HVDC пръснато реле
Компактни прекъсвачи за високонапежни постояннотокови системи: Функционалност, предизвикателства и решения
Компактният прекъсвач за високонапежен постоянен ток (HVDC) е специализирано свързващо устройство, проектирано да прекъсва аномалния постоянен ток в електрическата верига. Когато се появи дефект в системата, механичните контакти на прекъсвача се разделят, като по този начин веригата се отваря. Въпреки това прекъсването на веригата в HVDC система е по-сложна задача в сравнение с нейния AC (алтернативен ток) аналог. Това се дължи главно на факта, че токът в HVDC веригата протича в една посока и не минава естествено през точки с нулев ток, които са важни за изгасването на дъга в прекъсвачите с алтернативен ток.
Основната функция на прекъсвача за високонапежен постоянен ток е да прекъсва потоци на високонапежен постоянен ток в електроенергийната мрежа. С друга страна, прекъсвачите с алтернативен ток лесно прекъсват дъгата, когато токът достигне своето естествено нулево ниво в алтернативната вълна. В този момент, когато токът е нула, енергията, която трябва да бъде прекъсната, също е нула, позволявайки на контактната щелина да възстанови своя диелектричен потенциал и да издържи естествената преходна възстановителна напруга.
В прекъсвачите за високонапежен постоянен ток ситуацията е много по-сложна. Тъй като DC вълната липсва на естествени нулеви точки на тока, принудителното прекъсване на дъгата може да доведе до генериране на екстремно висока преходна възстановителна напруга. Без правилно прекъсване на дъгата, има риск от повторно запалване, което може да доведе до разрушаване на контактите на прекъсвача. При проектирането на прекъсвачи за високонапежен постоянен ток инженерите трябва да се справят с три ключови предизвикателства:
Създаване на изкуствена точка на нулев ток: Това е необходимо за изгасването на дъгата, тъй като липсата на естествени нулеви точки на тока в DC прави трудно прекъсването на дъгата.
Предотвратяване на повторно запалване на дъгата: След прекъсването на дъгата, трябва да бъдат предприети мерки, за да се предотврати повторното й запалване, което може да причини повреда на прекъсвача и разстройство на системата.
Разсейване на съхранената енергия: Енергията, съхранена в компонентите на системата, трябва да бъде безопасно разсеяна, за да се избегнат потенциални опасности.
За преодоляване на липсата на естествени нулеви точки на тока, прекъсвачите за високонапежен постоянен ток прилагат принципа за създаване на изкуствени нулеви точки за изгасване на дъгата. Един обичаен подход включва включването на успоредна LC (индуктивност-кондензатор) верига. Когато тази верига е активирана, тя причинява тока на дъгата да осцилира. Тези осцилации са интензивни и генерират множество изкуствени нулеви точки на тока. Прекъсвачът след това изгасва дъгата в една от тези изкуствени точки на нулев ток. За този метод да бъде ефективен, пиковият ток на осцилацията трябва да надвиши постоянния ток, който трябва да бъде прекъснат.
По-детайлна реализация включва свързване на серийна резонансна верига, състояща се от индуктивност (L) и кондензатор (C), към основния контакт (M) на стандартен DC прекъсвач чрез допълнителен контакт (S1). Освен това се свързва резистор (R) чрез контакт (S2). Под нормални условия на работа основният контакт (M) и зареждащият контакт (S2) остават затворени. Кондензаторът (C) се зарежда до напрежението на линията чрез високото съпротивление (R). Междувременно контактът (S1) остава отворен, с напрежението на линията върху него. Тази конфигурация залага основите за създаването на необходимите условия за прекъсване на DC тока при дефектна ситуация, като генерира изкуствени нулеви точки на тока и управлява свързаните електрически процеси.
Когато става дума за прекъсване на основния ток Id, оперативната механика инициира поредица от действия. Първо, отваря контакт S2 и едновременно затваря контакт S1. Тази конфигурация активира разтоварването на кондензатор C чрез индуктивност L, основен контакт M и допълнителен контакт S1. В резултат се установява осцилационен ток, както е показано на фигурата по-долу. Този осцилационен ток генерира изкуствени нулеви точки на тока, които са жизненоважни за правилната работа на прекъсвача. Основният контакт M на прекъсвача се отваря точно в една от тези изкуствени точки на нулев ток. След като основният контакт M успешно прекъсне тока, контакт S1 се отваря, а контакт S2 се затваря, като се възстановява системата за потенциални бъдещи операции и се гарантира целостта на процеса за прекъсване на HVDC веригата.
Алтернативен метод за прекъсване на основния постоянен ток
Алтернативен подход за прекъсване на основния постоянен ток в високонапежна система с постоянен ток (HVDC) включва пренасочване на тока към кондензатор, което ефективно намалява големината на тока, който прекъсвачите трябва да прекъснат. Този метод е илюстриран на фигурата по-долу и започва с кондензатор C, който в началото е в не-заредено състояние.
Когато основният контакт M на прекъсвача започне да се отваря, се случва ключово събитие: основният ток на веригата, който преди това протичаше през основния контакт M, се пренасочва и започва да протича в кондензатора C. В резултат на това пренасочване, токът, който основните контакти M трябва да обработват по време на процеса на прекъсване, е значително намален. Това намаление на големината на тока облекчава бремето върху прекъсвача, правейки процеса на прекъсване по-управляем и по-малко склонен към повреда или отказ.
Освен ролята на кондензатора в пренасочването на тока, нелинейният резистор R също е важен компонент на тази система. Нелинейният резистор R играе жизненоважна роля в абсорбирането на енергията, свързана с потока на тока, без да причинява значително увеличение на напрежението върху основния контакт M. Чрез ефективно разсейване на енергията, нелинейният резистор помага за поддържане на целостта на прекъсвача и цялата електрическа система, гарантирайки, че напреженията остават в приемлеми граници по време на процеса на прекъсване на тока. Тази координирана работа на кондензатора C и нелинейния резистор R предоставя ефективен и надежден метод за прекъсване на основния постоянен ток в HVDC система.
Темпот на нарастване на възстановителната напруга върху M се изразява като
В прекъсвачите с постоянен ток, които разчитат на осцилационни токове за прекъсване на потока, предизвикателството за предотвратяване на повторно запалване е особено сложно. Това се дължи на изключително краткия период, в който токът се прекъсва или "отрязва". Когато токът се прекъсва бързо в такъв кратък интервал, това генерира стръмен и внезапен порив в повторната напруга върху контактите на прекъсвача. Тази високомагнитудна, бързо нарастваща напрега представлява значителна заплаха за целостта на прекъсвача. За надеждна работа, прекъсвачът трябва да бъде изработен с достатъчна диелектрична прочност и способност да издържа напрежение, за да изтърпи тази интензивна повторна напрега без да подлежи на повторно запалване, което може да доведе до повреда, електрическо дъгообразуване и системни откази.
