מחסום חשמל ישר
מפרקי חשמל ישרים בזרם גבוה (HVDC): פונקציונליות, אתגרים ופתרונות
מפרק HVDC (High - Voltage Direct Current) הוא מכשיר התמחות המתוכנן כדי להפסיק את זרימת הזרם הישר反常的直流电。当系统中发生故障时，断路器的机械触点分离，从而有效地打开电路。然而，与交流（AC）系统相比，在高压直流系统中断开电路是一项更具挑战性的任务。这主要是因为直流电路中的电流是单向流动的，并且不会自然地通过零电流值，而这些零电流值对于交流断路器的灭弧至关重要。
高压直流断路器的主要功能是在电网中中断高电压直流流。相比之下，当交流波形中的电流达到其自然零点时，交流断路器可以轻松地中断电弧。在这一零电流瞬间，需要中断的能量也为零，使得触点间隙能够恢复其绝缘强度并承受自然暂态恢复电压。
在高压直流断路器中，情况要复杂得多。由于直流波形缺乏自然电流零点，强制灭弧可能导致产生极高的暂态恢复电压。如果没有适当的灭弧措施，可能会导致重燃的风险，最终导致断路器触点损坏。在设计高压直流断路器时，工程师必须解决三个关键挑战：
人工电流零点的创建：这对于灭弧是必不可少的，因为直流中缺少自然电流零点使得灭弧变得困难。 防止重燃电弧：一旦电弧被中断，必须采取措施防止其重新点燃，这可能会对断路器造成损坏并扰乱系统。 储存能量的耗散：系统组件中储存的能量需要安全地耗散，以避免潜在的危险。 为了克服自然电流零点的缺失，高压直流断路器采用了创建人工电流零点来实现灭弧的原理。一种常见的方法是引入并联LC（电感-电容）电路。当该电路激活时，它会使电弧电流振荡。这些振荡非常强烈，并生成多个人工电流零点。然后断路器在一个这样的人工零电流点上熄灭电弧。为了使这种方法有效，振荡的峰值电流必须超过需要中断的直流电流。 更详细的实施方案包括将由电感（L）和电容（C）组成的串联谐振电路连接到常规直流断路器的主触点（M）上，通过辅助触点（S1）。此外，通过触点（S2）连接一个电阻（R）。在正常工作条件下，主触点（M）和充电触点（S2）保持闭合。电容（C）通过高阻抗（R）充电至线路电压。同时，触点（S1）保持开启状态，线路电压施加在其上。这种设置为在故障情况下通过生成人工电流零点并管理相关的电气过程来中断直流电流奠定了基础。 当涉及到中断主电路电流Id时，操作机构启动一系列动作。首先，它打开触点S2并同时关闭触点S1。这种配置触发了电容C通过电感L、主触点M和辅助触点S1放电。结果建立了如图所示的振荡电流。这个振荡电流产生了人工电流零点，这对断路器的正确操作至关重要。断路器的主触点M随后在其中一个这样的零电流点精确地打开。一旦主触点M成功中断电流，触点S1打开，触点S2闭合，重置系统以备将来可能的操作，并确保高压直流断路过程的完整性。 中断主直流电流的替代方法 在高压直流（HVDC）系统中中断主直流电流的一种替代方法是将电流转移到电容器中，从而有效地减少了断路器需要中断的电流大小。此方法如下面的图示所示，从一个初始未充电的电容器C开始。 当断路器的主触点M开始打开时，一个关键事件发生了：之前通过主触点M流动的主电路电流被重新导向并开始流入电容器C。由于这种重新导向，主触点M在中断过程中需要处理的电流负载显著减少。这种电流大小的减小减轻了断路器的负担，使中断过程更加可控，减少了损坏或故障的可能性。 除了电容器在分流电流方面的作用外，非线性电阻R也是该系统的重要组成部分。非线性电阻R在吸收与电流流动相关的能量方面起着至关重要的作用，而不会导致主触点M上的电压显著增加。通过高效地耗散能量，非线性电阻有助于保持断路器和整个电气系统的完整性，确保在电流中断过程中电压水平保持在可接受范围内。电容器C和非线性电阻R的协调运作提供了一种有效且可靠的方法来中断高压直流系统中的主直流电流。 M处恢复电压上升率表示为 在依赖振荡电流中断电流的直流断路器中，防止重燃的挑战尤为严峻。这是由于电流中断或“截断”的时间极短。当电流在如此短的时间内迅速中断时，会在断路器端子之间产生陡峭且突然的重燃电压激增。这种高幅值、快速上升的电压对断路器的完整性构成了重大威胁。为了确保可靠运行，断路器必须具有足够的绝缘强度和耐电压能力，以承受这种强烈的重燃电压而不发生重燃，否则可能导致损坏、电弧放电和系统故障。 מפרקי חשמל ישרים בזרם גבוה (HVDC): פונקציונליות, אתגרים ופתרונות מפרק HVDC (High - Voltage Direct Current) הוא מכשיר התמחות המתוכנן כדי להפסיק את זרימת הזרם הישר במתח גבוה בתווך חשמלי. כאשר מתרחש תקלה במערכת, הנגעים המכניים של המפרק מתנתקים, ובכך מפתחים את המעגל. עם זאת, הפסקת מעגל במערכת HVDC היא משימה מאתגרת בהשוואה למערכת ה-AC (זרם חילופין). הסיבה העיקרית לכך היא שהזרם במעגל HVDC זורם בכיוון אחד בלבד ולא עובר באופן טבעי דרך ערכים של זרם אפס, שמהווים חיוניים לסגירת קשת בעדשות מפרק AC. המשימה העיקרית של מפרק HVDC היא להפסיק זרמי מתח גבוה ישירים ברשת החשמל. לעומת זאת, מפרקי AC יכולים בקלות לשבש את הקשת כאשר הזרם מגיע לשיאו הטבעי בוואב ה-AC. ברגע זה של זרם אפס, האנרגיה שיש לשבש היא גם אפס, מה שאפשר לנגב השבירה להחזיר את חוזק הדיאלקטרי שלה ולהחזיק את המתח הזמני השחזרי הטבעי. במפרקי HVDC, המצב מורכב הרבה יותר. מכיוון שהוואב DC חסר ערכים טבעיים של זרם אפס, הפסקת קשת כפויה יכולה להוביל לייצור מתח שחזור טרנסינטי非常高，这在直流断路器中是一个复杂的挑战。由于直流波形缺乏自然电流零点，强制灭弧可能导致产生极高的瞬态恢复电压。如果没有适当的灭弧措施，可能会导致重燃的风险，最终导致断路器触点损坏。在设计高压直流断路器时，工程师必须解决三个关键挑战：
创建人工电流零点：这对于灭弧是必不可少的，因为直流中缺少自然电流零点使得灭弧变得困难。 防止重燃电弧：一旦电弧被中断，必须采取措施防止其重新点燃，这可能会对断路器造成损坏并扰乱系统。 储存能量的耗散：系统组件中储存的能量需要安全地耗散，以避免潜在的危险。 为了克服自然电流零点的缺失，高压直流断路器采用了创建人工电流零点来实现灭弧的原理。一种常见的方法是引入并联LC（电感-电容）电路。当该电路激活时，它会使电弧电流振荡。这些振荡非常强烈，并生成多个人工电流零点。然后断路器在一个这样的人工零电流点上熄灭电弧。为了使这种方法有效，振荡的峰值电流必须超过需要中断的直流电流。 更详细的实施方案包括将由电感（L）和电容（C）组成的串联谐振电路连接到常规直流断路器的主触点（M）上，通过辅助触点（S1）。此外，通过触点（S2）连接一个电阻（R）。在正常工作条件下，主触点（M）和充电触点（S2）保持闭合。电容（C）通过高阻抗（R）充电至线路电压。同时，触点（S1）保持开启状态，线路电压施加在其上。这种设置为在故障情况下通过生成人工电流零点并管理相关的电气过程来中断直流电流奠定了基础。 当涉及到中断主电路电流Id时，操作机构启动一系列动作。首先，它打开触点S2并同时关闭触点S1。这种配置触发了电容C通过电感L、主触点M和辅助触点S1放电。结果建立了如图所示的振荡电流。这个振荡电流产生了人工电流零点，这对断路器的正确操作至关重要。断路器的主触点M随后在其中一个这样的零电流点精确地打开。一旦主触点M成功中断电流，触点S1打开，触点S2闭合，重置系统以备将来可能的操作，并确保高压直流断路过程的完整性。 中断主直流电流的替代方法 在高压直流（HVDC）系统中中断主直流电流的一种替代方法是将电流转移到电容器中，从而有效地减少了断路器需要中断的电流大小。此方法如下面的图示所示，从一个初始未充电的电容器C开始。 当断路器的主触点M开始打开时，一个关键事件发生了：之前通过主触点M流动的主电路电流被重新导向并开始流入电容器C。由于这种重新导向，主触点M在中断过程中需要处理的电流负载显著减少。这种电流大小的减小减轻了断路器的负担，使中断过程更加可控，减少了损坏或故障的可能性。 除了电容器在分流电流方面的作用外，非线性电阻R也是该系统的重要组成部分。非线性电阻R在吸收与电流流动相关的能量方面起着至关重要的作用，而不会导致主触点M上的电压显著增加。通过高效地耗散能量，非线性电阻有助于保持断路器和整个电气系统的完整性，确保在电流中断过程中电压水平保持在可接受范围内。电容器C和非线性电阻R的协调运作提供了一种有效且可靠的方法来中断高压直流系统中的主直流电流。 M处恢复电压上升率表示为 在依赖振荡电流中断电流的直流断路器中，防止重燃的挑战尤为严峻。这是由于电流中断或“截断”的时间极短。当电流在如此短的时间内迅速中断时，会在断路器端子之间产生陡峭且突然的重燃电压激增。这种高幅值、快速上升的电压对断路器的完整性构成了重大威胁。为了确保可靠运行，断路器必须具有足够的绝缘强度和耐电压能力，以承受这种强烈的重燃电压而不发生重燃，否则可能导致损坏、电弧放电和系统故障。 מפרקי חשמל ישרים בזרם גבוה (HVDC): פונקציונליות, אתגרים ופתרונות מפרק HVDC (High - Voltage Direct Current) הוא מכשיר התמחות המתוכנן כדי להפסיק את זרימת הזרם הישר במתח גבוה בתווך חשמלי. כאשר מתרחש תקלה במערכת, הנגעים המכניים של המפרק מתנתקים, ובכך מפתחים את המעגל. עם זאת, הפסקת מעגל במערכת HVDC היא משימה מאתגרת בהשוואה למערכת ה-AC (זרם חילופין). הסיבה העיקרית לכך היא שהזרם במעגל HVDC זורם בכיוון אחד בלבד ולא עובר באופן טבעי דרך ערכים של זרם אפס, שמהווים חיוניים לסגירת קשת בעדשות מפרק AC. המשימה העיקרית של מפרק HVDC היא להפסיק זרמי מתח גבוה ישירים ברשת החשמל. לעומת זאת, מפרקי AC יכולים בקלות לשבש את הקשת כאשר הזרם מגיע לשיאו הטבעי בוואב ה-AC. ברגע זה של זרם אפס, האנרגיה שיש לשבש היא גם אפס, מה שאפשר לנגב השבירה להחזיר את חוזק הדיאלקטרי שלה ולהחזיק את המתח הזמני השחזרי הטבעי. במפרקי HVDC, המצב מורכב הרבה יותר. מכיוון שהוואב DC חסר ערכים טבעיים של זרם אפס, הפסקת קשת כפויה יכולה להוביל לייצור מתח שחזור טרנסינטי גבוה מאוד. ללא הפסקת קשת נכונה, יש סיכון לשיבוט, שמוביל בסופו של דבר להשחתת נגעי המפרק. בעת עיצוב מפרקי HVDC, על המהנדסים להתמודד עם שלושת האתגרים העיקריים הבאים: יצירת ערך אפס מלאכותי של הזרם: זו חשובה לסגירת הקשת מאחר והיעדר ערכי אפס טבעיים בזרם ישר גורם לקושי בהפסקת הקשת. מניעת שיבוטי קשת: לאחר הפסקת הקשת, יש לקחת צעדים למנוע מממנה להישנות, מה שיכול לגרום לנזק למפרק ולפריעות במערכת. פיזור אנרגיה מאוחסנת: יש לפזר את האנרגיה המאוחסנת ברכיבי המערכת בצורה בטוחה כדי למנוע סיכונים אפשריים. כדי להתגבר על חוסר ערכי אפס טבעיים, מפרקי HVDC משתמשים בעקרון יצירת ערכי אפס מלאכותיים לסגירת הקשת. אחת מהדרכים הנפוצות היא הוספת מעגל L-C מקביל (סליל-קיבול). כאשר מעגל זה מתעורר, הוא גורם לזרם הקשת להתנדנד. התנודות הללו הן חזקות ומפיקות מספר ערכי אפס מלאכותיים. המפרק מדכא את הקשת באחד מהנקודות של ערכי האפס המלאכותיים הללו. כדי שיטה זו תהיה יעילה, הגודל המרבי של התנודה צריך להיות גדול מהזרם הישר שצריך להפסיק. ביצוע מפורט יותר כולל חיבור מעגל תהודה טורי המורכב מסליל (L) וקיבול (C) מעל הנגע הראשי (M) של מפרק DC רגיל באמצעות נגע עזר (S1). בנוסף, מחובר מחזיר (R) דרך נגע (S2). בתנאים נורמליים, הנגע הראשי (M) ונגע ההטענה (S2) נשארים סגורים. הקיבול (C) מטען למתח הקו דרך המחזיר הגבוה (R). בינתיים, הנגע (S1) נשאר פתוח, עם מתח הקו עליו. תצורה זו מטילה את הבסיס ליצירת התנאים הנדרשים להפסקת הזרם הישר במהלך מצב תקלה על ידי יצירה של ערכי אפס מלאכותיים וניהול התהליכים החשמליים המשויכים. בהפסקת הזרם הראשי Id, מנגנון ההפעלה מתחיל סדרה של פעולות. ראשית, הוא פותח את הנגע S2 ומגביר את הנגע S1. תצורה זו מפעילה את הפליטת הקיבול C דרך הסליל L, הנגע הראשי M ונגע העזר S1. כתוצאה מכך, מוקם זרם מתנדנד, כפי שמוצג בתמונה שלהלן. הזרם המתנדנד הזה מייצר ערכי אפס מלאכותיים, שהם קריטיים לתפעול הנכון של המפרק. הנגע הראשי M של המפרק נפתח בדיוק באחד מהנקודות של ערכי האפס המלאכותיים הללו. לאחר שהנגר M הצליח להפסיק את הזרם, הנגע S1 נפתח, והנגע S2 נסגר, ומכניס את המערכת להפעלה עתידית אפשרית תוך שמירה על שלמות תהליך הפסקת ה-HVDC. שיטה אלטרנטיבית להפסקת הזרם הישר הראשי שיטה אלטרנטיבית להפסקת הזרם הישר הראשי במערכת זרם גבוה ישר (HVDC) כוללת הפניית הזרם לקיבול, מה שמפחית משמעותית את הגודל של הזרם שמפרקי החשמל צריכים להפסיק. שיטה זו מוצגת בתמונה שלהלן, והיא מתחילה עם קיבול C שלא טעון בהתחלה. כאשר הנגע הראשי M של המפרק מתחיל לפתוח, אירוע קריטי קורה: הזרם הראשי של המעגל, שהיה זורם דרך הנגע הראשי M, מופנה ומתחיל לזרום לקיבול C. כתוצאה מההיפוך הזה, העומס של הזרם שנגגעי הראשיים M צריכים להתמודד איתו במהלך תהליך ההפסקה מופחת משמעותית. הפחתת הגודל של הזרם מקלה על המפרק ומגיעה להפסקה יותר ניתנת להגדרה ופחות סבילה להרס או כשל. בנוסף לתפקידו של הקיבול בהיפוך הזרם, מחזיר לא ליניארי R הוא גם רכיב חשוב של המערכת. המחזיר לא ליניארי R משחק תפקיד מרכזי בבליעה של האנרגיה המשויכת לזרם בלי לגרום לעלייה משמעותית במתח על הנגע הראשי M. על ידי בליעה יעילה של האנרגיה, המחזיר לא ליניארי עוזר לשמור על שלמות המפרק ועל המערכת החשמלית בכלל, תוך שמירה על רמות מתח בתוך גבולות מקובלים במהלך תהליך ההפסקה של הזרם. פעולה מואצת של הקיבול C והמחזיר לא ליניארי R מספקת שיטה יעילה ואמינה להפסקת הזרם הישר הראשי במערכת HVDC. קצב העלייה של המתח השחזרי בנגע M מתבטא כך במפרקי DC המסתמכים על זרמים מתנדnds,这种情况特别具有挑战性。这是因为在极短时间内中断电流或“截断”电流会导致断路器两端产生陡峭且突然的重燃电压激增。这种高幅值、快速上升的电压对断路器的完整性构成重大威胁。为了确保可靠运行，断路器必须具有足够的绝缘强度和耐电压能力，以承受这种强烈的重燃电压而不发生重燃，否则可能导致损坏、电弧放电和系统故障。
请允许我继续翻译剩余部分。
מפרקי חשמל ישרים בזרם גבוה (HVDC): פונקציונליות, אתגרים ופתרונות מפרק HVDC (High - Voltage Direct Current) הוא מכשיר התמחות המתוכנן כדי להפסיק את זרימת הזרם הישר במתח גבוה בתווך חשמלי. כאשר מתרחש תקלה במערכת, הנגעים המכניים של המפרק מתנתקים, ובכך מפתחים את המעגל. עם זאת, הפסקת מעגל במערכת HVDC היא משימה מאתגרת בהשוואה למערכת ה-AC (זרם חילופין). הסיבה העיקרית לכך היא שהזרם במעגל HVDC זורם בכיוון אחד בלבד ולא עובר באופן טבעי דרך ערכים של זרם אפס, שמהווים חיוניים לסגירת קשת בעדשות מפרק AC. המשימה העיקרית של מפרק HVDC היא להפסיק זרמי מתח גבוה ישירים ברשת החשמל. לעומת זאת, מפרקי AC יכולים בקלות לשבש את הקשת כאשר הזרם מגיע לשיאו הטבעי בוואב ה-AC. ברגע זה של זרם אפס, האנרגיה שיש לשבש היא גם אפס, מה שאפשר לנגב השבירה להחזיר את חוזק הדיאלקטרי שלה ולהחזיק את המתח הזמני השחזרי הטבעי. במפרקי HVDC, המצב מורכב הרבה יותר. מכיוון שהוואב DC חסר ערכים טבעיים של זרם אפס, הפסקת קשת כפויה יכולה להוביל לייצור מתח שחזור טרנסינטי גבוה מאוד. ללא הפסקת קשת נכונה, יש סיכון לשיבוט, שמוביל בסופו של דבר להשחתת נגעי המפרק. בעת עיצוב מפרקי HVDC, על המהנדסים להתמודד עם שלושת האתגרים העיקריים הבאים: יצירת ערך אפס מלאכותי של הזרם: זו חשובה לסגירת הקשת מאחר והיעדר ערכי אפס טבעיים בזרם ישר גורם לקושי בהפסקת הקשת. מניעת שיבוטי קשת: לאחר הפסקת הקשת, יש לקחת צעדים למנוע מממנה להישנות, מה שיכול לגרום לנזק למפרק ולפריעות במערכת. פיזור אנרגיה מאוחסנת: יש לפזר את האנרגיה המאוחסנת ברכיבי המערכת בצורה בטוחה כדי למנוע סיכונים אפשריים. כדי להתגבר על חוסר ערכי אפס טבעיים, מפרקי HVDC משתמשים בעקרון יצירת ערכי אפס מלאכותיים לסגירת הקשת. אחת מהדרכים הנפוצות היא הוספת מעגל L-C מקביל (סליל-קיבול). כאשר מעגל זה מתעורר, הוא גורם לזרם הקשת להתנדנד. התנודות הללו הן חזקות ומפיקות מספר ערכי אפס מלאכותיים. המפרק מדכא את הקשת באחד מהנקודות של ערכי האפס המלאכותיים הללו. כדי שיטה זו תהיה יעילה, הגודל המרבי של התנודה צריך להיות גדול מהזרם הישר שצריך להפסיק. ביצוע מפורט יותר כולל חיבור מעגל תהודה טורי המורכב מסליל (L) וקיבול (C) מעל הנגע הראשי (M) של מפרק DC רגיל באמצעות נגע עזר (S1). בנוסף, מחובר מחזיר (R) דרך נגע (S2). בתנאים נורמליים, הנגע הראשי (M) ונגע ההטענה (S2) נשארים סגורים. הקיבול (C) מטען למתח הקו דרך המחזיר הגבוה (R). בינתיים, הנגע (S1) נשאר פתוח, עם מתח הקו עליו. תצורה זו מטילה את הבסיס ליצירת התנאים הנדרשים להפסקת הזרם הישר במהלך מצב תקלה על ידי יצירה של ערכי אפס מלאכותיים וניהול התהליכים החשמליים המשויכים. בהפסקת הזרם הראשי Id, מנגנון ההפעלה מתחיל סדרה של פעולות. ראשית, הוא פותח את הנגע S2 ומגביר את הנגע S1. תצורה זו מפעילה את הפליטת הקיבול C דרך הסליל L, הנגע הראשי M ונגע העזר S1. כתוצאה מכך, מוקם זרם מתנדנד, כפי שמוצג בתמונה שלהלן. הזרם המתנדנד הזה מייצר ערכי אפס מלאכותיים, שהם קריטיים לתפעול הנכון של המפרק. הנגע הראשי M של המפרק נפתח בדיוק באחד מהנקודות של ערכי האפס המלאכותיים הללו. לאחר שהנגר M הצליח להפסיק את הזרם, הנגע S1 נפתח, והנגע S2 נסגר, ומכניס את המערכת להפעלה עתידית אפשרית תוך שמירה על שלמות תהליך הפסקת ה-HVDC. שיטה אלטרנטיבית להפסקת הזרם הישר הראשי שיטה אלטרנטיבית להפסקת הזרם הישר הראשי במערכת זרם גבוה ישר (HVDC) כוללת הפניית הזרם לקיבול, מה שמפחית משמעותית את הגודל של הזרם שמפרקי החשמל צריכים להפסיק. שיטה זו מוצגת בתמונה שלהלן, והיא מתחילה עם קיבול C שלא טעון בהתחלה. כאשר הנגע הראשי M של המפרק מתחיל לפתוח, אירוע קריטי קורה: הזרם הראשי של המעגל, שהיה זורם דרך הנגע הראשי M, מופנה ומתחיל לזרום לקיבול C. כתוצאה מההיפוך הזה, העומס של הזרם שנגגעי הראשיים M צריכים להתמודד איתו במהלך תהליך ההפסקה מופחת משמעותית. הפחתת הגודל של הזרם מקלה על המפרק ומגיעה להפסקה יותר ניתנת להגדרה ופחות סבילה להרס או כשל.
