قاطع مدار مستقیم ولتاژ بالا

شکن‌های مداری HVDC: عملکرد، چالش‌ها و راه‌حل‌ها

شکن مداری HVDC (جریان مستقیم با ولتاژ بالا) دستگاه تخصصی سوئیچینگ است که برای قطع جریان غیرعادی جریان مستقیم در یک مدار الکتریکی طراحی شده است. هنگامی که خرابی در سیستم رخ می‌دهد، تماس‌های مکانیکی شکن مداری جدا می‌شوند و به این ترتیب مدار باز می‌شود. با این حال، قطع مدار در یک سیستم HVDC نسبت به همتای AC (جریان متناوب) یک کار چالش‌برانگیز است. این امر بیشتر به این دلیل است که جریان در یک مدار HVDC به صورت تک‌جهت جریان می‌یابد و به طور طبیعی از مقادیر صفر جریان عبور نمی‌کند، که برای انقراض قوس در شکن‌های مداری AC حیاتی است.

وظیفه اصلی یک شکن مداری HVDC قطع جریان‌های جریان مستقیم با ولتاژ بالا در شبکه برق است. در مقابل، شکن‌های مداری AC می‌توانند به راحتی قوس را در زمانی که جریان به نقطه صفر طبیعی خود در موج AC می‌رسد، قطع کنند. در این لحظه صفر-جریان، انرژی که باید قطع شود نیز صفر است و این اجازه می‌دهد تا فاصله تماس‌ها قدرت دی‌الکتریک خود را بازیابی کنند و ولتاژ بازیابی موقت طبیعی را تحمل کنند.

در شکن‌های مداری HVDC، وضعیت بسیار پیچیده‌تر است. چون موج DC نقاط صفر جریان طبیعی ندارد، قطع اجباری قوس می‌تواند منجر به تولید ولتاژ بازیابی موقت بسیار بالا شود. بدون قطع قوس صحیح، خطر ایجاد قوس‌های بازیابی وجود دارد که می‌تواند در نهایت منجر به تخریب تماس‌های شکن شود. هنگام طراحی شکن‌های مداری HVDC، مهندسان باید با سه چالش کلیدی مواجه شوند:

1. ایجاد صفر جریان مصنوعی: این امر برای انقراض قوس ضروری است زیرا عدم وجود صفر جریان طبیعی در DC قطع قوس را دشوار می‌کند.

2. جلوگیری از قوس‌های بازیابی: پس از قطع قوس، اقداماتی باید انجام شود تا از بازیابی آن جلوگیری شود، که می‌تواند منجر به خسارت شکن و اختلال در سیستم شود.

3. پخش انرژی ذخیره شده: انرژی ذخیره شده در مولفه‌های سیستم باید به طور ایمن پخش شود تا از خطرات بالقوه جلوگیری شود.

برای رفع فقدان صفر جریان طبیعی، شکن‌های مداری HVDC از اصل ایجاد صفر جریان مصنوعی برای انقراض قوس استفاده می‌کنند. یک رویکرد رایج شامل معرفی یک مدار موازی L-C (سلب-ظرف) است. هنگامی که این مدار فعال می‌شود، باعث نوسان جریان قوس می‌شود. این نوسان‌ها شدید هستند و چندین صفر جریان مصنوعی ایجاد می‌کنند. شکن مداری سپس قوس را در یکی از این نقاط صفر جریان مصنوعی خاموش می‌کند. برای اینکه این روش موثر باشد، جریان قله نوسان باید از جریان مستقیم که باید قطع شود بیشتر باشد.

یک پیاده‌سازی دقیق‌تر شامل اتصال یک مدار تشدید سری شامل یک سلب (L) و یک ظرف (C) به تماس اصلی (M) یک شکن مداری DC معمولی از طریق یک تماس کمکی (S1) است. علاوه بر این، یک مقاومت (R) از طریق تماس (S2) متصل می‌شود. در شرایط عملیاتی عادی، تماس اصلی (M) و تماس شارژ (S2) بسته می‌مانند. ظرف (C) به ولتاژ خط از طریق مقاومت بالا (R) شارژ می‌شود. در حالی که تماس (S1) باز می‌ماند و ولتاژ خط در آن وجود دارد. این تنظیمات پایه‌ای برای ایجاد شرایط لازم برای قطع جریان DC در زمان خرابی با ایجاد صفر جریان مصنوعی و مدیریت فرآیندهای الکتریکی مرتبط ایجاد می‌کند.

هنگام قطع جریان اصلی Id، مکانیسم عملیاتی یک دنباله از اعمال را آغاز می‌کند. ابتدا تماس S2 باز می‌شود و همزمان تماس S1 بسته می‌شود. این تنظیم باعث تخلیه ظرف C از طریق سلب L، تماس اصلی M و تماس کمکی S1 می‌شود. به عنوان نتیجه، یک جریان نوسانی ایجاد می‌شود، همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده است. این جریان نوسانی صفر جریان مصنوعی ایجاد می‌کند که برای عملکرد صحیح شکن مداری ضروری است. تماس اصلی M شکن مداری دقیقاً در یکی از این نقاط صفر جریان مصنوعی باز می‌شود. پس از موفقیت در قطع جریان توسط تماس اصلی M، تماس S1 باز می‌شود و تماس S2 بسته می‌شود و سیستم برای عملیات آینده تنظیم می‌شود و تمامیت فرآیند قطع مدار HVDC را تضمین می‌کند.

روش جایگزین برای قطع جریان اصلی مستقیم

یک روش جایگزین برای قطع جریان اصلی مستقیم در یک سیستم جریان مستقیم با ولتاژ بالا (HVDC) شامل هدایت جریان به یک ظرف است که به طور موثر میزان جریانی که شکن‌های مداری باید قطع کنند را کاهش می‌دهد. این روش در شکل زیر نشان داده شده است و با ظرف C که ابتدا بدون شارژ است، شروع می‌شود.

هنگامی که تماس اصلی M شکن مداری شروع به باز شدن می‌کند، یک رویداد مهم رخ می‌دهد: جریان اصلی مدار که قبلاً از طریق تماس اصلی M جریان می‌یافت، هدایت می‌شود و شروع به جریان به ظرف C می‌کند. به عنوان نتیجه این هدایت، بار جریانی که تماس‌های اصلی M باید در طی فرآیند قطع تحمل کنند به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. این کاهش میزان جریان به معنای تسهیل فرآیند قطع و کاهش خطر خسارت یا خرابی است.

به علاوه نقش ظرف در هدایت جریان، مقاومت غیرخطی R نیز یک مؤلفه ضروری این سیستم است. مقاومت غیرخطی R نقش مهمی در جذب انرژی مرتبط با جریان جریانی بدون ایجاد افزایش قابل توجه ولتاژ در تماس اصلی M دارد. با جذب موثر انرژی، مقاومت غیرخطی کمک می‌کند تا تمامیت شکن مداری و سیستم الکتریکی کلی حفظ شود و مطمئن شود که سطوح ولتاژ در طی فرآیند قطع جریان در محدوده قابل قبول باقی بماند. این عملکرد هماهنگ ظرف C و مقاومت غیرخطی R یک روش موثر و قابل اعتماد برای قطع جریان اصلی مستقیم در یک سیستم HVDC ارائه می‌دهد.

نرخ افزایش ولتاژ بازیابی در M به صورت زیر بیان می‌شود

در شکن‌های مداری DC که از جریان‌های نوسانی برای قطع جریان استفاده می‌کنند، چالش جلوگیری از قوس‌های بازیابی به ویژه سخت است. این امر به دلیل مدت زمان بسیار کوتاه قطع یا "برش" جریان است. هنگامی که جریان به سرعت در چنین مدت زمان کوتاهی قطع می‌شود، یک افزایش شدید و ناگهانی در ولتاژ بازیابی در انتهای شکن ایجاد می‌شود. این ولتاژ با مقدار بالا و افزایش سریع تهدید قابل توجهی برای تمامیت شکن مداری است. برای اطمینان از عملکرد قابل اعتماد، شکن مداری باید با قدرت دی‌الکتریک کافی و توان تحمل ولتاژ طراحی شود تا این ولتاژ بازیابی شدید را بدون تسلب به قوس‌های بازیابی تحمل کند که می‌تواند منجر به خسارت، قوس الکتریکی و خرابی سیستم شود.