Schakelaars groeperen in HVDC-netwerken

Spanningsafschakelaars voor HVDC:
Spanningsafschakelaars (DS) voor HVDC worden gebruikt om verschillende circuits in HVDC-transmissienetten te ontkoppelen. Bijvoorbeeld, de HVDC DS wordt toegepast voor schakelopdrachten zoals het schakelen van lijn- of kabel-ladingstroom, niet belaste lijn- of kabel-overdrachtsschakeling, naast het ontkoppelen van apparatuur waaronder een omvormerbank (thyristorval), een filterbank en een aardingslijn. De HVDC DS wordt ook toegepast op DC-schakelapparatuur om de resterende of lekstroom door een onderbreker te beëindigen nadat een foutstroom is geëlimineerd.

Figuur 1: Voorbeeld van een enkel-polendiagram van HVDC-afschakelaar in een bipolaire HVDC-systeem

Figuur 1 toont een voorbeeld van een enkel-polendiagram met gerelateerde schakelequipment (met uitzondering van de Metalen terugkeeroverdrachtschakelaar) in het bipolaire HVDC-transmissiesysteem in Japan. In het algemeen zijn de eisen voor HVDC DS en ES in het HVDC-systeem vergelijkbaar met de HVAC DS en ES die in het AC-systeem worden gebruikt, maar sommige apparatuur heeft extra eisen afhankelijk van hun toepassing. Tabel 1 geeft de belangrijkste schakelopdrachten die aan deze HVDC DS worden opgelegd (CIGRE JWG A3/B4.34 2017).

Tabel 1: Belangrijkste schakelopdrachten van afschakelaar (DS) toegepast op het bipolaire HVDC-systeem

Groepen spanningsafschakelaars voor HVDC:
Groep A: De DS moet de lijn-ontladingstroom onderbreken als gevolg van resterende ladingen van een onderzeese kabel met een relatief grote capaciteit (ongeveer 20 μF). De resterende spanning die in de lijn wordt geïnduceerd na een stoppen van de omvormer wordt via een dempercircuit in de omvormerbank aan beide C/Ss (Anan C/S en Kihoku C/S) naar de grond afgevoerd. De tijdconstante voor de ontlading is ongeveer 40 s, wat overeenkomt met een ontladingstijd van 3 minuten. De ontladingstroom werd ingesteld op 0,1 A op basis van de waarde berekend uit de resterende spanning van 125 kV en de weerstand van het dempercircuit in de thyristorval.

Groep B: De DS wordt normaal gesproken gebruikt om een defecte transmissielijn te schakelen naar een gezonde neutrale lijn om de neutrale lijn tijdelijk of permanent als transmissielijn te gebruiken nadat het systeem volledig is gestopt. Dit vereist dezelfde specificaties als de groep A DS.

Groep C: De DS moet de nominale belastingstroom overdragen van de DS naar de bypassschakelaar (BPS) die parallel is verbonden met een omvormerbank om de bankunit opnieuw op te starten. De specificatie van de overdrachtstroom is 2800 A in dit project. Figuur 2 illustreert een proces van nominale stroomoverdracht van de DS naar de BPS.

Ten eerste wordt de bovenste omvormerbankunit gestopt en de onderste omvormerbankunit blijft werken. Om de bovenste bankunit vanuit een gestopte toestand te laten werken, wordt de DS C1 geopend om de nominale stroom over te hevelen naar de BPS. Op basis van de analyse met een equivalent circuit van het stroomoverdrachtproces zoals getoond in figuur 2 c, worden de eisen voor de groep C DS gegeven door de spanning van DC 1 V bij een nominale stroom van 2800 A, waarbij de spanning is berekend met de weerstand en zelfinductie per lengte-eenheid die overeenkomt met de stroomoverdrachtlengte inclusief DC-GIS.

Figuur 2: Stroomoverdracht DS-operatie van groep C. (a) DS gesloten positie, (b) DS open positie, (c) equivalent circuit van DS

Groep D: De DS moet de laadstroom van de omvormerbank onderbreken wanneer een omvormerbankunit wordt gestopt. Zelfs als de thyristorval wordt gestopt, stroomt er een rippelstroom door de parasitaire capaciteit van de omvormerbank. Het analyseresultaat toont aan dat het zeer waarschijnlijk is dat de rippelstroom minder dan 1 A wordt afgekapt, en de herstelspanning als gevolg van het verschil tussen de resterende DC-spanning aan de omvormerkant en de DC-spanning aan de lijnkant die rippelcomponenten bevat, minder dan 70 kV bedraagt, zoals weergegeven in figuur 3.

Figuur 3: Spanningsverschil tussen DS-contacten

Conclusie over de groepering van HVDC-afschakelaars:
De schakelperformantie van alle HVDC DS's van groepen A tot D is ontworpen op basis van de AC DS, en de prestatie is bevestigd door fabriekstests met de testomstandigheden zoals weergegeven in tabel 1. Er zijn geen significante ontwerpverschillen tussen HVAC DS en HVDC DS, behalve voor de kruipsnelheid, die ongeveer 20% langer is voor HVDC-toepassingen.

Figuur 4: DC-DS&ES, DC-CT&VT, DC-MOSA (LA) gebruikt voor 500 kV-DC GIS

Gasgeïsoleerde schakelapparatuur (DC-GIS) bestaande uit verschillende HVDC DS en aardingsschakelaars (ES) wordt ook toegepast in HVDC-netwerken dicht bij de kustlijn. Figuur 4 toont een voorbeeld van DC-GIS inclusief DC DS en DC ES die werden geïnstalleerd in de omvormerstation in het bipolaire HVDC-systeem, dat in 2000 in gebruik werd genomen.