Ομαδοποίηση Διακόπτων σε Δίκτυα Υψηλής Τάσης Μέσω Εναλλασσόμενου Στροφούμενου Ρεύματος (HVDC)

Αποσυνεκτικοί διαχωριστές HVDC:
Οι αποσυνεκτικοί διαχωριστές HVDC (DS) χρησιμοποιούνται για την αποσύνδεση διάφορων κύκλων σε δίκτυα μεταφοράς HVDC. Για παράδειγμα, οι αποσυνεκτικοί διαχωριστές HVDC εφαρμόζονται σε λειτουργίες σύνδεσης-αποσύνδεσης όπως η σύνδεση-αποσύνδεση ρεύματος φόρτισης γραμμής ή καλωδίου, η μεταφορά ρεύματος σε κενή γραμμή ή καλώδιο, καθώς και η αποσύνδεση εξοπλισμού που περιλαμβάνει μια μονάδα μετατροπέα (thyristor valve), ένα σύνολο φίλτρων και μια γραμμή συνδεδεμένη στη γη. Οι αποσυνεκτικοί διαχωριστές HVDC εφαρμόζονται επίσης σε DC switchgear για την τερματισμό του υπόλοιπου ή του ρεύματος διαρροής μέσω ενός interrupter μετά την εξάλειψη ενός ρεύματος σφάλματος.

Σχήμα 1: Παράδειγμα διαγράμματος μονοπόλου αποσυνεκτικού διαχωριστή HVDC σε δίπολο σύστημα HVDC

Το Σχήμα 1 δείχνει ένα παράδειγμα διαγράμματος μονοπόλου με σχετικό εξοπλισμό σύνδεσης-αποσύνδεσης (εκτός από τον Metallic return transfer breaker) στο δίπολο σύστημα μεταφοράς HVDC στην Ιαπωνία. Σε γενικές γραμμές, οι απαιτήσεις για τους αποσυνεκτικούς διαχωριστές HVDC και ES στο σύστημα HVDC είναι παρόμοιες με τους αποσυνεκτικούς διαχωριστές και ES που χρησιμοποιούνται στο AC σύστημα, αλλά κάποιος εξοπλισμός περιλαμβάνει πρόσθετες απαιτήσεις ανάλογα με την εφαρμογή του. Η Πίνακας 1 δίνει τις βασικές λειτουργίες σύνδεσης-αποσύνδεσης που επιβάλλονται σε αυτούς τους αποσυνεκτικούς διαχωριστές HVDC (CIGRE JWG A3/B4.34 2017).

Πίνακας 1: Βασικές λειτουργίες σύνδεσης-αποσύνδεσης του αποσυνεκτικού διαχωριστή (DS) που εφαρμόζονται στο δίπολο σύστημα HVDC

Ομάδες αποσυνεκτικών διαχωριστών HVDC:
Ομάδα A: Ο DS απαιτείται να διακόψει το ρεύμα φόρτισης της γραμμής λόγω υπόλοιπων φορτίων ενός υποθαλάσσιου καλωδίου με σχετικά μεγάλη χωρητικότητα (περίπου 20 μF). Το υπόλοιπο τάση που προκαλείται στη γραμμή μετά από την παύση του μετατροπέα εκκαθαρίζεται μέσω ενός snubber circuit στη μονάδα μετατροπέα σε και τα C/Ss (Anan C/S και Kihoku C/S) στη γη. Η σταθερά χρόνου εκκαθάρισης είναι περίπου 40 s, που αντιστοιχεί σε χρόνο εκκαθάρισης 3 λεπτά. Το ρεύμα εκκαθάρισης έχει οριστεί σε 0.1 A βάσει της τιμής που υπολογίστηκε από την υπόλοιπη τάση 125 kV και την αντίσταση του snubber circuit στην thyristor valve.

Ομάδα B: Ο DS χρησιμοποιείται συνήθως για την αλλαγή μιας σε σφάλμα γραμμής σε μια υγιή γραμμή ουδετερότητας, ώστε να χρησιμοποιηθεί η γραμμή ουδετερότητας προσωρινά ή μόνιμα ως γραμμή μεταφοράς μετά την πλήρη στασιμότητα του συστήματος. Αυτό απαιτεί τις ίδιες προδιαγραφές με τον DS της ομάδας A.

Ομάδα C: Ο DS απαιτείται να μεταφέρει το ρεύμα επιφανειακής φόρτισης από το DS στον bypass switch (BPS) που συνδέεται παράλληλα με μια μονάδα μετατροπέα, ώστε να επανεκκινηθεί η μονάδα. Οι προδιαγραφές για το μεταφερόμενο ρεύμα είναι 2800 A σε αυτό το έργο. Το Σχήμα 2 δείχνει τη διαδικασία μεταφοράς του επιφανειακού ρεύματος από το DS στο BPS.

Στην αρχή, η πάνω μονάδα μετατροπέα σταματά και η κάτω μονάδα μετατροπέα λειτουργεί. Για να λειτουργήσει η πάνω μονάδα μετατροπέα από στατική κατάσταση, ο DS C1 ανοίγει επόμενα για να μεταφέρει το επιφανειακό ρεύμα στο BPS. Με βάση την ανάλυση με ισοδύναμο πλήρες της διαδικασίας μεταφοράς ρεύματος που δείχνεται στο Σχήμα 2c, οι απαιτήσεις για τον DS της ομάδας C είναι δεδομένες από την τάση DC 1 V σε επιφανειακό ρεύμα 2800 A, όπου η τάση υπολογίστηκε με την αντίσταση και την αυξομαγνητικότητα ανά μονάδα μήκους αντίστοιχης με το μήκος μεταφοράς ρεύματος, περιλαμβανομένου του DC-GIS.

Σχήμα 2: Λειτουργία μεταφοράς ρεύματος DS της ομάδας C. (a) θέση κλεισίματος DS, (b) θέση ανοίγματος DS, (c) ισοδύναμο πλήρες του DS

Ομάδα D: Ο DS απαιτείται να διακόψει το ρεύμα φόρτισης της μονάδας μετατροπέα όταν η μονάδα μετατροπέα σταματά. Ακόμη και αν η thyristor valve σταματήσει, ένα ρεύμα ripple κυκλοφορεί μέσω της τυχαίας χωρητικότητας της μονάδας μετατροπέα. Το αναλυτικό αποτέλεσμα δείχνει ότι είναι πιθανό το ρεύμα ripple να κόψει λιγότερο από 1 A, και η τάση ανάκαμψης λόγω της διαφοράς μεταξύ της υπόλοιπης DC τάσης της πλευράς μετατροπέα και της DC τάσης της πλευράς γραμμής, η οποία περιλαμβάνει συστατικά ripple, είναι λιγότερη από 70 kV όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.

Σχήμα 3: Διαφορά τάσης μεταξύ των επαφών DS

Συμπέρασμα για την ομαδοποίηση αποσυνεκτικών διαχωριστών HVDC:
Η λειτουργία σύνδεσης-αποσύνδεσης όλων των αποσυνεκτικών διαχωριστών HVDC των ομάδων A μέχρι D σχεδιάστηκε με βάση τους αποσυνεκτικούς διαχωριστές AC, και η απόδοσή τους επιβεβαιώθηκε με εργαστηριακές δοκιμές με τις συνθήκες που δείχνονται στον Πίνακα 1. Δεν υπάρχουν σημαντικές διαφορές στο σχεδιασμό μεταξύ HVAC DS και HVDC DS εκτός από την απόσταση άνοδου, η οποία είναι περίπου 20% μεγαλύτερη για εφαρμογές HVDC.

Σχήμα 4: DC-DS&ES, DC-CT&VT, DC-MOSA (LA) χρησιμοποιούνται για 500 kV-DC GIS

Ο εξοπλισμός αποσυνέκτησης με αέριο (DC-GIS) αποτελούμενος από αρκετούς αποσυνεκτικούς διαχωριστές HVDC και επιχωριστές (ES) εφαρμόζεται επίσης σε δίκτυα HVDC κοντά στην ακτή. Το Σχήμα 4 δείχνει ένα παράδειγμα DC-GIS που περιλαμβάνει DC DS και DC ES που εγκαταστάθηκαν στο σταθμό μετατροπής στο δίπολο σύστημα HVDC, το οποίο έγινε λειτουργικό το 2000.