قاطع دارة التيار الكهربائي المباشر عالي الجهد
مفاتيح الدائرة ذات التيار المباشر عالي الجهد: الوظائف والتحديات والحلول
تعتبر مفتاح الدائرة ذات التيار المباشر عالي الجهد (HVDC) جهاز تبديل متخصص صمم لقطع تدفق التيار المباشر غير الطبيعي داخل الدائرة الكهربائية. عند حدوث عطل في النظام، تتفرع الأجزاء الميكانيكية لمفتاح الدائرة وبالتالي فتح الدائرة. ومع ذلك، فإن قطع الدائرة في نظام HVDC يعتبر مهمة صعبة بالمقارنة مع نظيره ذو التيار المتردد (AC). هذا يعود أساساً إلى أن التيار في دوائر HVDC يتدفق في اتجاه واحد ولا يمر بشكل طبيعي عبر نقاط الصفر للتيار، والتي تعتبر ضرورية لإخماد القوس الكهربائي في مفاتيح الدائرة ذات التيار المتردد.
الوظيفة الأساسية لمفتاح الدائرة ذات التيار المباشر عالي الجهد هي قطع تدفقات التيار المباشر العالي الجهد في شبكة الطاقة. بينما يمكن لمفاتيح الدائرة ذات التيار المتردد قطع القوس بسهولة عندما يصل التيار إلى نقطة الصفر الطبيعية في شكل الموجة المتناوبة. في هذه اللحظة التي يكون فيها التيار صفرًا، تكون الطاقة التي يجب قطعها أيضًا صفرًا، مما يسمح للمسافة بين الأجزاء بالتغلب على قوتها العازلة وتحمل الجهد المستعاد المؤقت الطبيعي.
في مفاتيح الدائرة ذات التيار المباشر عالي الجهد، فإن الوضع أكثر تعقيدًا بكثير. بما أن شكل الموجة المباشر لا يحتوي على أصفار طبيعية للتيار، يمكن أن يؤدي قطع القوس بالإجبار إلى إنتاج جهود استعادة مؤقتة عالية جدًا. بدون قطع قوس مناسب، هناك خطر من إعادة الاشتعال، مما قد يؤدي في النهاية إلى تدمير أجزاء مفتاح الدائرة. عند تصميم مفاتيح الدائرة ذات التيار المباشر عالي الجهد، يجب على المهندسين التعامل مع ثلاثة تحديات رئيسية:
إنشاء صفر تيار اصطناعي: هذا أمر أساسي لإخماد القوس لأن عدم وجود أصفار طبيعية للتيار في التيار المباشر يجعل قطع القوس صعبًا.
منع إعادة الاشتعال: بعد قطع القوس، يجب اتخاذ تدابير لمنعه من إعادة الاشتعال، مما قد يتسبب في تلف مفتاح الدائرة واضطراب النظام.
تبدد الطاقة المخزنة: يجب تبدد الطاقة المخزنة في مكونات النظام بأمان لتجنب المخاطر المحتملة.
للتغلب على عدم وجود أصفار طبيعية للتيار، تستفيد مفاتيح الدائرة ذات التيار المباشر عالي الجهد من مبدأ إنشاء أصفار تيار اصطناعية لإخماد القوس. أحد الأساليب الشائعة يشمل تقديم دائرة L-C موازية (ملف كهرومغناطيسي - مكثف). عند تفعيل هذه الدائرة، تؤدي إلى تذبذب تيار القوس. هذه التذبذبات شديدة وتولد العديد من الأصفار الاصطناعية للتيار. ثم يقوم مفتاح الدائرة بإخماد القوس في واحدة من هذه النقاط الصفرية للتيار الاصطناعية. لكي يكون هذا الأسلوب فعالًا، يجب أن يتجاوز ذروة التيار للتذبذب التيار المباشر الذي يجب قطعه.
تشمل التنفيذ الأكثر تفصيلاً ربط دائرة متوافقة سلسلة تتكون من ملف كهرومغناطيسي (L) ومكثف (C) عبر الاتصال الرئيسي (M) لمفتاح الدائرة المباشر التقليدي عبر اتصال مساعد (S1). بالإضافة إلى ذلك، يتم ربط مقاومة (R) عبر الاتصال (S2). تحت ظروف التشغيل العادية، يظل الاتصال الرئيسي (M) واتصال الشحن (S2) مغلقين. يتم شحن المكثف (C) إلى جهد الخط عبر المقاومة العالية (R). في الوقت نفسه، يظل الاتصال (S1) مفتوحًا، مع جهد الخط عبره. تشكل هذه الإعداد الأساس لإنشاء الشروط اللازمة لقطع التيار المباشر خلال سيناريو العطل عن طريق إنشاء أصفار تيار اصطناعية وإدارة العمليات الكهربائية المرتبطة بها.
عندما يتعلق الأمر بقطع تيار الدائرة الرئيسية Id، يبدأ آليات التشغيل سلسلة من الإجراءات. أولاً، يفتح الاتصال S2 ويغلق الاتصال S1 في الوقت نفسه. تؤدي هذه التكوينة إلى تشغيل تفريغ المكثف C عبر ملف L، الاتصال الرئيسي M، والاتصال المساعد S1. نتيجة لذلك، يتم إنشاء تيار تذبذبي، كما هو موضح في الشكل أدناه. ينتج هذا التيار التذبذبي أصفار تيار اصطناعية، وهي ضرورية للعمل السليم لمفتاح الدائرة. ثم يتم فتح الاتصال الرئيسي M لمفتاح الدائرة بدقة في واحدة من هذه النقاط الصفرية للتيار الاصطناعية. بمجرد أن ينجح الاتصال الرئيسي M في قطع التيار، يتم فتح الاتصال S1 وإغلاق الاتصال S2، مما يعيد تعيين النظام للعمليات المستقبلية المحتملة ويضمن سلامة عملية قطع الدائرة ذات التيار المباشر عالي الجهد.
طريقة بديلة لقطع التيار المباشر الرئيسي
تتضمن الطريقة البديلة لقطع التيار المباشر الرئيسي في نظام التيار المباشر عالي الجهد (HVDC) تحويل التيار إلى مكثف، مما يقلل بشكل فعال من حجم التيار الذي يحتاج مفاتيح الدائرة إلى قطعه. يتم توضيح هذه الطريقة في الشكل أدناه، وتبدأ بوجود مكثف C في حالة غير مشحونة في البداية.
عندما يبدأ الاتصال الرئيسي M لمفتاح الدائرة في الفتح، يحدث حدث مهم: يتحول التيار الرئيسي للدائرة، الذي كان يتدفق سابقاً عبر الاتصال الرئيسي M، ليبدأ في التدفق إلى المكثف C. نتيجة لهذا التحويل، يتم تقليل الحمل الحالي الذي يجب على الاتصالات الرئيسية M التعامل معه أثناء عملية القطع بشكل كبير. هذا التقليل في حجم التيار يسهل العبء على مفتاح الدائرة، مما يجعل عملية القطع أكثر قابلية للإدارة وأقل عرضة للتسبب في الأضرار أو الفشل.
بالإضافة إلى دور المكثف في تحويل التيار، يعتبر المقاوم اللاخطي R أيضاً مكونًا أساسيًا لهذا النظام. يلعب المقاوم اللاخطي R دورًا حاسمًا في امتصاص الطاقة المرتبطة بتدفق التيار دون زيادة كبيرة في الجهد عبر الاتصال الرئيسي M. من خلال تبديد الطاقة بكفاءة، يساعد المقاوم اللاخطي على الحفاظ على سلامة مفتاح الدائرة والنظام الكهربائي العام، مما يضمن أن مستويات الجهد تبقى ضمن الحدود المقبولة أثناء عملية قطع التيار. تعمل هذه العملية التنسيقية للمكثف C والمقاوم اللاخطي R على توفير طريقة فعالة وموثوقة لقطع التيار المباشر الرئيسي في نظام HVDC.
يتم التعبير عن معدل الارتفاع في الجهد الاستعادة عبر M كالتالي
في مفاتيح الدائرة ذات التيار المباشر التي تعتمد على التيار المتذبذب لقطع التدفق، يعد تحدي منع إعادة الاشتعال أمرًا صعبًا للغاية. وهذا يرجع إلى فترة قصيرة جداً لقطع التيار أو "قطعه". عندما يتم قطع التيار بسرعة في إطار زمني قصير جداً، فإنه يولد ارتفاعًا حادًا وفجائيًا في الجهد المستعادة عبر أطراف مفتاح الدائرة. يشكل هذا الجهد العالي والمتصاعد بسرعة تهديدًا كبيرًا لسلامة مفتاح الدائرة. لضمان التشغيل الموثوق به، يجب تصميم مفتاح الدائرة بحيث يكون له قوة عازلة كافية وقدرة على تحمل الجهد لتتمكن من تحمل هذا الجهد المستعاد العالي دون الخضوع لإعادة الاشتعال، مما قد يؤدي إلى الأضرار والتقطيع الكهربائي والفشل في النظام.
