HVDC afbryder

HVDC Kredsløbsbrydere: Funktionalitet Udfordringer og Løsninger

En HVDC (High - Voltage Direct Current) kredsløbsbryder er et specialiseret skiftende enhed, der er designet til at afbryde strømmen af abnormal direkte strøm i et elektrisk kredsløb. Når der opstår en fejl i systemet, adskiller de mekaniske kontakter på kredsløbsbryderen, hvilket effektivt åbner kredsløbet. At bryde kredsløbet i et HVDC-system er dog en udfordring sammenlignet med dets AC (Alternating Current) modsvarende. Dette skyldes primært, at strømmen i et HVDC-kredsløb flyder i en enkelt retning og ikke naturligt passer gennem nulstrøm-værdier, som er afgørende for buelokkedød i AC-kredsløbsbrydere.

Den primære funktion af en HVDC kredsløbsbryder er at afbryde højspændings direkte strømflader i strømnettet. I modsætning hermed kan AC kredsløbsbrydere let afbryde buelokken, når strømmen når dens naturlige nulpunkt i AC-bølgeformen. I dette nul-strøm øjeblik er den energi, der skal afbrydes, også nul, hvilket giver kontaktavstanden mulighed for at genoprette sin dielektriske styrke og klare den naturlige midlertidige genopretnings spænding.

I HVDC kredsløbsbrydere er situationen langt mere kompleks. Da DC-bølgeform mangler naturlige strøm-nulpunkter, kan tvungen buelokkedød føre til generering af ekstremt høje midlertidige genopretnings spændinger. Uden korrekt buelokkedød er der en risiko for gentagne buelokker, hvilket kan resultere i ødelæggelse af bryderkontakterne. Når man designer HVDC kredsløbsbrydere, må ingeniører adressere tre nøgleudfordringer:

1. Oprettelse af kunstig strøm-nulpunkt: Dette er afgørende for buelokkedød, da mangel på naturlige strøm-nulpunkter i DC gør det svært at afbryde buelokken.

2. Forebyggelse af gentagne buelokker: Efter at buelokken er blevet afbrudt, må der træffes foranstaltninger for at forhindre, at den genindender, hvilket kunne forårsage skade på bryderen og forstyrre systemet.

3. Dissipation af lagret energi: Den lagrede energi i systemkomponenterne skal sikkert dissiperes for at undgå potentielle farer.

For at overvinde mangel på naturlige strøm-nulpunkter anvender HVDC kredsløbsbrydere principperne om at oprette kunstige strøm-nulpunkter for buelokkedød. En almindelig metode involverer introduktion af et parallel L-C (induktor-kondensator) kredsløb. Når dette kredsløb aktiveres, forårsager det buelokkestrømmen at oscillerer. Disse oscillationer er intense og genererer flere kunstige strøm-nulpunkter. Kredsløbsbryderen slukker derefter buelokken ved et af disse kunstige nul-strøm punkter. For at denne metode skal være effektiv, må topstrømmen af oscillationen overstige den direkte strøm, der skal afbrydes.

En mere detaljeret implementering involverer forbindelsen af et serie-resonans kredsløb bestående af en induktor (L) og en kondensator (C) over hovedkontakten (M) af en konventionel DC kredsløbsbryder via en hjælpekontakt (S1). Desuden er en resistor (R) forbundet gennem kontakt (S2). Under normale driftsbetingelser forbliver hovedkontakten (M) og opladningskontakten (S2) lukket. Kondensatoren (C) oplades til linjespændingen gennem høj resistens (R). Samtidig forbliver kontakt (S1) åben, med linjespændingen over den. Dette setup ligger grundlaget for at skabe de nødvendige betingelser for at afbryde DC-strømmen under en fejl-situation ved at generere kunstige strøm-nulpunkter og håndtere de tilknyttede elektriske processer.

Når det kommer til at afbryde hovedkredsløbsstrømmen Id, initierer driftsmechanismen en række handlinger. Først åbnes kontakt S2, og samtidig lukkes kontakt S1. Denne konfiguration udløser kondensator C's afledning gennem induktansen L, hovedkontakten M, og hjælpekontakten S1. Dette resulterer i et oscillerende strøm, som vist på figuren nedenfor. Dette oscillerende strøm genererer kunstige strøm-nulpunkter, som er afgørende for den korrekte drift af kredsløbsbryderen. Hovedkontakten M af kredsløbsbryderen åbnes præcist ved et af disse kunstige strøm-nulpunkter. Når hovedkontakten M har succesfuldt afbrudt strømmen, åbnes kontakt S1, og kontakt S2 lukkes, hvilket nulstiller systemet for potentielle fremtidige operationer og sikrer integriteten af HVDC kredsløbsbrydelsesprocessen.

Alternativ Metode til Afbrud af Hoveddirekte Strøm

En alternativ tilgang til at afbryde hoveddirekte strømmen i et højspændings direkte strøm (HVDC) system involverer omdirigering af strømmen til en kondensator, hvilket effektivt reducerer størrelsen på strømmen, som kredsløbsbryderne skal afbryde. Denne metode vises på figuren nedenfor, og den starter med en kondensator C, der er oprindeligt i et uladet tilstand.

Når hovedkontakten M af kredsløbsbryderen begynder at åbne, finder et afgørende begivenhed sted: hovedkredsløbsstrømmen, der tidligere løb gennem hovedkontakten M, omdirigeres og begynder at løbe ind i kondensator C. Som resultat af denne omdirigering reduceres strømbelastningen, som hovedkontakterne M har at håndtere under afbrydelsesprocessen, betydeligt. Denne reduktion i strømmens størrelse letter byrden på kredsløbsbryderen, gør afbrydelsesprocessen mere håndterbar og mindre sandsynlig til at forårsage skade eller fejl.

Udover kondensatorens rolle i at omdirigere strømmen, er en ikkelineær resistor R også en væsentlig komponent i dette system. Den ikkelineære resistor R spiller en vital rolle i at absorbere energien, der er forbundet med strømflyden, uden at forårsage en betydelig stigning i spændingen over hovedkontakten M. Ved effektivt at dissipere energien, hjælper den ikkelineære resistor med at fastholde integriteten af kredsløbsbryderen og det overordnede elektriske system, og sikrer, at spændingsniveauerne forbliver inden for acceptable grænser under strømafbrydelsesprocessen. Den koordinerede drift af kondensator C og den ikkelineære resistor R giver en effektiv og pålidelig metode til at afbryde hoveddirekte strøm i et HVDC-system.

Stigningshastigheden af genopretnings spændingen over M udtrykkes som

I DC kredsløbsbrydere, der afhænger af oscillerende strømmer til at afbryde flyden, er udfordringen med at forhindre gentagne buelokker særlig formidabel. Dette skyldes den ekstremt kortvarige periode, hvor strømmen bliver afbrudt eller "chopped." Når strømmen hurtigt afbrydes i en så kort tidsperiode, genererer det en stejl og pludselig stigning i genopretnings spændingen over bryderkontaktene. Denne høje-magnitude, hurtigt stigende spænding repræsenterer en betydelig trussel mod kredsløbsbryderens integritet. For at sikre pålidelig drift, skal kredsløbsbryderen være konstrueret med tilstrækkelig dielektrisk styrke og spændingstålmodighed for at klare denne intensive genopretnings spænding uden at give efter for gentagne buelokker, hvilket kunne føre til skade, elektriske buelokker og systemfejl.