Hochspannungs-Gleichstrom-Schaltgerät

Gleichstromschaltgeräte (HVDC): Funktionalität Herausforderungen und Lösungen

Ein Gleichstromschaltgerät (High-Voltage Direct Current, HVDC) ist ein spezielles Schaltgerät, das entwickelt wurde, um den Fluss von ungewöhnlichem Gleichstrom in einem elektrischen Schaltkreis zu unterbrechen. Bei einem Fehler im System trennen sich die mechanischen Kontakte des Schaltgeräts und öffnen effektiv den Schaltkreis. Allerdings ist das Unterbrechen des Schaltkreises in einem Gleichstromsystem im Vergleich zu seinem Wechselstrom-Gegenstück (Alternating Current, AC) eine herausfordernde Aufgabe. Dies liegt hauptsächlich daran, dass der Strom in einem Gleichstromkreis in einer einzigen Richtung fließt und nicht natürliche Nullpunkte durchläuft, die für die Bogenlöschung in Wechselstrom-Schaltgeräten entscheidend sind.

Die Hauptfunktion eines Gleichstromschaltgeräts besteht darin, Hochspannungsgleichstromströme im Energieversorgungsnetz zu unterbrechen. Im Gegensatz dazu können Wechselstrom-Schaltgeräte den Bogen leicht unterbrechen, wenn der Strom seinen natürlichen Nullpunkt im Wechselstrom-Signal erreicht. In diesem Moment ohne Strom ist auch die zu unterbrechende Energie null, was es ermöglicht, dass die Kontaktlücke ihre dielektrische Festigkeit wiedererlangt und die natürliche transiente Wiederherstellungs-Spannung standhält.

Bei Gleichstromschaltgeräten ist die Situation viel komplexer. Da das Gleichstromsignal keine natürlichen Stromnullen aufweist, kann die erzwungene Bogenunterbrechung extrem hohe transiente Wiederherstellungs-Spannungen verursachen. Ohne angemessene Bogenunterbrechung besteht das Risiko von Rückbogungen, die letztendlich zur Zerstörung der Schalterkontakte führen können. Beim Entwurf von Gleichstromschaltgeräten müssen Ingenieure drei zentrale Herausforderungen angehen:

1. Erzeugung künstlicher Stromnullen: Dies ist entscheidend für die Bogenlöschung, da das Fehlen natürlicher Stromnullen im Gleichstrom die Bogenunterbrechung erschwert.

2. Verhinderung von Rückbogungen: Nachdem der Bogen unterbrochen wurde, müssen Maßnahmen ergriffen werden, um eine Wiederentzündung zu verhindern, die Schäden am Schaltgerät verursachen und das System stören könnte.

3. Abbau gespeicherter Energie: Die in den Systemkomponenten gespeicherte Energie muss sicher abgebaut werden, um potenzielle Gefahren zu vermeiden.

Um das Fehlen natürlicher Stromnullen zu überwinden, nutzen Gleichstromschaltgeräte das Prinzip der Erzeugung künstlicher Stromnullen für die Bogenlöschung. Ein gängiger Ansatz beinhaltet die Einbringung eines parallelen L-C-Schwingkreises (Induktivität-Kondensator). Wenn dieser Schwingkreis aktiviert wird, verursacht er eine Oszillation des Bogenstroms. Diese Oszillationen sind intensiv und erzeugen mehrere künstliche Stromnullen. Das Schaltgerät löscht dann den Bogen an einem dieser künstlichen Nullpunkte. Damit diese Methode wirksam ist, muss der Spitzenwert der Oszillation den zu unterbrechenden Gleichstrom übersteigen.

Eine detailliertere Implementierung beinhaltet die Verbindung eines Reihenschwingkreises aus einer Induktivität (L) und einem Kondensator (C) über den Hauptkontakt (M) eines herkömmlichen Gleichstromschaltgeräts über einen Hilfskontakt (S1). Zusätzlich wird ein Widerstand (R) über den Kontakt (S2) verbunden. Unter normalen Betriebsbedingungen bleiben der Hauptkontakt (M) und der Ladekontakt (S2) geschlossen. Der Kondensator (C) wird über den hochohmigen Widerstand (R) auf die Leitungsspannung aufgeladen. Währenddessen bleibt Kontakt (S1) offen, mit der Leitungsspannung darauf. Diese Anordnung legt die Grundlagen für die Erzeugung der notwendigen Bedingungen, um den Gleichstrom bei einem Störfall durch die Erzeugung künstlicher Stromnullen und die Steuerung der damit verbundenen elektrischen Prozesse zu unterbrechen.

Wenn es darum geht, den Hauptschaltkreisstrom Id zu unterbrechen, initiiert der Betriebsmechanismus eine Abfolge von Aktionen. Zunächst wird Kontakt S2 geöffnet und gleichzeitig Kontakt S1 geschlossen. Diese Konfiguration löst die Entladung des Kondensators C über die Induktivität L, den Hauptkontakt M und den Hilfskontakt S1 aus. Als Ergebnis entsteht ein oszillatorischer Strom, wie in der unten dargestellten Abbildung gezeigt. Dieser oszillatorische Strom erzeugt künstliche Stromnullen, die für den ordnungsgemäßen Betrieb des Schaltgeräts entscheidend sind. Der Hauptkontakt M des Schaltgeräts wird dann genau an einem dieser künstlichen Nullpunkte geöffnet. Sobald der Hauptkontakt M den Strom erfolgreich unterbrochen hat, wird Kontakt S1 geöffnet und Kontakt S2 geschlossen, um das System für mögliche zukünftige Operationen zurückzusetzen und die Integrität des Gleichstrom-Schaltvorgangs sicherzustellen.

Alternative Methode zur Unterbrechung des Hauptschaltkreisstroms

Eine alternative Methode zur Unterbrechung des Hauptschaltkreisstroms in einem Hochspannungsgleichstromsystem (HVDC) besteht darin, den Strom auf einen Kondensator umzuleiten, was die Größe des Stroms, den die Schaltgeräte unterbrechen müssen, effektiv reduziert. Diese Methode wird in der unten dargestellten Abbildung veranschaulicht und beginnt mit einem Kondensator C, der sich ursprünglich in einem ungeladenen Zustand befindet.

Wenn der Hauptkontakt M des Schaltgeräts beginnt, sich zu öffnen, tritt ein entscheidendes Ereignis ein: Der Hauptschaltkreisstrom, der zuvor durch den Hauptkontakt M floss, wird umgeleitet und beginnt, in den Kondensator C zu fließen. Als Folge dieser Umleitung wird die Strombelastung, die die Hauptkontakte M während des Unterbrechungsprozesses zu bewältigen haben, erheblich verringert. Diese Reduzierung der Stromgröße erleichtert die Belastung des Schaltgeräts, macht den Unterbrechungsprozess handhabbarer und mindert das Risiko von Schäden oder Ausfällen.

Neben der Rolle des Kondensators bei der Umleitung des Stroms ist ein nichtlinearer Widerstand R auch ein wesentlicher Bestandteil dieses Systems. Der nichtlineare Widerstand R spielt eine wichtige Rolle bei der Absorption der mit dem Stromfluss verbundenen Energie, ohne dass dabei eine erhebliche Spannungssteigerung über dem Hauptkontakt M eintritt. Durch die effiziente Energiedissipation hilft der nichtlineare Widerstand, die Integrität des Schaltgeräts und des gesamten elektrischen Systems aufrechtzuerhalten und sicherzustellen, dass die Spannungswerte während des Stromunterbrechungsprozesses innerhalb akzeptabler Grenzen bleiben. Diese koordinierte Zusammenarbeit des Kondensators C und des nichtlinearen Widerstands R bietet eine effektive und zuverlässige Methode zur Unterbrechung des Hauptschaltkreisstroms in einem Gleichstromsystem.

Die Steigerungsrate der Wiederherstellungs-Spannung über M wird ausgedrückt als

In Gleichstromschaltgeräten, die auf oszillatorischen Strömen basieren, um den Stromfluss zu unterbrechen, ist die Herausforderung, Rückbogungen zu verhindern, besonders groß. Dies liegt an der extrem kurzen Dauer, in der der Strom unterbrochen oder "abgeteilt" wird. Wenn der Strom in so kurzer Zeit schnell unterbrochen wird, entsteht eine steile und plötzliche Spannungserhöhung an den Enden des Schalters. Diese hohe, schnell ansteigende Spannung stellt eine bedeutende Bedrohung für die Integrität des Schaltgeräts dar. Um eine zuverlässige Funktion zu gewährleisten, muss das Schaltgerät mit ausreichender dielektrischer Festigkeit und Spannungsfestigkeit ausgestattet sein, um diese intensive Rückbogungsspannung ohne Rückbogungen zu überstehen, die zu Schäden, elektrischem Bogen und Systemausfällen führen könnten.