Interrupció de corrent contínua d'alta tensió
Interruptors de corrent contínua d'alta tensió: Funcionalitat reptes i solucions
Un interruptor de corrent contínua d'alta tensió (HVDC) és un dispositiu de commutació especialitzat dissenyat per interrompre el flux de corrent contínua anormal dins d'un circuit elèctric. Quan es produeix un defecte en el sistema, els contactes mecànics de l'interruptor de circuit són separats, obrint efectivament el circuit. No obstant això, interrompre el circuit en un sistema HVDC és una tasca més complexa que la seva contrapartida de corrent alternada (AC). Aquesta és principalment degut al fet que la corrent en un circuit HVDC flueix en una única direcció i no passa naturalment pels valors de corrent zero, que són crucials per a l'extinció de l'arc en els interruptors de circuit AC.
La funció principal d'un interruptor de circuit HVDC és interrompre els fluxos de corrent contínua d'alta tensió en la xarxa elèctrica. En contrast, els interruptors de circuit AC poden interrompre fàcilment l'arc quan la corrent arriba al seu punt natural de zero corrent en la forma d'ona AC. En aquest instant de zero corrent, l'energia que cal interrompre també és zero, permetent que la separació dels contactes recuperi la seva resistència dielèctrica i suporti la tensió de recuperació transitoria natural.
En els interruptors de circuit HVDC, la situació és molt més complexa. Com que la forma d'ona DC no té zeros de corrent naturals, la interrupció forçada de l'arc pot generar tensions de recuperació transitories extremadament altes. Sense una interrupció adequada de l'arc, hi ha risc de reestrets, que poden resultar finalment en la destrucció dels contactes de l'interruptor. En el disseny dels interruptors de circuit HVDC, els enginyers han de abordar tres reptes clau:
Creació de zeros de corrent artificials: Això és essencial per a l'extinció de l'arc ja que l'absència de zeros de corrent naturals en DC fa difícil interrompre l'arc.
Prevenció de reestrets: Un cop s'ha interromput l'arc, s'han de prendre mesures per evitar que es reiniciï, cosa que podria causar danys a l'interruptor i pertorbacions al sistema.
Dissipació de l'energia emmagatzemada: L'energia emmagatzemada en els components del sistema ha de ser dissipada de manera segura per evitar perillos potencials.
Per superar la falta de zeros de corrent naturals, els interruptors de circuit HVDC utilitzen el principi de crear zeros de corrent artificials per a l'extinció de l'arc. Un enfocament comú implica introduir un circuit paral·lel L - C (inductor - capacitor). Quan aquest circuit s'activa, provoca que la corrent de l'arc oscil·li. Aquestes oscil·lacions són intensives i generen múltiples zeros de corrent artificials. L'interruptor de circuit llavors extingeix l'arc en un dels punts de zero corrent artificial. Per a que aquest mètode sigui eficaç, la corrent màxima de les oscil·lacions ha de superar la corrent directa que cal interrompre.
Una implementació més detallada implica connectar un circuit ressonant en sèrie format per un inductor (L) i un capacitor (C) a través del contacte principal (M) d'un interruptor de circuit DC convencional mitjançant un contacte auxiliar (S1). Addicionalment, un resistor (R) està connectat a través del contacte (S2). En condicions normals d'operació, el contacte principal (M) i el contacte de càrrega (S2) romanen tancats. El capacitor (C) es carrega a la tensió de línia a través de la resistència elevada (R). Mentre tanca, el contacte (S1) roman obert, amb la tensió de línia a través seu. Aquesta configuració posa les bases per crear les condicions necessàries per interrompre la corrent DC durant un escenari de defecte, generant zeros de corrent artificials i gestionant els processos elèctrics associats.
Quan es tracta d'interrompre la corrent principal Id, el mecanisme d'operació inicia una seqüència d'accions. Primer, obre el contacte S2 i simultàniament tanca el contacte S1. Aquesta configuració provoca la descàrrega del capacitor C a través de l'inductància L, el contacte principal M i el contacte auxiliar S1. Com a resultat, es estableix una corrent oscil·lant, tal com es mostra en la figura següent. Aquesta corrent oscil·lant genera zeros de corrent artificials, que són crucials per a l'operació correcta de l'interruptor de circuit. El contacte principal M de l'interruptor de circuit s'obre precisament en un dels punts de zero corrent artificial. Un cop el contacte principal M ha interromput correctament la corrent, el contacte S1 s'obre, i el contacte S2 es tanca, restablint el sistema per operacions futures possibles i assegurant la integritat del procés d'interrupció de circuit HVDC.
Mètode alternatiu per interrompre la corrent contínua principal
Un mètode alternatiu per interrompre la corrent contínua principal en un sistema de corrent contínua d'alta tensió (HVDC) implica desviar la corrent cap a un capacitor, que efectivament redueix la magnitud de la corrent que els interruptors de circuit han de interrompre. Aquest mètode es il·lustra en la figura següent, i comença amb un capacitor C que inicialment està en un estat sense carregar.
Quan el contacte principal M de l'interruptor de circuit comença a obrir, es produeix un esdeveniment crucial: la corrent del circuit principal, que anteriorment fluïa a través del contacte principal M, es redirigeix i comença a fluir cap al capacitor C. Com a resultat d'aquesta redirecció, la càrrega de corrent que els contactes principals M han de gestionar durant el procés d'interrupció es redueix significativament. Aquesta reducció de la magnitud de la corrent allibera la càrrega sobre l'interruptor de circuit, facilitant el procés d'interrupció i reduint el risc de danys o fallides.
A més del paper del capacitor en desviar la corrent, un resistor no lineal R també és un component essencial d'aquest sistema. El resistor no lineal R joca un paper vital en absorbir l'energia associada al flux de corrent sense causar un augment substancial de la tensió a través del contacte principal M. Dissipant l'energia de manera eficient, el resistor no lineal ajuda a mantenir la integritat de l'interruptor de circuit i del sistema elèctric general, assegurant que els nivells de tensió romanguin dins de límits acceptables durant el procés d'interrupció de la corrent. Aquesta operació coordinada del capacitor C i el resistor no lineal R proporciona un mètode eficaç i fiable per interrompre la corrent contínua principal en un sistema HVDC.
La velocitat de creixement de la tensió de recuperació a través de M es expressa com
En els interruptors de circuit DC que depenen de corrents oscil·lants per interrompre el flux, el repte de prevenir reestrets és particularment formidable. Això és degut a la durada extremadament curta en què la corrent s'interromp o "retalla". Quan la corrent s'interromp ràpidament en aquesta breu durada, genera un augment brusc i súbit de la tensió de reestret a través dels terminals de l'interruptor. Aquesta tensió de gran magnitud i ascens ràpid representa una amenaça significativa a la integritat de l'interruptor de circuit. Per assegurar una operació fiable, l'interruptor de circuit ha de estar dissenyat amb suficient resistència dielèctrica i capacitat per suportar aquesta intensa tensió de reestret sense sucumbir als reestrets, que podrien conduir a danys, arcs elèctrics i fallides del sistema.
