Přerušovač pro stejnosměrné vysoké napětí
Prouděcové vypínače HVDC: Funkce, výzvy a řešení
Prouděcový vypínač HVDC (High - Voltage Direct Current) je specializované přepínací zařízení navržené k přerušení toku neobvyklého stejnosměrného proudu v elektrickém obvodu. Když dojde k poruše v systému, mechanické kontakty vypínače se oddělí, což efektivně otevírá obvod. Nicméně, přerušení obvodu v systému HVDC je složitější úkol než u jeho protějšku s střídavým proudem (AC). To je hlavně proto, že proud v obvodu HVDC teče v jednom směru a neprochází přirozeně nulovými hodnotami proudu, které jsou klíčové pro uhašení oblouku v vypínačích AC.
Hlavní funkce vypínače HVDC spočívá v přerušení toku vysokého stejnosměrného proudu v elektrické síti. Na druhou stranu, vypínače AC mohou snadno přerušit oblouk, když proud dosáhne své přirozené nulové hodnoty ve vlnovém tvaru AC. V tomto okamžiku, kdy energie, kterou je třeba přerušit, je také nulová, kontaktový rozestup může získat svou dielektrickou sílu a odolat přirozenému krátkodobému obnovovacímu napětí.
U vypínačů HVDC je situace mnohem komplikovanější. Protože vlnový tvar DC nemá přirozené nulové body proudu, nucené přerušení oblouku může vést k generování extrémně vysokých krátkodobých obnovovacích napětí. Bez správného přerušení oblouku existuje riziko znovuzapálení, což by mohlo nakonec vést k poškození kontaktů vypínače. Při návrhu vypínačů HVDC musí inženýři řešit tři klíčové výzvy:
Vytvoření umělého nulového proudu: Je to nezbytné pro uhašení oblouku, protože absence přirozených nulových bodů v DC ztěžuje přerušení oblouku.
Prevence znovuzapálení oblouku: Jakmile je oblouk přerušen, musí být provedena opatření, aby se zabránilo jeho znovuzapálení, což by mohlo způsobit poškození vypínače a rušení systému.
Dissipace uložené energie: Energie uložená v komponentech systému musí být bezpečně odvedena, aby se předešlo potenciálním nebezpečím.
Aby byla překonána absence přirozených nulových bodů proudu, vypínače HVDC používají princip vytváření umělých nulových bodů pro uhašení oblouku. Jedním z běžných přístupů je zavedení paralelního L - C (induktor - kondenzátor) obvodu. Když je tento obvod aktivován, způsobuje oscilaci obloukového proudu. Tyto oscilace jsou intenzivní a generují několik umělých nulových bodů proudu. Vypínač pak uhasí oblouk v jednom z těchto umělých nulových bodů. Aby byl tento způsob efektivní, vrcholový proud oscilace musí přesáhnout přímý proud, který je třeba přerušit.
Podrobnější implementace zahrnuje připojení sériového rezonančního obvodu tvořeného induktorem (L) a kondenzátorem (C) mezi hlavním kontaktem (M) konvenčního vypínače DC pomocí pomocného kontaktu (S1). Dále je připojen odporník (R) přes kontakt (S2). Za normálních provozních podmínek zůstávají hlavní kontakt (M) a nabíjecí kontakt (S2) uzavřeny. Kondenzátor (C) je nabity na napětí linky přes vysoký odpor (R). Zatímco kontakt (S1) zůstává otevřen, s napětím linky napříč ním. Tato konfigurace stanovuje základy pro vytvoření potřebných podmínek k přerušení DC proudu při selhání tím, že generuje umělé nulové body proudu a řídí přidružené elektrotechnické procesy.
Když jde o přerušení hlavního obvodového proudu Id, operační mechanismus spustí sérii akcí. Nejdříve otevře kontakt S2 a současně zavře kontakt S1. Tato konfigurace vyvolá výběžek kondenzátoru C přes indukci L, hlavní kontakt M a pomocný kontakt S1. Jako důsledek se založí oscilatorní proud, jak je znázorněno na obrázku níže. Tento oscilatorní proud generuje umělé nulové body proudu, které jsou klíčové pro správné fungování vypínače. Hlavní kontakt M vypínače je pak otevřen přesně v jednom z těchto umělých nulových bodů. Jakmile hlavní kontakt M úspěšně přeruší proud, kontakt S1 je otevřen a kontakt S2 je zavřen, čímž se systém resetuje pro možné budoucí operace a zajišťuje integritu procesu přerušení obvodu HVDC.
Alternativní metoda pro přerušení hlavního stejnosměrného proudu
Alternativní přístup k přerušení hlavního stejnosměrného proudu v systému vysokého stejnosměrného napětí (HVDC) zahrnuje přesměrování proudu do kondenzátoru, což efektivně snižuje velikost proudu, který musí vypínače přerušit. Tato metoda je znázorněna na obrázku níže a začíná kondenzátorem C, který je původně nenabité.
Když hlavní kontakt M vypínače začíná otevírat, nastane klíčový moment: hlavní obvodový proud, který dříve protékal hlavním kontaktem M, je přesměrován a začíná protékat do kondenzátoru C. Jako důsledek tohoto přesměrování je značně snížen proud, který musí hlavní kontakty M zpracovat během procesu přerušení. Toto snížení velikosti proudu ulehčuje zátěž vypínače, což činí proces přerušení snazším a méně pravděpodobným k poškození nebo selhání.
Kromě role kondenzátoru v přesměrování proudu je také nezbytnou součástí tohoto systému nelineární odporník R. Nelineární odporník R hraje klíčovou roli v absorpci energie spojené s proudovým tokem bez způsobení výrazného nárůstu napětí napříč hlavním kontaktem M. Efektivní odvádění energie pomáhá udržovat integritu vypínače a celkového elektrického systému, zajistí, aby se úroveň napětí udržovala v přijatelných mezích během procesu přerušení proudu. Tato koordinovaná operace kondenzátoru C a nelineárního odporníku R poskytuje efektivní a spolehlivou metodu pro přerušení hlavního stejnosměrného proudu v systému HVDC.
Rychlost narůstání obnovovacího napětí napříč M je vyjádřena jako
U vypínačů DC, které se spoléhají na oscilující proudy k přerušení toku, je výzva zabránit znovuzapálení obzvláště obtížná. Je to kvůli extrémně krátké době, během které je proud přerušen nebo "useknut". Když je proud rychle přerušen v tak krátké době, vygeneruje to strmý a náhlý nárůst obnovovacího napětí napříč terminály vypínače. Toto vysoké, rychle rostoucí napětí představuje významné ohrožení integrity vypínače. Aby bylo zajištěno spolehlivé fungování, musí být vypínač konstruován s dostatečnou dielektrickou silou a schopností odolat tomuto intenzivnímu obnovovacímu napětí bez podlehnutí znovuzapálení, což by mohlo vést k poškození, elektrickému oblouku a selhání systému.
