قاطع مدار مستقیم جریان مستقیم

شکستن‌گرهای HVDC: عملکرد، چالش‌ها و راه‌حل‌ها

شکستن‌گر HVDC (جریان مستقیم با ولتاژ بالا) دستگاه تخصصی سوئیچینگی است که برای قطع جریان غیرطبیعی جریان مستقیم در مدار الکتریکی طراحی شده است. هنگامی که خرابی در سیستم رخ می‌دهد، تماس‌های مکانیکی شکستن‌گر از هم جدا می‌شوند و به طور موثر مدار را باز می‌کنند. با این حال، قطع مدار در یک سیستم HVDC نسبت به همتای AC (جریان متناوب) یک کار پیچیده است. این به دلیل این است که جریان در یک مدار HVDC به طور یک‌سویه جریان می‌یابد و به طور طبیعی از مقادیر صفر جریان عبور نمی‌کند، که برای خاموش کردن قوس الکتریکی در شکستن‌گرهای AC حیاتی است.

وظیفه اصلی یک شکستن‌گر HVDC قطع جریان‌های جریان مستقیم با ولتاژ بالا در شبکه برق است. در مقابل، شکستن‌گرهای AC می‌توانند به آسانی قوس الکتریکی را در زمان رسیدن جریان به نقطه صفر طبیعی در موج AC 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 کرده و ولتاژ بازیابی موقت طبیعی را تحمل کنند.

در شکستن‌گرهای HVDC، وضعیت بسیار پیچیده‌تر است. چون موج DC نقاط صفر طبیعی جریان را ندارد، قطع اجباری قوس می‌تواند منجر به تولید ولتاژ بازیابی موقت بسیار بالا شود. بدون قطع صحیح قوس، خطر وجود دارد که قوس دوباره روشن شود که در نهایت می‌تواند منجر به تخریب تماس‌های شکستن‌گر شود. هنگام طراحی شکستن‌گرهای HVDC، مهندسین باید به سه چالش کلیدی پرداخته شود:

1. ایجاد صفر جریان مصنوعی: این برای خاموش کردن قوس ضروری است زیرا عدم وجود صفر جریان طبیعی در DC قطع قوس را مشکل می‌کند.

2. جلوگیری از قوس‌های بازتاب: پس از قطع قوس، اقداماتی باید انجام شود تا از دوباره روشن شدن آن جلوگیری شود که می‌تواند باعث خسارت به شکستن‌گر و اختلال در سیستم شود.

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

برای غلبه بر فقدان صفر جریان طبیعی، شکستن‌گرهای HVDC از اصل ایجاد صفر جریان مصنوعی برای خاموش کردن قوس استفاده می‌کنند. یک روش رایج شامل معرفی یک مدار موازی L-C (سازنده-ظرف) است. هنگامی که این مدار فعال می‌شود، باعث نوسان جریان قوس می‌شود. این نوسان‌ها شدید هستند و چندین صفر جریان مصنوعی تولید می‌کنند. سپس شکستن‌گر قوس را در یکی از این نقاط صفر جریان مصنوعی خاموش می‌کند. برای اینکه این روش مؤثر باشد، جریان قله نوسان باید بیشتر از جریان مستقیمی باشد که باید قطع شود.

یک پیاده‌سازی دقیق‌تر شامل اتصال یک مدار رزونانس سری شامل یک سازنده (L) و یک ظرف (C) به تماس اصلی (M) یک شکستن‌گر DC معمولی از طریق یک تماس کمکی (S1) است. علاوه بر این، یک مقاومت (R) از طریق تماس (S2) متصل می‌شود. در شرایط 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، با ولتاژ خط روی آن. این تنظیمات پایه‌ای برای ایجاد شرایط لازم برای قطع جریان DC در موقعیت خرابی با تولید صفر جریان مصنوعی و مدیریت فرآیندهای الکتریکی مرتبط را فراهم می‌کند.

هنگام قطع جریان اصلی Id، مکانیسم عملیاتی دنباله‌ای از اقدامات را آغاز می‌کند. ابتدا تماس S2 را باز می‌کند و همزمان تماس S1 را بسته. این تنظیمات باعث تخلیه ظرف C از طریق سازنده L، تماس اصلی M و تماس کمکی S1 می‌شود. به عنوان نتیجه، یک جریان نوسانی تشکیل می‌شود، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. این جریان نوسانی صفر جریان مصنوعی تولید می‌کند که برای عملکرد صحیح شکستن‌گر ضروری هستند. تماس اصلی M شکستن‌گر دقیقاً در یکی از این نقاط صفر جریان مصنوعی باز می‌شود. پس از قطع موفقیت‌آمیز جریان توسط تماس اصلی M، تماس S1 باز می‌شود و تماس S2 بسته می‌شود، سیستم برای عملیات آینده تنظیم می‌شود و تمامیت فرآیند شکستن مدار HVDC تضمین می‌شود.

روش جایگزین برای قطع جریان مستقیم اصلی

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

هنگامی که تماس اصلی M شکستن‌گر 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 مدیریت کنند به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. این کاهش میزان جریان تسهیل می‌کند و بار روی شکستن‌گر را کاهش می‌دهد و فرآیند قطع را قابل مدیریت‌تر و کمتر معرض خسارت یا خرابی می‌کند.

علاوه بر نقش ظرف در هدایت جریان، مقاومت غیرخطی R نیز جزء ضروری این سیستم است. مقاومت غیرخطی R نقش حیاتی در جذب انرژی مرتبط با جریان بدون افزایش قابل توجه ولتاژ روی تماس اصلی M دارد. با پخش کارآمد انرژی، مقاومت غیرخطی کمک می‌کند تا تمامیت شکستن‌گر 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 روشی مؤثر و قابل اعتماد برای قطع جریان مستقیم اصلی در یک سیستم HVDC فراهم می‌کند.

نرخ افزایش ولتاژ بازیابی روی M به صورت زیر بیان می‌شود

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