d u cto r   in   s er ies  g e n er ates  g r o win g   cu r r e n o s cillatio n .   W h ile  th am p litu d o f   t h o s cillatin g   c o m m u tatio n   c u r r en ( I c )   b ec o m es  s u f f icien tly   lar g e,   ze r o - c r o s s in g   p o in ts   ar cr ea ted   in   th m ec h an ical  s witch   cu r r e n ( I n )   a n d   t h m ec h an ical  s witch   ex tin g u is h es  th e   ar a n d   in te r r u p ts   th cu r r en at  th f ir s ze r o   cr o s s in g   p o in t.  m etal  o x id v ar is to r s   ( MO V)   i s   u s ed   to   lim i th v o ltag ac r o s s   th s witch .   T h e   m ain   ad v an t ag es  o f   MCB s   ar lo p o wer   lo s s   an d   r elativ ely   lo w   co s t;  h o wev er ,   s lo w   r esp o n s tim an d   lim ited   cu r r en t in ter r u p tio n   ca p a b ilit y   ar th m ain   d is ad v a n tag es [ 9 ] [ 1 0 ] .   Sem ico n d u cto r   b ased   s witch es  ar u s ed   as  th cu r r en in ter r u p tin g   elem en in   DC   cir cu it  b r ea k er   to   ad d r ess   th p r o b lem   o f   s lo tim r esp o n s e.   t y p ical  s o lid - s tate  cir cu it  b r ea k er   ( SS C B )   is   s h o wn   in     Fig u r 1 ( b ) .   Am o n g   th d if f er en ty p o f   s em ico n d u cto r   s witch in g   d ev ices,  th y r is to r ,   GT O ,   I GC T   an d   I GB T   ar m o s tly   u s ed   as  SS C B .   T h o p er atio n   p r o ce d u r is   v er y   s im p le  in   SS C B .   E x ce p th y r is to r ,   all  th e   r em ain in g   s witch es  ar f u lly   c o n tr o llab le  m ea n in g   t h at  th ey   ca n   b tu r n ed   o n   o r   tu r n ed   o f f   ea s ily   b y   co n tr o l   s ig n al.   B u th y r is to r   r eq u ir es  ex tr co m m u tatio n   cir c u it  f o r   tu r n   o f f   p r o ce s s   an d   it  tak es  ti m an d   th is   d elay   lead s   to   h ig h   f a u lt  cu r r e n t.  Ho wev er ,   th y r is to r s   h av th lo west  co n d u ctio n   lo s s es  an d   s u ch   lo o n - s tate   lo s s   r esu lts   in   r ed u ctio n   o f   o v er all  co s ts   o f   th SS C B .   MO is   u s ed   p ar allel  to   th s witch in g   d ev ice  to   lim it  th e   v o ltag s u r g d u r in g   cu r r en in te r r u p tio n .   T h o u g h   SS C B   p r o v id es  f aster   o p er atio n   b u h i g h er   co n d u ctio n   lo s s   an d   b u lk y   co o lin g   s y s tem s   ar two   o f   its   lim itatio n s   [ 1 1 ] - [ 1 4 ] .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   Ap p l Po wer   E n g   I SS N:  2252 - 8 7 9 2       P r o s p ec ts   o f reg en era tive  cu r r en t b r ea kin g   in   DC   circu it b r ea ke r   to p o lo g y   ( S .   M.  S a n z a d   Lu men )   219       ( a)     ( b )       Fig u r 1 .   T y p ical  DC C B   to p o lo g y ;   ( a )   MCB   with :   ( 1 )   Pas s iv co m m u tatio n   cir cu it,    ( 2 )   Activ co m m u tatio n   ci r cu i t ;   ( b )   SS C B   b ased   o n :   ( 1 )   I GB T ,   ( 2 )   T h y r is to r         Hy b r id   cir cu it  b r ea k er   ( HC B )   is   n ew  class   o f   DC C B   th at  co m b in es  b o t h   th MCB   an d   th SS C B   to   tak ad v an tag es  o f   b o th .   A s   r esu lt,  H C B s   h av ad v an tag es  s u ch   as  f ast  r e s p o n s e,   lo p o wer   lo s s   an d   n eg lig ib le  ar cin g   ac r o s s   th m ec h an ical  co n tacts.  As  s h o wn   in   Fig u r 2 ( a) ,   co n v e n ti o n al  HC B   h as   th r ee   m ain   p ar ts   in clu d in g   f ast - m ec h an ical  s witch   ( FMS) ,   h ig h - v o ltag s o lid   s tate  ( SS )   s witch   as  th m ain   b r ea k er   ( MB),   an d   MO V.   D u r in g   n o r m al   o p e r atio n ,   t h cu r r en p ass es  th r o u g h   FMS.  W h en   tr i p   s ig n al  is   r ec eiv ed ,   th e   FMS  s tar ts   o p en in g   an d   s en d s   tu r n - o n   s ig n al   to   th MB.  Du to   th ar v o l tag e,   cu r r e n s h if ts   n atu r ally   f r o m   th FMS  to   th e   MB.  On ce   th FMS  g ai n s   s u f f icien b r ea k d o wn   s tr en g th ,   th MB  is   tu r n ed   o f f   an d   th v o ltag e   in cr ea s es  r a p id ly   b ec a u s o f   cir cu it  in d u ctan ce s .   W h ile  th v o ltag r ea ch es  b r ea k d o wn   v o ltag e,   th e   MO tu r n s   o n   t o   clam p   v o ltag an d   th e   f au lt  c u r r en n o c o m m u tes  th r o u g h   MO an d   d ec ay s   to   ze r o .   Fin ally ,   wh en   th c u r r en b ec o m es  ze r o ,   th e   r es id u al  cu r r en b r ea k er   ( R C B )   o p en s   to   p r o v id e   co m p lete  g alv a n ic  is o latio n .   Desp ite  h av in g   m a n y   a d v an ta g es,  HC B   h as  f ew  ch allen g es  as  well.   Dif f er en ce s   in   r ea ctio n   tim es  an d   cu r r en r atin g s   o f   th e   FMS  b r an ch   an d   MB  b r an ch ,   d ep en d en cy   o f   m ec h an ical  co n tacts  s ep ar atio n   o n   th f au lt m a g n it u d e,   r e q u ir em e n t f o r   h ig h er   ar v o ltag a r f ew  o f   th ch al len g es [ 1 5 ] - [ 1 7 ] .   Z - So u r ce   cir c u it  b r ea k er   ( Z SC B )   is   d ev elo p ed   f o r m   o f   th SS C B .   T h s ch em o f   t h o r ig in al   Z SC B   i s   s h o wn   in   Fig u r 2 ( b ) .   W h ile  in   o p er atio n ,   o n ce   th e   f au lt  o cc u r s ,   th f a u lt  cu r r e n t   f lo ws  th r o u g h   th e   ca p ac ito r s   a s   th cu r r en th r o u g h   th in d u cto r   ca n n o t   c h an g in s tan tan eo u s ly .   At  th is   p o in t,  ea ch   o f   th ca p ac ito r   cu r r en i n cr ea s es  to   r ea ch   t h p r ef au lt  in d u cto r   cu r r en t.   W h en   th e   ca p ac ito r   cu r r en e q u als  th in d u cto r   c u r r e n t,  th SC R   cu r r en b ec o m es  ze r o   an d   ca u s es   th SC R   to   tu r n   o f f .   I n   th n ex s tag e,   th two   s er ies  ( L - C )   b r an ch es  co n n e cted   to   th f a u lt  an d   lo a d   f o r m   r eso n a n ce   an d   h en ce   cu r r en o s cillatio n   is   d ev elo p e d .   Du r i n g   t h is   o s cillatio n ,   th d io d es  tu r n   o n   t o   b y p ass   th cu r r en f r o m   t h ca p ac ito r .   T h e   ca p a cito r s   d is ch ar g th r o u g h   th r esis to r   an d   th in d u cto r   cu r r en also   cir cu lates  in   th in d u cto r /r esis to r /d io d lo o p   u n til  it  d ec ay s   to   ze r o .   Alth o u g h   Z SC B   h a s   s o m b en ef its   o v er   MCB   an d   S SC B ,   it  ca n n o t   o p e r ate  f o r   less   s ev er an d   lo wer   d y n am ic   f au lt.   I n   a d d itio n   to   t h at,   Z SC B   also   f ac es  lim itatio n s   lik n o h av in g   co m m o n   g r o u n d   b etwe en   s o u r ce   an d   lo a d ,   u n d esira b le  f r e q u en c y   r esp o n s e,   h ig h   s p ik e   cu r r en d u r in g   th r ec o n n ec tio n   [ 1 8 ] ,   [ 1 9 ] .           ( a)   ( b )       Fig u r 2 .   T y p ical  DC C B   to p o lo g y :   ( a )   Hy b r i d   cir cu it b r ea k er ,   ( b )   Z - s o u r ce   cir c u it b r ea k er       Ap ar f r o m   th c o n v e n tio n al   to p o lo g ies,  s o m m o d if ied   an d   u p d ated   v er s io n s   o f   th e m   ar also   p r o p o s ed   in   liter atu r s u ch   as  p r o ac tiv h y b r id   cir c u it b r ea k er ; h y b r id   ci r cu it b r ea k er   with   C OM MU T AT I O N   b o o s ter s u p er c o n d u cto r   b ased   h y b r id   cir cu it  b r ea k er Z S C B   b ased   o n   C o u p led   I n d u cto r s ,   f ast  cu r r e n t   r elea s in g   SS C B   to p o lo g y ,   co u p led - in d u cto r   So lid   State  cir cu it  b r ea k er ,   g as  d is ch ar g t u b ( GDT )   b ased   cir cu it b r ea k er   [ 2 0 ] ,   [ 2 1 ] T ab l 1   s u m m ar izes th ad v an tag e s   an d   d is ad v an ta g es o f   th d if f er en t to p o l o g ies .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8 7 9 2   I n t J   Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.   10 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 2 1 :   2 1 7     229   220   T ab l 1 .   An   o v er v iew  o f   d if f er en DC   cir cu it  b r ea k er   t o p o lo g ies   S . L.   Ty p e   A d v a n t a g e s   D i sad v a n t a g e s   R e f e r e n c e s   C o n v e n t i o n a l   T o p o l o g y   1   M e c h a n i c a l   C i r c u i t   B r e a k e r   1.   Lo w   c o n t a c t   r e si s t a n c e   2 .   V e r y   l o w   p o w e r   l o sses   3 .   R e l a t i v e l y   l o w   c o s t   1 .   S l o w   o p e r a t i n g   s p e e d   2 .   Li m i t e d   c u r r e n t   i n t e r r u p t i o n   c a p a b i l i t y   3 .   Lo w   l i f e t i me   [9 - 1 0 ]   2   S o l i d - S t a t e   C i r c u i t   B r e a k e r   1 .   U l t r a   f a st   o p e r a t i o n   2 .   V e r y   l o n g   l i f e t i m e   1 .   H i g h   o n - st a t e   l o sses   2 .   R e l a t i v e l y   h i g h   c o st   3 .   B i g   s i z e   d u e   t o   h e a t si n k   [ 1 1 ] - [ 1 4 ]   3   C o n v e n t i o n a l   H y b r i d   C i r c u i t   B r e a k e r   1 .   Lo w   p o w e r   l o ss e s   2 .   N o   a r c i n g   o n   me c h a n i c a l   c o n t a c t s   3 .   R e a so n a b l e   o p e r a t i o n   s p e e d   1 .   C o mp l e x   t e c h n o l o g y   2 .   C u r r e n t   c o mm u t a t i o n   r e l i e o n   t h e   a r c   v o l t a g e   3 .   V e r y   e x p e n s i v e   [ 1 5 ] - [ 1 7 ]   4   Z - S o u r c e   C i r c u i t   B r e a k e r   1 .   A u t o m a t i c   t r i p p i n g   f o r   c r i t i c a l   f a u l t     2 .   Lo w e r   c o st   t h a n   S S C B s   3 .   R e a so n a b l e   o p e r a t i o n   s p e e d   1 .   Fa u lt m a g n itu d e  n e e d to  b e   h i g h e r   f o r   t r i p p i n g   2 .   C a n n o t   p r o v i d e   p r o l o n g e d   p r o t e c t i o n   3 .   N o   c o m mo n   g r o u n d   [ 1 8 ] ,   [ 1 9 ]   M o d i f i e d   M e c h a n i c a l   C i r c u i t   B r e a k e r   To p o l o g y   1 . 1   G a d i sc h a r g e   tu b e   ( G D T)   b a se d   c i r c u i t   b r e a k e r   1 .   F a st   o p e r a t i o n   2 .   R e a so n a b l e   e f f i c i e n c y   1 .   Li f e t i m e   n o t   p r o v e n   y e t   2 .   C o n t i n u o u p o w e r   r e q u i r e m e n t   3 .   Ex p e n s i v e     [ 1 9 ]   M o d i f i e d   S o l i d   S t a t e   T o p o l o g y   2 . 1   S S C B   To p o l o g y   w i t h   S e l f - A d a p t i n g   F a u l t   C u r r e n t   Li mi t e r   1 .   A u t o m a t i c   t r i p p i n g   f o r   se t   f a u l t   l e v e l   2 .   B i d i r e c t i o n a l   p o w e r   f l o w   c a p a b i l i t y   3 .   A u t o m a t i c   f a u l t   c u r r e n t   l i mi t i n g   c a p a b i l i t y   1 .   H i g h   o n - st a t e   l o sses   2 .   C o mp l e x   a r c h i t e c t u r e   3 .   B i g g e r   s i z e   4 .   R e l i a b i l i t y   n o t   p r o v e n   y e t   [ 1 1 ] ,   [ 2 0 ]   2 . 2   F a st   C u r r e n t   R e l e a s i n g   S S C B   To p o l o g y   1 .   F a st e r   o p e r a t i o n   2 .   S o f t   t u r n i n g   o f f   o p e r a t i o n   3 .   F r e e   f r o m s u r g e   v o l t a g e   4 .   V e r y   l o n g   l i f e t i m e   1 .   H i g h   o n - st a t e   l o sses   2 .   N o   b i d i r e c t i o n a l   p o w e r   f l o w   c a p a b i l i t y   3 .   S o u r c e   si d e   i n d u c t a n c e   h a m p e r c u r r e n t   i n t e r r u p t i o n   [ 1 4 ] ,   [ 2 0 ]   2 . 3   C o u p l e d - I n d u c t o r   S o l i d   S t a t e   C i r c u i t   B r e a k e r   1 .   A u t o m a t i c   t r i p p i n g   f o r   c r i t i c a l   f a u l t   2 .   F a u l t   c u r r e n t   i n o t   r e f l e c t e d   t o   t h e   so u r c e   1 .   N o   b i d i r e c t i o n a l   p o w e r   f l o w   c a p a b i l i t y   2 .   F a u l t   ma g n i t u d e   n e e d t o   b e   h i g h e r   f o r   t r i p p i n g   [ 2 0 ] ,   [ 22 ]   2 . 4   S e l f - P o w e r e d   S S C B   To p o l o g y   U si n g   S i C   JF ET   1 .   A u t o m a t i c   t r i p p i n g   f o r   c r i t i c a l   f a u l t   2 .   B i d i r e c t i o n a l   p o w e r   f l o w   c a p a b i l i t y   3 .   S e l f   p o w e r e d   h e n c e ,   n o   e x t e r n a l   p o w e r   su p p l y   i s re q u i r e d   1 .   H i g h   on - st a t e   l o sses   2 .   C o mp l e x   a r c h i t e c t u r e   3 .   F a u l t   ma g n i t u d e   n e e d t o   b e   h i g h e r   f o r   t r i p p i n g   [ 2 0 ] ,   [ 23 ]   M o d i f i e d   H y b r i d   T o p o l o g y   3 . 1   P r o a c t i v e   H y b r i d   C i r c u i t   B r e a k e r   1 .   F a st e r   o p e r a t i o n   2 .   R e a so n a b l e   e f f i c i e n c y   1 .   O n - st a t e   l o sse s i n   l o a d   c o mm u t a t i o n   sw i t c h   2 .   V e r y   e x p e n s i v e   [ 24 ] ,   [ 2 5 ]   3 . 2   H y b r i d   C i r c u i t   B r e a k e r   w i t h   C o mm u t a t i o n   B o o st e r   1 .   F a st e r   o p e r a t i o n   w i t h   h i g h   r a t e   o f   r i se  o f   t h e   f a u l t   c u r r e n t   1 .   Lo ss e i n   t h e   c o u p l e d   i n d u c t o r   2 .   V e r y   e x p e n s i v e   [ 5 ] ,   [ 6 ]   3 . 3   D C   C i r c u i t   B r e a k e r   w i t h   S u p e r c o n d u c t o r   b a s e d   C u r r e n t   Li mi t e r   1 .   Lo w   l o sses   2 .   I n h e r e n t   f a u l t   c u r r e n t   l i m i t i n g   1 .   S e l f - o s c i l l a t i o n   c i r c u i t   n e e d e d   f o r   t h e   mec h a n i c a l   sw i t c h   2 .   C r y o g e n i c   s y st e m re q u i r e d   3 .   V e r y   e x p e n s i v e   [ 5 ] ,   [ 6 ]   3 . 4   S u p e r c o n d u c t o r   b a s e d   H y b r i d   C i r c u i t   B r e a k e r   1 .   Lo w   l o sses   2 .   F a st   o p e r a t i o n   1 .   C r y o g e n i c   s y st e m re q u i r e d   2 .   V e r y   e x p e n s i v e   [2 6 ]   M o d i f i e d   Z - s o u r c e   T o p o l o g y   4 . 1   Bi - d i r e c t i o n a l   ZSCB   b a se d   o n   C r o ss   C o n n e c t i o n   1 .   F a u l t   c u r r e n t   i n o t   r e f l e c t e d   t o   t h e   so u r c e   2 .   B i d i r e c t i o n a l   p o w e r   f l o w   c a p a b i l i t y   3 .   M o d e r a t e   c o n d u c t i o n   l o s ses   1 .   N o   c o m mo n   g r o u n d   2 .   C o mp l e x   a r c h i t e c t u r e   3 .   B i g g e r   s i z e   4 .   R e l a t i v e l y   c o st l y   [ 1 8 ] ,   [ 2 0 ]   4 . 2   Bi - d i r e c t i o n a l   ZSCB   b a se d   o n   S e r i e s   C o n n e c t i o n   1 .   P r o v i d e c o mm o n   g r o u n d   2 .   B i d i r e c t i o n a l   p o w e r   f l o w   c a p a b i l i t y   3 .   M o d e r a t e   c o n d u c t i o n   l o s ses   1 .   F a u l t   c u r r e n t   i s refl e c t e d   t o   t h e   s o u r c e   2 .   C o mp l e x   a r c h i t e c t u r e   3 .   B i g g e r   s i z e   4 .   R e l a t i v e l y   c o st l y   [ 4 ] ,   [ 1 8 ] ,   [ 2 0 ]     4 . 3   Bi - d i r e c t i o n a l   ZSCB   b a se d   o n   C o u p l e d   I n d u c t o r s     1 .   P r o v i d e c o mm o n   g r o u n d   2 .   B i d i r e c t i o n a l   p o w e r   f l o w   c a p a b i l i t y   3 .   F a u l t   c u r r e n t   i n o t   r e f l e c t e d   t o   t h e   so u r c e   4 .   M o d e r a t e   c o n d u c t i o n   l o s ses   1 .   C o mp l e x   a r c h i t e c t u r e   2 .   B i g g e r   s i z e   3 .   R e l a t i v e l y   c o st l y   [ 4 ] ,   [ 1 8 ] ,   [ 2 0 ]       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   Ap p l Po wer   E n g   I SS N:  2252 - 8 7 9 2       P r o s p ec ts   o f reg en era tive  cu r r en t b r ea kin g   in   DC   circu it b r ea ke r   to p o lo g y   ( S .   M.  S a n z a d   Lu men )   221   Dif f er en ty p es  o f   DC C B   t o p o lo g ies  h av d if f er e n ad v an tag es  an d   lim itatio n s .   B u all  th e   to p o lo g ies  h av c o m m o n   d r awb ac k   in   ter m s   o f   cu r r en b r ea k in g   tech n i q u e.   Alm o s all  th to p o lo g ies  u s eith er   s n u b b er   n etwo r k   o r   im p ed an ce   n etwo r k   o r   n o n lin ea r   r esis to r   o r   co m b in atio n   o f   th em   as  ab s o r b er   cir cu it  to   d is s ip ate  th s to r ed   en er g y   o f   th n etwo r k   as  h e at  d u r in g   ea ch   cu r r e n b r ea k i n g   o p er atio n .   T h is   co n v en tio n al  cu r r e n b r ea k in g   tech n iq u m a k es  th DC C B   an   in ef f icien d e v ice  in   th n etwo r k .   B ec au s s ig n i f ican am o u n o f   e n er g y   is   wasted   d u r in g   ev er y   cu r r en b r ea k in g   o p er atio n   in   h ig h   cu r r e n n etwo r k .   B u in s tead   o f   d is s ip atin g ,   th e   s to r ed   en e r g y   ca n   b r eu s ed   i n   s im ilar   way   lik th e   r eg e n er ativ b r a k in g   in   elec tr ical  d r iv s y s tem   wo r k s .   As  we  ar s tr i v in g   f o r   m o r en er g y   ef f icien tech n o l o g y   f o r   ev e r y   d ay   ap p licatio n   f o r   s u s tain ab le  f u tu r e,   if   t h er is   s lig h test   s co p o f   en er g y   co n s er v atio n ,   it  s h o u ld   b g r asp e d   wh o le  h ea r ted ly .   Ho wev e r ,   f r o m   th k n o wled g o f   liter atu r e,   th er is   h ar d ly   f o u n d   an y   s tu d y   th at  d ea ls   with   en er g y   r eu s ca p ab ilit y   o f   a   DC C B   to p o lo g y .   Hen ce ,   th is   p ap er   will  e x p lo r e   th e   s co p es  an d   tech n iq u es  o f   cu r r en b r ea k in g   with   r eg e n er atio n ,   will  p r o p o s n ew  DC C B   to p o lo g y   with   en e r g y   r eg e n er atio n   ca p ab ilit y ,   will b u ild   th m ath em atic al  m o d ellin g   an d   v alid ate  th e   p r o p o s ed   co n ce p t t h r o u g h   s im u lati o n .       2.   P RO P O SE WO RK   R eg en er ativ b r ak i n g   is   well - k n o wn   tech n iq u u s ed   in   elec tr ical  d r iv s y s tem .   W h en   m o to r   r u n s ,   m ec h a n ical  en er g y   is   s to r ed   in   th r o to r   as  r o tatio n al  k in etic  en er g y .   I n   elec tr ical  d r i v s y s tem ,   wh en   a   r u n n in g   m o to r   n ee d s   f aster   d ea cc eler atio n ,   th d r iv s y s tem   f o r ce s   th m o to r   to   o p er at as  g en er ato r   b y   tak in g   elec tr ical  e n er g y   f r o m   i an d   f ee d in g   th is   elec tr ical   en er g y   b ac k   in to   th s o u r ce .   T h u s ,   th m e ch an ical  en er g y   o f   th r o to r   is   ab s o r b e d   b y   th d r iv s y s tem   an d   n eg ativ to r q u e   is   g en er ated   w h i ch   d ea cc eler ates  th m o t o r   f aster .   I n   a d d itio n ,   th en er g y   ab s o r b ed   b y   th e   d r iv s y s tem   is   r eu s ed   t o   r ec h ar g th e   b atter y   if   b atter y   was  u s ed   as  s o u r ce   o r   s im p ly   u s ed   to   s u p p ly   to   o th er   lo ad s   co n n ec ted   to   th s o u r ce .   T h is   tech n iq u in cr ea s es  th o v er all  ef f icien cy   o f   th s y s tem   o n   g r ea ter   s ca le.   Similar ly ,   in   D C   n etwo r k ,   en er g y   is   s to r ed   in   ter m s   o f   cu r r en in   th n et wo r k   in d u ctan ce s   an d   w h ile  b r ea k in g   th is   cu r r en t,  t h en er g y   ca n   b ab s o r b e d   an d   f ed   b ac k   to   th s o u r ce   a f te r war d s .   B r ief   s u m m ar y   o f   s o m r elate d   s ch o lar ly   an d   p aten te d   wo r k s   is   s h o wn   in   T ab le  2   wh ic h   estab lis h es  th at  th c o n ce p t   o f   r eg e n er ativ cu r r e n b r ea k in g   in   ci r cu it  b r ea k er   [ 2 1 ]   is   v er y   m u ch   n o v el  an d   th ter m in o l o g y   h as  n o b ee n   eith er   u s ed   in   an y   liter atu r e.   T h o u g h   s o m s tu d ies  p r esen ted   to p o lo g ies  wh ich   u tili ze   n etwo r k   en er g y   to   o p er ate  its elf   an d   d o es  n o r eq u ir an y   ex ter n a p o wer   [ 22] [ 2 3 ] ;   b u t th o s ar n o t d ea lin g   with   th g r ea ter   d o m ain   o f   en e r g y   r eg en er atio n .         T ab le  2 .   Su m m a r y   o f   r elate d   s ch o lar ly   an d   p aten te d   wo r k s   S . L.   S e a r c h e d   T i t l e   N u mb e r   o f   P a t e n t e d   W o r k s   F o u n d   N u mb e r   o f   S c h o l a r l y   W o r k s   F o u n d   R e mar k s   1   D C   c i r c u i t   b r e a k e r   4 2 , 4 6 3   2 , 6 3 1   -   2   D C   c i r c u i t   b r e a k e r   w i t h   r e g e n e r a t i v e   c u r r e n t   b r e a k i n g   0   23   N o n e   o f   t h e   sc h o l a r l y   w o r k s   i s   r e l a t e d   t o   t h e   R e g e n e r a t i v e   C u r r e n t   B r e a k i n g   p h e n o m e n o n   i n   D C C B .   3   R e g e n e r a t i v e   c u r r e n t   b r e a k i n g   i n   D C   c i r c u i t   b r e a k e r   2   23   N o n e   o f   t h e   se a r c h e d   r e s u l t s   i s   r e l a t e d   t o   t h e   R e g e n e r a t i v e   C u r r e n t   B r e a k i n g   i n s t e a d   t h e y   r e f e r   t o   R e g e n e r a t i v e   B r a k i n g   i n   e l e c t r i c a l   mo t o r   d r i v e s.   4   R e g e n e r a t i v e   e f f e c t   i n   D C   c i r c u i t   b r e a k e r   9   31   5   R e g e n e r a t i o n   i n   D C   c i r c u i t   b r e a k e r   15   44   N o n e   o f   t h e   p a t e n t e d   w o r k s   o r   s c h o l a r l y   w o r k i r e l a t e d   t o   t h e   R e g e n e r a t i o n   i n   C i r c u i t   B r e a k e r   i n st e a d   t h e y   r e f e r   t o   En e r g y   R e g e n e r a t i o n   i n   Tr a c t i o n   M o t o r s,  S t o r a g e   S y s t e m .   6   C i r c u i t   b r e a k e r   w i t h   r e g e n e r a t i o n   0   97   7   C i r c u i t   b r e a k e r   w i t h   e n e r g y   r e u se   c a p a b i l i t y   0   40   S o u r c e :   h t t p s: / / w w w . l e n s. o r g       Fig u r 3   p r esen ts   th p r o p o s ed   DC C B   to p o lo g y   wh ich   is   co n s is ted   o f   m ec h an ical  s witch es,  th y r is to r s ,   d io d es,  I GB T ,   ca p a cito r   an d   in d u cto r .   As  p er   th p r o p o s ed   r e g en er ativ e   cu r r en t   b r ea k in g   co n ce p t,   u p o n   r ec eiv in g   a   tr ip   s ig n al,   t h s o u r ce   cu r r en is   d i v er ted   f r o m   th e   m ain   b r a n ch   to   th e   im p ed an ce   n etwo r k   ( L - C   n etwo r k )   i n s id th cir cu it  b r ea k er   to   r ed u ce   t h cu r r e n to   ze r o   in itially an d   t o   s to r th en er g y   with in   th ca p ac ito r   in   ter m s   o f   v o lta g e.   On ce   th cu r r e n r ed u ce s   t o   ze r o ,   th lo ad   is   is o lated   f r o m   th s o u r ce   s id an d   s u b s eq u en tly   th s to r ed   e n er g y   o f   th ca p ac ito r   is   f ed   b ac k   in to   th s o u r ce   s id n etwo r k .   T h is   to p o lo g y   is   ex p ec ted   t o   r e g en er ate   en er g y   af ter   b r ea k in g   th e   cu r r en i n   an y   DC   n etwo r k .   T h e   d etail  wo r k in g   p r in ci p le  an d   m ath em atica l m o d ellin g   a r p r esen ted   in   s ec tio n   3.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8 7 9 2   I n t J   Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.   10 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 2 1 :   2 1 7     229   222       Fig u r 3 .   Pro p o s ed   DC C B   to p o lo g y       3.   RE S E ARCH   M E T H O D   T h is   s ec tio n   d escr ib es  t h r es ea r ch   m et h o d o lo g y ,   p r esen ts   th m eth o d o lo g y   f lo w   ch ar t,   a n d   f i n ally   d is cu s s es th m ath em atica l m o d ellin g   an d   wo r k in g   p r in cip l o f   th p r o p o s ed   to p o lo g y   th o r o u g h ly .     3 . 1 .   M et ho do lo g y   d etail  g r ap h ical  r ep r esen ta t io n   o f   th r esear ch   m eth o d o lo g y   is   s tated   in   Fig u r 4   th at  s h o ws   d if f er en p h ases   o f   th e   r esear c h .   T h r esear ch   wo r k   was  co n d u cted   th r o u g h   s im u latio n   a n d   an aly s is   to   m ee th f o llo win g   two   o b jectiv es:   a.   T o   d esig n   a n d   m o d el  n ew  D C C B   to p o lo g y   with   r e g en er ati v cu r r e n t b r ea k in g   ca p ab ilit y .   b.   T o   s im u late  an d   e v alu ate  th p er f o r m a n ce   o f   th p r o p o s ed   m o d el.     P ha s e - 1 :   L it er a t ure  re v iew  a nd   s im ula t io n o f   t he  ex is t ing   DCCB  m o dels   T h f ir s s tep   o f   th is   r esea r ch   was  to   ex ten s iv ely   g o   th r o u g h   liter atu r o n   d if f er e n DC C B   to p o lo g ies,  to   u n d er s tan d   th eir   wo r k in g   p r in ci p le  an d   to   f in d   o u th eir   lim itatio n s .   Sp ec ial  f o cu s   was  g iv en   to   th eir   cu r r e n t b r ea k in g   m ec h an is m s   to   ex p lo it th d r awb ac k s   an d   to   g en er ate  n ew  i d ea s   f o r   f ea s ib le  s o lu tio n .     P ha s e - 2 :   M o delin g   o f   t he  pro po s ed  re g ener a t iv curr ent   brea k ing   t ec hn iqu e   T h m ath em atica m o d el  o f   b o th   cu r r en b r ea k in g   an d   r eg e n er atio n   o p e r atio n   was  d ev elo p ed   in   th is   p h ase.   L ater ,   n ew  to p o lo g y   was  d ev is ed   to   b b est  f it ted   with   th m ath em atica m o d el  f o llo we d   b y   d ev elo p in g   co n tr o l a lg o r ith m   f o r   g en er atin g   co o r d in ated   s witch in g   s ig n als f o r   th e   to p o l o g y .       P ha s e - 3 :   Sim ula t io n a nd   a na ly s is   I n   th f in al  p h ase,   th p r o p o s e d   DC C B   was  s im u lated   in   PS I s o f twar e.   r ad ial  DC   n etwo r k   with   s o u r ce   r esis tan ce   an d   in d u cta n ce   was  u s ed   f o r   s im u latio n .   T h p r o p o s ed   DC C B   m o d el  was  ap p lied   in   th is   n etwo r k   to   b r ea k   th cu r r en t   an d   to   r eg en er ate  cu r r en af t er war d s .   I n   ad d itio n   to   th at,   p r o p er ties   s u ch   as   cu r r en b r ea k i n g   tim e,   v o ltag s tr ess   o n   th b r ea k er ,   v o ltag d is tu r b a n ce   in   th n etw o r k .   wer t h o r o u g h l y   in v esti g ated   an d   e v alu ated .           Fig u r 4 .   Me th o d o lo g y   f lo c h ar t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   Ap p l Po wer   E n g   I SS N:  2252 - 8 7 9 2       P r o s p ec ts   o f reg en era tive  cu r r en t b r ea kin g   in   DC   circu it b r ea ke r   to p o lo g y   ( S .   M.  S a n z a d   Lu men )   223   3 . 2 .   M o delin g   Ma th em atica m o d ellin g   o f   th p r o p o s ed   to p o lo g y   is   ex p lain ed   in   th is   s u b s ec tio n .   Nec ess ar y   d if f er en tial  eq u atio n s   b ased   o n   s im p le  cir cu ital  an aly s is   ar d ev elo p e d   an d   th e n   s o lv ed   to   f in d   th tim e   d o m ain   r esp o n s es wh ich   ju s tifie s   th wo r k in g   p r in cip le.       3 . 2 . 1 .     Ma t hem a t ica mo del f o curr ent   bre a k ing   T h p r o p o s ed   r eg e n er ativ c u r r en b r ea k in g   tech n i q u was   f o r m u lated   b ased   o n   th c o n ce p th at  in d u cto r   an d   ca p ac ito r   f o r m   r eso n an cir cu it   wh ich   c r ea tes  cu r r en t   o s cillatio n   wh en   co n n ec ted   to   a   v o ltag s o u r ce   an d   t h ey   s to r e n er g y   cy clica lly   in   ter m s   o f   c u r r en ( I )   an d   v o ltag e   ( V )   r esp ec tiv ely .   E n er g y   s to r ed   in   an   in d u cto r   a n d   ca p ac ito r   is   ca lcu lated   as  1 2 2   an d   1 2 2 r esp ec tiv ely   wh er e,   L   s tan d s   f o r   in d u ctan ce   an d   C   f o r   ca p ac itan ce .   As s h o wn   in   Fig u r 5 ( a) ,   wh en   cu r r en t f lo ws in   DC   n etwo r k ,   en er g y   is   s to r ed   in   th s o u r ce   in d u ctan ce   L s .   As  s o o n   as  th b r ea k er   r ec eiv es  tr ip   s ig n al,   th f ast - o p er atin g   m ec h a n ical  s witch   ( S2 )   o p en s ,   an d   an   ar v o ltag is   in itiated .   At   th s am tim e,   g ate  p u ls es   ar s en to   th th y r is to r s   ( T 1   &   T 2 ) .   Du to   th is   co m b in ed   ef f ec t,  t h lo ad   c u r r en is   co m m u tated   f r o m   th m ain   b r an ch   i n   to   th e   s ec o n d ar y   b r an c h   ( im p ed an ce   n etwo r k )   as  s h o w n   in   Fig u r e   5 ( b ) .   T h is   im p ed a n ce   n etwo r k   co n s is tin g   o f   L   a n d   C   g en er ates  cu r r en o s cillatio n   at  its   n atu r al  r eso n an f r eq u en cy .   T h is   cu r r en o s cillatio n   d iv e r ts   th m ain   b r an c h   cu r r en t   co m p letely   an d   th u s   th a r v o ltag ca n n o g o   v er y   h ig h   an d   th a r is   ex tin g u is h e d   v er y   q u ick ly .   T h cu r r en o s cillatio n   is   g o v er n ed   b y   ( 1 ) .   I is   to   b n o ted   th at  th s o u r ce   cu r r e n an d   lo ad   cu r r e n ar s y n o n y m o u s   h er e .             ( a)   ( b )       Fig u r 5 .   C u r r e n t b r ea k in g   o p er atio n   in   th p r o p o s ed   cir c u it b r ea k er ( a )   So u r ce   cu r r e n t p at h   b ef o r tr ip p i n g   in itiated ( b )   So u r ce   cu r r en t p a th   af ter   tr ip p i n g   in itiated       ( + )  ( )  + ( + )   ( ) + 1 ( )  = , ( = 0 ) = 0   ( 1 )     wh er e,   V = DC   s o u r ce   v o ltag e ,   L s = s o u r ce   in d u cta n ce ,   R s = s o u r ce   r esis tan ce ,   R L = lo ad   r esis tan ce ,   i( t) = s o u r ce   cu r r en t,  I o = in itial  v alu o f   s o u r ce   cu r r en t,  L = b r ea k er   in d u ct an ce ,   C = b r ea k er   ca p ac itan ce .   T h s o lu tio n   o f   ( 1 )   is   g iv en   b y   ( 2 )   wh e r e,   = ( + ) 2   ( + )   is   th d am p i n g   f ac to r ,   = 1 ( + )       is   th e   r eso n an ce   f r eq u en cy ,   = 2 2 ,   = 0   an d   = + 0 ( )    .     ( ) =  (   +   )   ( 2 )     In   ( 2 )   is   d am p ed   o s cillatio n   wh ich   d ec ay s   to   ze r o   u ltima tely   as  s h o wn   in   Fig u r 6 ( a) .   Ho wev er ,   d u r in g   th e   f ir s ze r o - cr o s s in g   p o in t   o f   th is   o s cillatin g   cu r r en t,  th t h y r is to r s   ( T 1   an d   T 2 )   ar t u r n e d   o f f   b y   n atu r al  co m m u tatio n   an d   th ca p ac ito r   C   r em ain s   ch ar g ed   as  s h o wn   in   Fig u r 6 ( b ) .   As  th th y r is to r s   ar n o w   tu r n ed   o f f ,   th lo a d   b ec o m es  t o tally   d is co n n ec ted   f r o m   th e   s o u r ce   c o m p letin g   th cu r r en b r ea k in g   o p e r atio n   s u cc ess f u lly .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8 7 9 2   I n t J   Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.   10 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 2 1 :   2 1 7     229   224       ( a)   ( b )       Fig u r 6 .   Dy n am ic  r esp o n s es d u r in g   cu r r e n t b r ea k in g   o p er at io n ( a)   C u r r e n t a n d   v o ltag o s cillatio n   as p er   ( 2 ) ( b )   C u r r e n t b r ea k in g   a n d   ca p a cito r   ch ar g i n g       3 . 2 . 2 .     M a t hem a t ica mo del f o re g ener a t io n   O n ce   th t h y r is to r s   ar e   tu r n e d   o f f ,   t h I GB T   tu r n s   o n   a n d   th e   ca p ac ito r   C   d is ch ar g es   th r o u g h   th e   in d u cto r   L ,   a n d   th u s   s to r ed   e n er g y   o f   th ca p ac ito r   is   tr an s f er r ed   to   th i n d u cto r   as  s h o wn   in   Fig u r 7 ( a ) .   T h e   cu r r en t   r esp o n s is   g o v er n ed   b y   ( 3 )   wh o s s o lu t io n   is   ( 4 )   wh e r e,   V co = in itial   ca p ac ito r   v o ltag e,   i r ( t) =r eg en er ated   cu r r e n t a n d   = 1       is   th r eso n an ce   f r eq u e n cy .             ( a)   ( b )       Fig u r 7 .   R eg en e r atio n   o p er ati o n   in   th e   p r o p o s ed   cir c u it b r ea k er ( a)   C ap ac ito r   t r an s f er s   en er g y   to   t h in d u cto r ( b )   I n d u cto r   r elea s es e n er g y   in   to   th e   s o u r ce   s id n etwo r k         ( )  + 1 ( )    = 0 ,   ( = 0 ) = 0 ,   ( = 0 ) =      ( 3 )     ( ) =   )   ( 4 )     I n   ( 4 )   is   a   s im p le  s in u s o id al  r esp o n s wh ich   c y clica lly   tr an s f er s   en er g y   b ac k   an d   f o r th   in   b etwe en   L   an d   C   as  ca n   b s ee n   i n   Fig u r 8 ( a) .   B u a s   s o o n   as  th ca p ac ito r   is   co m p letely   d is ch ar g e d   in   th is   o s cillatio n ,   th co n tr o l sy s tem   tu r n s   o f f   th I GB T   f o r cin g   th in d u cto r   c u r r en t to   f l o th r o u g h   d io d es  ( D1   &   D2 )   an d   th u s   en er g y   f r o m   i n d u cto r   is   r elea s ed   in to   t h s o u r ce   s id n etwo r k .   T h is   p h en o m en o n   o f   r el ea s in g   en er g y   b ac k   in to   th s o u r ce   s id n etwo r k   is   d ef in ed   as  r eg en er atio n   an d   is   s h o wn   in   Fig u r 8 ( b ) .   T h eq u atio n   f o r   th e   r eg en er ated   cu r r e n t a n d   its   tim d o m ain   r esp o n s ar g iv en   b y   ( 5 )   a n d   ( 6 )   r esp ec tiv ely .     ( + ) ( )  +   ( ) = , ( = 0 ) = 0     ( 5 )     ( ) = 0     +   + ( 1   +     ( 6 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   Ap p l Po wer   E n g   I SS N:  2252 - 8 7 9 2       P r o s p ec ts   o f reg en era tive  cu r r en t b r ea kin g   in   DC   circu it b r ea ke r   to p o lo g y   ( S .   M.  S a n z a d   Lu men )   225   wh er e,   Vco =in itial  ca p ac ito r   v o ltag e,   I r o =in itial  in d u cto r   c u r r en t.  T h r eg en e r ated   cu r r en ir ( t)   f r o m   in d u cto r   L   h as  p ea k   v alu o f   I r o   th at  ex p o n en tially   r e d u ce s   to   ze r o   wh ile  b ein g   f e d   b ac k .   O n ce   th r eg en er ate d   cu r r en t r e d u ce s   to   ze r o ,   th a u x iliar y   s witch   ( S1 )   tu r n s   o f f   a n d   th b r ea k er   r ese ts   f o r   n e x o p er atio n .           ( a)   ( b )       Fig u r 8 .   Dy n am ic  r esp o n s es d u r in g   r eg e n er atio n ( a )   C u r r e n t a n d   v o ltag o s cillatio n   as p er   ( 4 ) ( b )   R eg en er ated   cu r r en t a s   p er   ( 6 )       4.   RE SU L T S   AND  D I SCU SS I O N   T h is   s ec tio n   d is cu s s e s   th r es u lts   o f   th s im u latio n   s tu d ies  an d   th u s   v alid ates  th p r o p o s e d   co n ce p t.   T h p r o p o s ed   DC C B   to p o lo g y   was  m o d eled   an d   s im u lated   in   PS I s o f twar e.   B o th   cu r r en b r ea k i n g   an d   r eg en er ativ ac tio n   o f   th p r o p o s ed   to p o lo g y   wer s tu d ied   an d   v alid ated .       4 . 1 .     Sim ula t i o n   F o r   s im p licity ,   s im p le  r ad ial  DC   n etwo r k   as sh o wn   in   Fig u r 9   was sim u lated   tak in g   th f o llo win g   s im u latio n   p ar am ete r s V DC = 4 0 0   V,   L S = 2 0 0   m H,   R S = 0 . 1   ,   R L = 0 . 9   ,   L = 5 0   m H,   a n d   C = 2 0 0 0   µ F.   T h e   s im u latio n   was  r u n   f o r   2   s ec o n d   an d   s atis f ac to r y   r esu lts   as  d is cu s s ed   in   th e   f o llo win g   s u b s ec tio n s   wer f o u n d .           Fig u r 9 .   Simu lated   DC   n etwo r k       4. 1 . 1 .     Curre nt  brea k ing   T h cu r r en c o m m u tatio n ,   r e d u ctio n   a n d   v o ltag e   ac r o s s   m ain   co n tact   ar s h o wn   in   Fig u r 1 0 ( a)   wh ich   s h o ws  th at  th DC C B   t u r n s   o n   at  tim e,   t = 0 . 0 5 5   s   u p o n   r ec eiv in g   clo s in g   p u ls an d   th s o u r ce   cu r r e n t   r is es  an d   r ea ch es  to   4 0 0   A.   A tim e,   t = 1 . 5   s ,   th ci r cu it  b r e ak er   r ec eiv es  tr ip   s ig n al  an d   th tr ip p in g   s tar ts .   At  th in itiatio n   o f   tr ip p in g ,   t h m ain   co n tact  o p en ,   an d   th th y r is to r s   tu r n   o n   f o r cin g   th s o u r ce   c u r r e n to   s h if in to   th im p ed an ce   n etw o r k   as  ca n   b s ee n   in   Fig u r 1 0 ( a) .   T h im p ed a n ce   n etwo r k   f o r m s   r eso n an ce   an d   d u to   t h r eso n a n ce   ef f ec t,  th cu r r en ze r o   p o in is   cr ea ted ,   an d   th t h y r is to r s   tu r n   o f f   at  th is   p o i n is o latin g   th lo ad   f r o m   th s o u r ce   s id e.   Fig u r 1 0 ( b )   s h o ws  th cu r r en an d   v o ltag e   r esp o n s es  in   th im p ed an ce   n etwo r k .   As  th cu r r en ze r o   p o in is   r ea ch ed   an d   th y r is to r s   tu r n   o f f ,   th ca p ac ito r   r em ain s   ch ar g ed   u n til  it  d is ch ar g es  d u r in g   r e g en er atio n .   T h e   cu r r en b r ea k in g   tim f o u n d   i n   t h s im u latio n   was  r ec o r d e d   as 5 1 . 6   m s .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8 7 9 2   I n t J   Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.   10 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 2 1 :   2 1 7     229   226       ( a)   ( b )       Fig u r 1 0 .   C u r r en ts   an d   v o ltag es in   th m ain   b r an ch   a n d   im p ed an ce   n etwo r k   d u r in g   cir cu it  b r ea k er   o p er atio n ( a)   C u r r en t c o m m u tatio n   an d   s witch   v o ltag e ( b )   C u r r e n t a n d   v o ltag in   t h im p ed a n ce   n et wo r k       4 . 1 . 2 .     Reg ener a t io n   W h en   th s o u r ce   cu r r en r e d u ce s   to   ze r o ,   th DC C B   b ec o m es  r ea d y   f o r   r eg en e r atio n   s eq u en ce .   T h e   I GB T   tu r n s   o n   at  tim e,   t = 1 . 5 7   s   an d   th e   ch ar g ed   ca p ac it o r   s tar ts   d is ch ar g in g   to   th i n d u cto r .   E n e r g y   is   tr an s f er r ed   f r o m   th ca p ac ito r   to   th in d u ct o r .   As  s o o n   as  th ca p ac ito r   d is ch ar g es  co m p l etely   an d   ca p ac ito r   v o ltag b ec o m es  ze r o ,   th e   I G B T   tu r n s   o f f   f o r ci n g   th i n d u cto r   to   co n d u ct   th r o u g h   d i o d e s .   As   r esu lt,   th e   in d u cto r   r elea s es  th en er g y   i n to   th s o u r ce   s id n etwo r k   a n d   r e g en er atio n   tak es  p lace .   T h in d u cto r   c u r r en t   wh ich   later   b ec o m es  r eg e n er a ted   cu r r en is   s h o wn   in   Fig u r e   1 0 ( b ) .   s im p le  co n tr o alg o r ith m   g en er ates  th co o r d in ate d   s witch in g   s ig n als  f o r   th s witch in g   d e v ices.  T h co n tr o a n d   s witch in g   s ig n als  ar s h o wn   in   Fig u r 1 1 ( a) .   T h m ec h an ical   s witch es  tu r n   o n   u p o n   r ec ei v in g   a   clo s in g   p u ls e.   Switch   ( S2 )   tu r n s   o f f   an d   th y r is to r s   tu r n   o n   u p o n   r ec ei v in g   tr i p p in g   p u ls e.   T h e n   t h I GB T   tu r n s   o n   to   in itiate   r eg en er atio n .   T h r eg en er ated   cu r r en an d   p o wer   alo n g   with   s o u r ce   v o ltag e   ar e   s h o wn   in   Fig u r 1 1 ( b ) .   I is   f o u n d   th at  1 1 1   A   o f   av er ag cu r r en with   p ea k   v alu o f   1 2 5   an d   ar o u n d   7 8   MW  o f   av er ag p o wer   with   p ea k   v alu o f   3 1 2   MW  h av b ee n   r eg en er ate d   f r o m   th b r ea k in g   o f   4 0 0   cu r r en t.  T h en e r g y   d e n s ity   d u r i n g   r eg en e r atio n   is   v er y   h ig h   s in ce   th e   r eg e n er ati o n   tim e   p er io d   is   v er y   s m all,   0 . 1 5   m s   o n ly .   T h e   am o u n o f   r eg en er ated   en e r g y   is   ca lcu lated   as 1 1 . 8 7   k J .   T h s u m m ar y   o f   th s im u latio n   r e s u lt is   s h o wn   in   T ab le  3 .       T ab le  3 .   Simu latio n   r esu lts   S . L.   C r i t e r i a   A c h i e v e me n t   1   C u r r e n t   B r e a k i n g   Ti me  ( T t r i p )   5 1 . 6   ms   2   R e g e n e r a t e d   C u r r e n t   ( I R )   1 1 1   A   ( A v e r a g e )   3   R e g e n e r a t e d   P o w e r   ( P R )   7 8   M W   ( A v e r a g e )   4   R e g e n e r a t e d   E n e r g y   ( E R )   1 1 . 8 7   k J   5   En e r g y   R e c o v e r y   Ef f i c i e n c y   ( ɳ )   3 5 . 4 %     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.