گروه‌بندی کلیدهای جداکننده در شبکه‌های HVDC

سوییچ‌های جداکننده HVDC:
سوییچ‌های جداکننده HVDC (DS) برای قطع مسیرهای مختلف در شبکه‌های انتقال HVDC استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، DS HVDC برای وظایف تغییر مسیری چون جریان شارژ خط یا کابل، خط بدون بار یا تغییر مسیر کابل، علاوه بر قطع تجهیزات شامل بانک تبدیل‌کننده (دریچه تایریستور)، بانک فیلتر و خط زمینی استفاده می‌شود. DS HVDC همچنین در دستگاه‌های سوئیچ DC استفاده می‌شود تا پس از رفع جریان خطا، جریان باقیمانده یا نشتی را از طریق یک مختل‌کننده متوقف کند.

شکل ۱: مثالی از نمودار تک قطبی سوییچ جداکننده HVDC در سیستم HVDC دوقطبی

شکل ۱ نمونه‌ای از نمودار تک قطبی با تجهیزات مرتبط با تغییر مسیر (به جز سوییچ قطع کننده بازگشت فلزی) در سیستم انتقال HVDC دوقطبی در ژاپن را نشان می‌دهد. به طور کلی، نیازمندی‌های DS و ES در سیستم HVDC مشابه DS و ES استفاده شده در سیستم AC است، اما برخی تجهیزات شامل نیازمندی‌های اضافی با توجه به کاربرد آنها می‌شود. جدول ۱ مهم‌ترین وظایف تغییر مسیری که بر DS HVDC (CIGRE JWG A3/B4.34 2017) تحمیل می‌شود را ارائه می‌دهد.

جدول ۱: مهم‌ترین وظایف تغییر مسیری سوییچ جداکننده (DS) که در سیستم HVDC دوقطبی استفاده می‌شود

گروه‌های سوییچ جداکننده HVDC:
گروه A: DS باید قادر به قطع جریان شارژ خط باقیمانده باشد که ناشی از ظرفیت نسبتاً بزرگ کابل زیرآبی (تقریباً ۲۰ میکروفاراد) است. ولتاژ باقیمانده در خط پس از توقف تبدیل‌کننده از طریق مدار سنبک در بانک تبدیل‌کننده در هر دو C/S (C/S Anan و C/S Kihoku) به زمین تخلیه می‌شود. ثابت زمانی تخلیه حدود ۴۰ ثانیه است که معادل زمان تخلیه ۳ دقیقه است. جریان تخلیه به ۰٫۱ آمپر تنظیم شده است بر اساس مقدار محاسبه شده از ولتاژ باقیمانده ۱۲۵ کیلوولت و مقاومت مدار سنبک در دریچه تایریستور.

گروه B: DS معمولاً برای تغییر مسیر خط انتقال خراب به خط نیوترال سالم استفاده می‌شود تا خط نیوترال به صورت موقت یا دائمی بعد از توقف کامل سیستم به عنوان خط انتقال استفاده شود. این نیازمندی‌های مشابه گروه A DS را دارد.

گروه C: DS باید قادر به انتقال جریان بار اسمی از DS به سوییچ دورزدن (BPS) که موازی با بانک تبدیل‌کننده است، باشد تا واحد بانک را مجدداً شروع کند. مشخصات جریان انتقال در این پروژه ۲۸۰۰ آمپر است. شکل ۲ فرآیند انتقال جریان اسمی از DS به BPS را نشان می‌دهد.

در ابتدا واحد بانک تبدیل‌کننده بالایی متوقف شده و واحد بانک تبدیل‌کننده پایینی در حال عملیات است. برای عملیات واحد بانک بالایی از حالت متوقف، DS C1 باز می‌شود تا جریان اسمی به BPS منتقل شود. بر اساس تحلیل با مدار معادل فرآیند انتقال جریان نشان داده شده در شکل ۲c، نیازمندی‌های گروه C DS با ولتاژ DC ۱ ولت در جریان اسمی ۲۸۰۰ آمپر تعیین می‌شود، که ولتاژ با مقاومت و القای واحد طول متناظر با طول انتقال جریان شامل DC-GIS محاسبه شده است.

شکل ۲: عملیات DS انتقال جریان گروه C. (a) موقعیت بسته DS، (b) موقعیت باز DS، (c) مدار معادل DS

گروه D: DS باید قادر به قطع جریان شارژ بانک تبدیل‌کننده باشد وقتی که واحد بانک تبدیل‌کننده متوقف می‌شود. حتی اگر دریچه تایریستور متوقف شود، جریان نوسانی از طریق ظرفیت پراکنده بانک تبدیل‌کننده می‌گذرد. نتیجه تحلیل نشان می‌دهد که احتمال بسیار بالایی وجود دارد که جریان نوسانی کمتر از ۱ آمپر قطع شود و ولتاژ بازیابی ناشی از تفاوت بین ولتاژ DC باقیمانده سمت تبدیل‌کننده و ولتاژ DC سمت خط که شامل مؤلفه‌های نوسانی است کمتر از ۷۰ کیلوولت است، مانند آنچه در شکل ۳ نشان داده شده است.

شکل ۳: تفاوت ولتاژ بین تماس‌های DS

نتیجه‌گیری درباره گروه‌بندی سوییچ‌های جداکننده HVDC:
عملکرد تمام DS‌های HVDC گروه‌های A تا D بر اساس DS AC طراحی شده و عملکرد آنها با تست‌های کارخانه‌ای با شرایط تستی نشان داده شده در جدول ۱ تأیید شده است. تفاوت‌های طراحی قابل توجهی بین DS HVAC و DS HVDC وجود ندارد به جز فاصله خزنده که برای کاربردهای HVDC حدود ۲۰٪ بیشتر است.

شکل ۴: DC-DS&ES، DC-CT&VT، DC-MOSA (LA) استفاده شده برای GIS ۵۰۰ کیلوولت-DC

تجهیزات سوئیچ با عایق گازی (DC-GIS) تشکیل شده از چندین DS و سوییچ زمینی (ES) نیز در شبکه‌های HVDC نزدیک ساحل استفاده می‌شود. شکل ۴ نمونه‌ای از DC-GIS شامل DS و ES که در ایستگاه تبدیل‌کننده در سیستم HVDC دوقطبی که در سال ۲۰۰۰ بهره‌برداری شد نصب شده است را نشان می‌دهد.