HVDC áramköri törésvédő

HVDC áramkörválasztók: Függvény, kihívások és megoldások

Az HVDC (Magasfeszültségű Egyszeres Áram) áramkörválasztó egy specializált kapcsolóeszköz, amelyet az elektrikus áramkörben fellépő rendellenességek esetén történő egyszeres áram folyásának megszakítására terveztek. Ha a rendszerben hiba lép fel, az áramkörválasztó mechanikus kapcsolói szétválasztódnak, így hatékonyan megnyitják az áramkört. Azonban az HVDC rendszerben az áramköri folyamat megszakítása sokkal nagyobb kihívást jelent, mint az AC (Váltóáram) párja. Ez elsősorban azért van, mert az HVDC áramkörben az áram egy irányban folyik, és természetesen nem halad át nulla áram értéken, ami az AC áramkörválasztókban alapvetően fontos az ív kialsztásához.

Az HVDC áramkörválasztó fő funkciója a magasfeszültségű egyszeres áram folyásának megszakítása a villamosenergia-hálózatban. Ellenben az AC áramkörválasztók könnyen megszakíthatják az ívet, amikor az áram eléri a természetes nullapontját az AC hullámformában. Ebben a nulla-áram pillanatban a megszakítandó energia is nulla, így a kapcsolószakasz újra megszerezheti izolálóerejét, és kitart az átmeneti helyreálló feszültség ellen.

Az HVDC áramkörválasztók esetében a helyzet sokkal összetettebb. Mivel a DC hullámformának nincsenek természetes nullapontjai, a kényszerített ív megszakítása nagyon magas átmeneti helyreálló feszültséget eredményezhet. Ha a megfelelő ívmeleg nélkül történik, a visszaütő ívek kialakulásának veszélye áll fenn, ami végül a választókapcsoló kapcsolóinak pusztulásához vezethet. Az HVDC áramkörválasztók tervezése során a mérnökök három fő kihívással kell szembenézniük:

1. Mesterséges áramnulla létrehozása: Ez alapvetően szükséges az ív kialsztásához, mivel a DC-ben hiányzik a természetes áramnulla, ami nehezíti az ív megszakítását.

2. Visszaütő ívek megelőzése: Miután az ívet megszakították, intézkedéseket kell tenni annak megelőzésére, hogy az ív újra lángoljon, ami sérülésekkel és rendszerzavarokkal járhat.

3. Tárolt energia elpusztítása: A rendszer komponenseiben tárolt energiát biztonságosan el kell puha-tani, hogy elkerülje a potenciális veszélyeket.

A természetes áramnullák hiányának legyőzésére az HVDC áramkörválasztók a mesterséges áramnullák létrehozásán alapuló elvet alkalmazzák az ív kialsztásához. Egy gyakori megközelítés egy párhuzamos L-C (induktor-kondenzátor) áramkör bevezetését jelenti. Amikor ezt az áramkört aktiválják, ez okozza az ív áram rezgései. Ezek a rezgés intenzívek, és több mesterséges áramnullát generálnak. Az áramkörválasztó akkor kialsztja az ívet, amikor az egyik mesterséges nulla-áram pontot elérte. Ahhoz, hogy ez a módszer hatékony legyen, a rezgés csúcsáramának meghaladnia kell az megszakítandó egyenes áramot.

Egy részletesebb megvalósítás egy soros rezgő áramkört, amely egy induktor (L) és egy kondenzátor (C) közötti szekvenciát jelent, amelyet a konvencionális DC áramkörválasztó fő kapcsolóján (M) keresztül egy segédkapcsolón (S1) köt. Ezen felül egy ellenállást (R) kapcsolnak a (S2) kapcsolón keresztül. Normál működési feltételek mellett a fő kapcsoló (M) és a töltőkapcsoló (S2) zárt marad. A kondenzátor (C) a vonal feszültségével töltődik a magas ellenállás (R) révén. Ugyanakkor a (S1) kapcsoló nyitva marad, a vonal feszültsége pedig rajta van. Ez a beállítás a szükséges feltételeket teremti a DC áram megszakításához hibajelenlét esetén, mesterséges áramnullák létrehozásával és a hozzájuk kapcsolódó elektromos folyamatok kezelésével.

Amikor az Id fő áramköri áramot kell megszakítani, a működési mechanizmus egy sor cselekvést indít. Először is, a (S2) kapcsolót nyitja, és ugyanakkor bezárja a (S1) kapcsolót. Ez a konfiguráció elindítja a kondenzátor (C) lemerülését az induktancia (L), a fő kapcsoló (M) és a segédkapcsoló (S1) keresztül. Erre a módon egy rezgő áram jön létre, ahogy az alábbi ábrán látható. Ez a rezgő áram mesterséges áramnullákat generál, amelyek létfontosságúak az áramkörválasztó megfelelő működéséhez. Az áramkörválasztó fő kapcsolója (M) pontosan az egyik mesterséges áramnulla pontján nyílik meg. Amint a fő kapcsoló (M) sikeresen megszakította az áramot, a (S1) kapcsolót nyitják, és a (S2) kapcsolót bezárják, így a rendszert visszaállítják a jövőbeli műveletek előkészítése érdekében, és garantálják az HVDC áramkörválasztási folyamat integritását.

Alternatív módszer a fő egyszeres áram megszakításához

A fő egyszeres áram megszakításának alternatív megközelítése a magasfeszültségű egyszeres áram (HVDC) rendszerben azzal érhető el, hogy az áramot egy kondenzátorba irányítják, ami hatékonyan csökkenti az áramkörválasztóknak megszakítandó áramerősséget. Ez a módszer az alábbi ábrán látható, és egy olyan kondenzátor (C) kezdődik, amely kezdetben nem töltött állapotban van.

Amikor az áramkörválasztó fő kapcsolója (M) megkezd nyílni, egy kulcsfontosságú esemény történik: az eddig a fő kapcsolón (M) átmenő fő áramkör-i áram átirányítódik, és a kondenzátor (C) felé kezd áramlani. Ennek a felirányításnak köszönhetően a fő kapcsolók (M) számára a megszakítási folyamat során kezelendő áramerősség jelentősen csökken. Ez az áramerősség csökkenése megkönnyíti az áramkörválasztó terhelését, és csökkenti a károsodás vagy a kudarc kockázatát.

A kondenzátor (C) szerepe mellett a nemlineáris ellenállás (R) is egy fontos komponens a rendszerben. A nemlineáris ellenállás (R) alapvető szerepet játszik abban, hogy az áramfolyással kapcsolatos energiát felvegye, anélkül, hogy jelentősen növelné a fő kapcsoló (M) feletti feszültséget. A hatékony energia-elbocsátás révén a nemlineáris ellenállás segít fenntartani az áramkörválasztó és az általános elektromos rendszer integritását, biztosítva, hogy a feszültség-szintek a megszakítási folyamat során elfogadható határok között maradjanak. A kondenzátor (C) és a nemlineáris ellenállás (R) koordinált működése hatékony és megbízható módot ad az HVDC rendszerben a fő egyszeres áram megszakítására.

Az M-en mért helyreálló feszültség emelkedési üteme a következőképpen fejezhető ki

Az olyan DC áramkörválasztók esetében, amelyek rezgő áramokat használnak az áramfolyam megszakításához, a visszaütő ívek megelőzése különösen nagy kihívást jelent. Ez azért van, mert az áram megszakításának vagy "levágásának" időtartama nagyon rövid. Amikor az áram ilyen rövid idő alatt gyorsan megszakítódik, ez egy meredek és hirtelen emelkedő visszaütő feszültséget generál az áramkörválasztó termináljain. Ez a nagy méretű, gyorsan emelkedő feszültség jelentős fenyegetést jelent az áramkörválasztó integritására nézve. A megbízható működés érdekében az áramkörválasztónak elegendő izolálóereje és feszültség-kiálló képessége kell, hogy legyen, hogy ez a intenzív visszaütő feszültség ellen bírja, anélkül, hogy visszaütő ívek kialakulnának, amelyek károkat, elektromos íveket és rendszerzavarokat okozhatnak.