Interruptor de corrente contínua de alta tensión

Interruptores de circuito HVDC: Funcionalidade, desafíos e solucións

Un interruptor de circuito HVDC (Corrente Directa de Alta Tensión) é un dispositivo de conmutación especializado deseñado para interromper o fluxo de corrente directa anómala dentro dun circuito eléctrico. Cando ocorre un fallo no sistema, os contactos mecánicos do interruptor de circuito separamse, abrindo eficazmente o circuito. No entanto, interromper o circuito nun sistema HVDC é unha tarefa máis complexa en comparación co seu homólogo de CA (Corrente Alternada). Isto debe-se principalmente ao feito de que a corrente nun circuito HVDC fluye nunha única dirección e non pasa naturalmente por valores de corrente cero, que son cruciais para a extinción do arco nos interruptores de circuito de CA.

A función principal dun interruptor de circuito HVDC é interromper os fluxos de corrente directa de alta tensión na rede eléctrica. En contraste, os interruptores de circuito de CA poden interromper facilmente o arco cando a corrente alcanza o seu punto natural de cero na onda de CA. Neste instante de corrente cero, a enerxía que necesita ser interrompida tamén é cero, permitindo que a fenda entre os contactos recupere a súa resistencia dieléctrica e suporte a tensión de recuperación transitoria natural.

Nos interruptores de circuito HVDC, a situación é moito máis complexa. Dado que a onda de CD carece de ceros de corrente naturais, a interrupción forzada do arco pode levar á xeración de voltaxes de recuperación transitorios extremadamente altos. Sen unha interrupción adecuada do arco, existe o risco de rechispas, que poden resultar finalmente na destrución dos contactos do interruptor. Ao deseñar interruptores de circuito HVDC, os enxeñeiros deben abordar tres desafíos clave:

1. Creación de ceros de corrente artificiais: Esta é esencial para a extinción do arco xa que a ausencia de ceros de corrente naturais en CD dificulta a interrupción do arco.

2. Prevención de arcos de rechispa: Unha vez interrompido o arco, deben tomarse medidas para evitar que se reinicie, o que podería causar danos ao interruptor e perturbar o sistema.

3. Disipación da enerxía almacenada: A enerxía almacenada nos componentes do sistema debe dissiparse de forma segura para evitar posibles perigos.

Para superar a falta de ceros de corrente naturais, os interruptores de circuito HVDC empregan o principio de crear ceros de corrente artificiais para a extinción do arco. Un enfoque común implica introducir un circuito L - C (inductor - condensador) paralelo. Cando este circuito se activa, provoca que a corrente do arco oscile. Estas oscilacións son intensas e xeran múltiples ceros de corrente artificiais. O interruptor de circuito entón extingue o arco nun dos puntos de cero corrente artificial. Para que este método sexa efectivo, a corrente de cresta da oscilación debe superar a corrente directa que necesita ser interrompida.

Unha implementación máis detallada implica conectar un circuito resonante en serie composto por un inductor (L) e un condensador (C) a través do contacto principal (M) dun interruptor de circuito de CD convencional mediante un contacto auxiliar (S1). Ademais, un resistor (R) está conectado a través do contacto (S2). Nas condicións normais de funcionamento, o contacto principal (M) e o contacto de carga (S2) permanecen pechados. O condensador (C) está cargado á tensión de liña a través da alta resistencia (R). Mentres tanto, o contacto (S1) permanece aberto, coa tensión de liña a través del. Este configuración establece as bases para crear as condicións necesarias para interromper a corrente de CD durante un escenario de fallo xerando ceros de corrente artificiais e xestionando os procesos eléctricos asociados.

Cando se trata de interromper a corrente principal Id, o mecanismo de funcionamento inicia unha secuencia de accións. Primeiro, abre o contacto S2 e simultaneamente pecha o contacto S1. Esta configuración dispara a descarga do condensador C a través da indutancia L, o contacto principal M e o contacto auxiliar S1. Como resultado, estabelece unha corrente oscilatoria, como se mostra na figura a continuación. Esta corrente oscilatoria xera ceros de corrente artificiais, que son cruciais para o correcto funcionamento do interruptor de circuito. O contacto principal M do interruptor de circuito entón se abre precisamente nun dos puntos de cero corrente artificial. Unha vez que o contacto principal M interrompe con éxito a corrente, o contacto S1 se abre e o contacto S2 se pecha, reiniciando o sistema para operacións futuras e asegurando a integridade do proceso de interrupción de circuito HVDC.

Método alternativo para interromper a corrente directa principal

Un enfoque alternativo para interromper a corrente directa principal nun sistema de corrente directa de alta tensión (HVDC) implica desviar a corrente a un condensador, que efectivamente reduce a magnitude da corrente que os interruptores de circuito teñen que interromper. Este método ilustrase na figura a continuación e comeza cun condensador C que inicialmente está sen cargar.

Cando o contacto principal M do interruptor de circuito comeza a abrirse, ocorre un evento crucial: a corrente do circuito principal, que anteriormente fluía a través do contacto principal M, redirígese e comeza a fluir no condensador C. Como resultado desta redirección, a carga de corrente que os contactos principais M teñen que manexar durante o proceso de interrupción diminúe significativamente. Esta redución na magnitude da corrente alivia a carga sobre o interruptor de circuito, facendo o proceso de interrupción máis xestionable e menos probable de causar danos ou fallos.

Ademais do papel do condensador na desviación da corrente, un resistor non linear R tamén é un compoñente esencial deste sistema. O resistor non linear R xoga un papel vital na absorción da enerxía asociada co flujo de corrente sen causar un aumento substancial na tensión a través do contacto principal M. Ao dissipar eficazmente a enerxía, o resistor non linear axuda a manter a integridade do interruptor de circuito e do sistema eléctrico en xeral, asegurando que os niveis de tensión permanezan dentro de límites aceptables durante o proceso de interrupción da corrente. Esta operación coordinada do condensador C e o resistor non linear R proporciona un método eficaz e fiable para interromper a corrente directa principal nun sistema HVDC.

A taxa de subida da tensión de recuperación a través de M exprésase como

Nelos interruptores de circuito de CD que se basean en correntes oscilantes para interromper o fluxo, o desafío de prevenir as rechispas é particularmente formidable. Isto debeuse á duración extremadamente curta na que a corrente se interrompe ou "corta". Cando a corrente se interrompe rapidamente nun período tan curto, xera unha subida brusca e súbita na tensión de rechispa a través dos terminais do interruptor. Esta tensión de alta magnitude e rápida subida supón unha ameaza significativa para a integridade do interruptor de circuito. Para asegurar un funcionamento fiable, o interruptor de circuito debe estar deseñado con suficiente resistencia dieléctrica e capacidades de resistencia a tensión para soportar esta intensa tensión de rechispa sen sucumbir a rechispas, que poden levar a danos, arcos eléctricos e fallos do sistema.