Prekidnik za HVDC

Prekidaci HVDC struje: Funkcionalnost, izazovi i rješenja

Prekidac HVDC (High - Voltage Direct Current) je specijalizirani prekidač dizajniran za prekid nepravilnog toka jednosmjerne struje unutar električnog kruga. Kada se dogodi greška u sistemu, mehanički kontakti prekidaca se razdvajaju, efektivno otvarajući krug. Međutim, prekid kruga u HVDC sistemu predstavlja težak zadatak u usporedbi s njegovim AC (Alternating Current) ekvivalentom. To je uglavnom zbog toga što struja u HVDC krugu teče u jednom smjeru i ne prirodno prolazi kroz nulte vrijednosti struje, koje su ključne za ugasevanje luka u prekidacima AC struje.

Glavna funkcija prekidaca HVDC je prekid velikih tokova jednosmjerne struje u mreži. U suprotnosti, prekidaci AC struje mogu lako prekinuti luk kad struja doseže svoju prirodnu nultu točku u valovitom obliku AC. U tom trenutku nulte struje, energija koja treba biti prekinuta također je nula, omogućujući da se razmak između kontakata opet osvoji dielektričnu čvrstoću i održi prirodni privremeni oporavak napona.

U prekidacima HVDC situacija je daleko složenija. Budući da valoviti oblik DC nedostaje prirodne nulte točke struje, prisilno prekinuti luk može dovesti do generiranja izuzetno visokih privremenih oporavaka napona. Bez pravilnog prekida luka, postoji rizik od ponovnog zapaljenja, što može dovesti do uništavanja kontakata prekidaca. Pri dizajniranju prekidaca HVDC, inženjeri moraju riješiti tri ključna izazova:

1. Stvaranje umjetne nulte točke struje: To je ključno za ugasevanje luka jer odsutnost prirodnih nultih točaka u DC čini teškim prekid luka.

2. Sprečavanje ponovnog zapaljenja luka: Nakon prekida luka, moraju se poduzeti mjere kako bi se spriječilo njegovo ponovno zapaljenje, što bi moglo uzrokovati oštećenje prekidaca i perturbaciju sustava.

3. Raspodjela pohranjene energije: Energija pohranjena u komponentama sustava mora biti sigurno raspodijeljena kako bi se spriječili potencijalni opasnosti.

Da bi se nadomjestila odsutnost prirodnih nultih točaka, prekidaci HVDC koriste princip stvaranja umjetnih nultih točaka struje za ugasevanje luka. Jedan uobičajen pristup uključuje uvođenje paralelnog L - C (induktor - kondenzator) kruga. Kada se ovaj krug aktivira, uzrokuje oscilacije struje luka. Ove oscilacije su intenzivne i generiraju više umjetnih nultih točaka struje. Prekidac tada ugasi luk na jednoj od tih umjetnih nultih točaka struje. Da bi ovaj metod bio učinkovit, vrhunski tok oscilacije mora premašiti direktnu struju koja treba biti prekinuta.

Više detaljan implementacija uključuje povezivanje serijeskog rezonantnog kruga sastavljenog od induktora (L) i kondenzatora (C) preko glavnog kontakta (M) konvencionalnog prekidaca DC preko pomoćnog kontakta (S1). Također, otpornik (R) je povezan putem kontakta (S2). U normalnim radnim uvjetima, glavni kontakt (M) i kontakt za punjenje (S2) ostaju zatvoreni. Kondenzator (C) se puni na linijarski napon putem visokog otpora (R). U međuvremenu, kontakt (S1) ostaje otvoren, s linijarskim naponom preko njega. Ova postavka stvara temelj za stvaranje nužnih uvjeta za prekid DC struje tijekom scenarija greške generiranjem umjetnih nultih točaka struje i upravljanjem povezanim električnim procesima.

Kada je riječ o prekidu glavnog kruga struje Id, operativni mehanizam pokreće niz akcija. Prvo, otvara kontakt S2 i istovremeno zatvara kontakt S1. Ova konfiguracija pokreće ispraznjenje kondenzatora C kroz indukciju L, glavni kontakt M i pomoćni kontakt S1. Kao rezultat, uspostavlja se oscilatorni tok, kao što je prikazano na slici dolje. Taj oscilatorni tok generira umjetne nulte točke struje, koje su ključne za pravilan rad prekidaca. Glavni kontakt M prekidaca tada otvara točno na jednoj od tih umjetnih nultih točaka struje. Nakon što je glavni kontakt M uspješno prekinuo struju, kontakt S1 se otvara, a kontakt S2 se zatvara, resetirajući sustav za potencijalne buduće operacije i osiguravajući integritet HVDC postupka prekida kruga.

Alternativni način prekida glavne jednosmjerne struje

Alternativni pristup prekidu glavne jednosmjerne struje u sustavu visokog napona jednosmjerne struje (HVDC) uključuje odvajanje struje na kondenzator, što efektivno smanjuje magnitudu struje koju prekidaci moraju prekinuti. Ovaj metod je ilustriran na slici dolje, i počinje sa kondenzatorom C koji je inicijalno u nepunjenom stanju.

Kada glavni kontakt M prekidaca počne otvarati, događa se ključni događaj: glavni krug struje, koji je prethodno tečao kroz glavni kontakt M, preusmjerava se i počinje teći u kondenzator C. Kao rezultat tog preusmjeravanja, opterećenje strujom koje glavni kontakti M moraju obrađivati tijekom postupka prekida znatno se smanjuje. Ovo smanjenje magnitude struje olakšava opterećenje na prekidac, čineći postupak prekida lakšim i manje vjerojatnim da uzrokuje oštećenje ili propad.

Osim uloge kondenzatora u odvajanju struje, nelinearni otpornik R je također ključni dio ovog sustava. Nelinearni otpornik R igra vitalnu ulogu u apsorbiranju energije povezane s tokom struje bez uzrokanja značajnog porasta napona preko glavnog kontakta M. Efikasno disipirajući energiju, nelinearni otpornik pomaže u održavanju integriteta prekidaca i ukupnog električnog sustava, osiguravajući da naponske razine ostaju unutar prihvatljivih granica tijekom postupka prekida struje. Ovaj koordinirani rad kondenzatora C i nelinearnog otpornika R pruža učinkovit i pouzdan način prekida glavne jednosmjerne struje u HVDC sustavu.

Brzina porasta oporavnog napona preko M izražena je kao

U prekidacima DC struje koji se oslanjaju na oscilatorne tokove za prekid toka, izazov sprečavanja ponovnog zapaljenja je posebno velik. To je zbog izuzetno kratkog vremenskog perioda u kojem se struja prekida ili "rezanje". Kada se struja brzo prekida u toliko kratkom vremenskom okviru, generira se strm i nagli porast restriktnog napona preko terminala prekidaca. Ovaj visokomagnitudni, brzo rastući napon predstavlja značajan opasnost za integritet prekidaca. Da bi se osigurala pouzdana operacija, prekidac mora biti dizajniran s dovoljnom dielektričnom čvrstoćom i sposobnošću održavanja napona kako bi izdržao ovaj intenzivni restriktni napon bez padanja u restrike, što bi moglo dovesti do oštećenja, električnog lukovanja i propada sustava.