HVDC-pistorasia

HVDC-sulkuja: Toiminta, haasteet ja ratkaisut

HVDC (High-Voltage Direct Current) sulku on erikoistunut kytkentälaite, joka on suunniteltu keskeyttämään sähköpiirin epänormaalin suoran sähkövirran. Kun järjestelmässä tapahtuu vika, sulun mekaaniset yhteystahot erotetaan toisistaan, mikä avaa piiriä tehokkaasti. Kuitenkin HVDC-järjestelmän pieneneminen on vaikeampaa verrattuna sen AC (Alternating Current) vastineeseen. Tämä johtuu pääasiassa siitä, että HVDC-piirissä virta virtaa yhden suunnan mukaan eikä se luonnostaan kulje nollavirtatasoissa, jotka ovat olennaisia kaaren sammumiseksi AC-sulkujen käsittelyssä.

HVDC-sulun päätavoitteena on keskeyttää korkean jännitteen suora sähkövirta sähköverkossa. Sen sijaan AC-sulkujen on helpompaa keskeyttää kaari, kun virta saavuttaa luonnollisen nollapisteensä AC-aallokussa. Tällä nollavirta- hetkellä keskeytettävä energia on myös nolla, mikä mahdollistaa yhteystahojen välinen dielektrinen vahvuuden palautumisen ja kestämään luonnollisen tilapäisen toipumisjännitteen.

HVDC-sulkujen käsittely on huomattavasti monimutkaisempaa. Koska DC-aallossa ei ole luonnollisia nollavirtatason, pakotettu kaaren keskeytys voi johtaa äärimmäisen korkeisiin tilapäisiin toipumisjännitteisiin. Ilman asianmukaista kaaren keskeyttämistä on riski uudelleensytymisille, jotka voivat lopulta tuhota sulun yhteystahot. HVDC-sulkujen suunnittelussa insinöörit joutuvat kohtaamaan kolme keskeistä haastetta:

1. Teknisten nollavirtatason luominen: Tämä on olennaista kaaren sammumiseksi, koska DC:ssä puuttuvat luonnolliset nollavirtatason tekevät kaaren keskeyttämisen vaikeaksi.

2. Uudelleensytymisien estäminen: Kun kaari on keskeytetty, on otettava käyttöön toimenpiteitä sen estämiseksi syttyvän uudelleen, mikä voisi aiheuttaa vahinkoa sululle ja häiritä järjestelmää.

3. Tallennetun energian hajoittaminen: Järjestelmän komponentteihin tallennettu energia on turvallisesti hajotettava välttääksesi potentiaalisia vaaroja.

Luonnollisten nollavirtatason puutteen voittamiseksi HVDC-sulkujen käytetään periaatetta teknisten nollavirtatason luomiseksi kaaren sammumiseksi. Yleinen lähestymistapa sisältää rinnakkaisen L-C (induktori-kondensaattori) piirin lisäämisen. Kun tämä piiri aktivoituu, se aiheuttaa kaaren virtasen heilahtelemisen. Nämä heilahdukset ovat intensiivisiä ja tuottavat useita teknisiä nollavirtatason. Sulku sitten sammuttaa kaaren yhdessä näistä teknisistä nollavirtatason. Jotta tämä menetelmä olisi tehokas, heilahtelun huippuvirtan on oltava suurempi kuin keskeytettävä suora virta.

Yksityiskohtainen toteutus sisältää sarjaresonanssipiirin, joka koostuu induktorista (L) ja kondensaattorista (C), jonka yhdistetään tavallisen DC-sulun pääyhteystahoon (M) apuyhteystahon (S1) kautta. Lisäksi vastus (R) yhdistetään yhteystahon (S2) kautta. Normaalissa toimintatilassa pääyhteystaho (M) ja laturayhteystaho (S2) pysyvät suljettuna. Kondensaattori (C) ladataan linjajännitteeseen korkean vastuksen (R) kautta. Samalla yhteystaho (S1) pysyy auki, ja linjajännite on sen yli. Tämä asetus tarjoaa perustan DC-virran keskeyttämiseksi virhetilanteessa tekemällä teknisiä nollavirtatason ja hallinnoimalla liittyviä sähköprosesseja.

Kun tulee keskeyttämään pääpiirinvirta Id, toimintamekanismi aloittaa toimintojen sarjan. Ensimmäiseksi se avaa yhteystahon S2 ja samanaikaisesti sulkee yhteystahon S1. Tämä konfiguraatio aktivoi kondensaattorin C purkautumisen induktiotasolle L, pääyhteystaholle M ja apuyhteystaholle S1. Tuloksena syntyy heilahteluvirta, kuten alla olevassa kuvassa. Tämä heilahteluvirta tuottaa teknisiä nollavirtatason, jotka ovat olennaisia sulkun toiminnalle. Pääyhteystaho M suljetaan tarkasti yhdessä näistä teknisistä nollavirtatason. Kun pääyhteystaho M on onnistuneesti keskeyttänyt virran, yhteystaho S1 avataan, ja yhteystaho S2 suljetaan, jolloin järjestelmä resetoidaan tuleville operaatioille ja varmistetaan HVDC-sulku -prosessin eheyden.

Vaihtoehtoinen menetelmä pääsuoran sähkövirran keskeyttämiseksi

Vaihtoehtoinen lähestymistapa pääsuoran sähkövirran keskeyttämiseksi korkean jännitteen suoran sähkövirran (HVDC) järjestelmässä sisältää virran ohjaamisen kondensaattoriin, mikä tehokkaasti vähentää sulkujen keskeyttämän virran suuruutta. Tämä menetelmä on havainnollistettu alla olevassa kuvassa, ja se alkaa kondensaattorilla C, joka on aluksi lataamaton.

Kun sulun pääyhteystaho M alkaa avautua, tapahtuu tärkeä asia: pääpiirinvirta, joka virtasi aiemmin pääyhteystahon M kautta, ohjataan kondensaattoriin C. Tämän ohjaamisen seurauksena pääyhteystahojen M kantama virtataso keskeyttämisprosessissa vähenee merkittävästi. Virtatasojen vähentyminen helpottaa sulkun taakkaa, tekee keskeyttämisprosessista hallitumpaa ja vähentää vahingon tai epäonnistumisen riskiä.

Lisäksi kondensaattorin rooliin virtasuunnan ohjaamisessa on olennainen myös epälineaarisen vastuksen R rooli. Epälineaarinen vastus R on tärkeä komponentti, joka imee virtasuun liittyvän energian ilman, että aiheuttaa huomattavaa kasvua pääyhteystahon M yli olevaan jännitteeseen. Energian tehokkaalla hajoittamisella epälineaarinen vastus auttaa ylläpitämään sulkun ja kokonaissähköjärjestelmän eheyttä, varmistaa, että jännitepinnat pysyv hyväksyttävissä rajoissa virtasuun keskeyttämisprosessissa. Tämä kondensaattorin C ja epälineaarisen vastuksen R yhteistoiminta tarjoaa tehokkaan ja luotettavan menetelmän pääsuoran sähkövirran keskeyttämiseksi HVDC-järjestelmässä.

Toipumisjännitteen nousunopeus M:n yli ilmaistaan

DC-sulkujen, jotka perustuvat heilahteluvirtaan virtasuun keskeyttämiseksi, uudelleensytymiseen estämiseen liittyy erityisen haastava ongelma. Tämä johtuu nopeasta ajankohdasta, jossa virta keskeytetään tai "leikataan". Kun virta keskeytetään nopeasti lyhyessä ajassa, se aiheuttaa jyrkkän ja nopean nousun uudelleensytymisjännitteessä sulun terminaalien välillä. Tämä korkean magnitudin, nopeasti nouseva jännite muodostaa merkittävän uhkan sulkun eheydelle. Luotettavan toiminnan varmistamiseksi sulun on suunniteltava riittävällä dielektrisellä vahvuudella ja jännitteiden kestävyydellä, jotta se selviää tästä intensiivistä uudelleensytymisjännitteestä ilman, että se antautuu uudelleensytymiin, jotka voivat johtaa vahinkoihin, sähköarkeihin ja järjestelmäepäonnistumiin.