Interruttore per corrente continua ad alta tensione
Interruttori di circuito in corrente continua ad alta tensione: funzionalità, sfide e soluzioni
Un interruttore di circuito in corrente continua ad alta tensione (HVDC) è un dispositivo di commutazione specializzato progettato per interrompere il flusso di corrente diretta anomala all'interno di un circuito elettrico. Quando si verifica un guasto nel sistema, i contatti meccanici dell'interruttore di circuito si separano, aprendo effettivamente il circuito. Tuttavia, interrompere il circuito in un sistema HVDC è un compito più difficile rispetto al suo omologo in corrente alternata (AC). Questo è principalmente dovuto al fatto che la corrente in un circuito HVDC scorre in una sola direzione e non passa naturalmente attraverso valori di corrente zero, che sono cruciali per l'estinzione dell'arco negli interruttori di circuito AC.
La funzione principale di un interruttore di circuito in corrente continua ad alta tensione è interrompere i flussi di corrente continua ad alta tensione nella rete elettrica. In contrasto, gli interruttori di circuito AC possono interrompere facilmente l'arco quando la corrente raggiunge il suo punto naturale di corrente zero nell'onda AC. In questo istante di corrente zero, l'energia che deve essere interrotta è anche zero, consentendo alla fessura dei contatti di riacquistare la sua resistenza dielettrica e sopportare la tensione di recupero transitoria naturale.
Negli interruttori di circuito in corrente continua ad alta tensione, la situazione è molto più complessa. Poiché l'onda DC manca di zeri di corrente naturali, l'interruzione forzata dell'arco può portare alla generazione di tensioni di recupero transitorie estremamente elevate. Senza una corretta interruzione dell'arco, c'è il rischio di riaccensioni, che possono alla fine portare alla distruzione dei contatti dell'interruttore. Quando si progettano interruttori di circuito in corrente continua ad alta tensione, gli ingegneri devono affrontare tre sfide chiave:
Creazione di zeri di corrente artificiali: Questo è essenziale per l'estinzione dell'arco, poiché l'assenza di zeri di corrente naturali in DC rende difficile interrompere l'arco.
Prevenzione degli archi di riaccensione: Una volta interrotto l'arco, devono essere prese misure per impedire che si riaccenda, il che potrebbe causare danni all'interruttore e perturbare il sistema.
Dissipazione dell'energia accumulata: L'energia accumulata nei componenti del sistema deve essere dissipata in sicurezza per evitare potenziali pericoli.
Per superare la mancanza di zeri di corrente naturali, gli interruttori di circuito in corrente continua ad alta tensione utilizzano il principio di creare zeri di corrente artificiali per l'estinzione dell'arco. Un approccio comune consiste nell'introdurre un circuito parallelo L - C (induttore - condensatore). Quando questo circuito viene attivato, causa l'oscillazione della corrente dell'arco. Queste oscillazioni sono intense e generano numerosi zeri di corrente artificiali. L'interruttore di circuito quindi estingue l'arco in uno di questi punti di corrente zero artificiale. Affinché questo metodo sia efficace, la corrente di cresta dell'oscillazione deve superare la corrente diretta che deve essere interrotta.
Una implementazione più dettagliata prevede la connessione di un circuito risonante in serie costituito da un induttore (L) e un condensatore (C) attraverso il contatto principale (M) di un interruttore di circuito DC convenzionale tramite un contatto ausiliario (S1). Inoltre, un resistore (R) è connesso attraverso il contatto (S2). In condizioni operative normali, il contatto principale (M) e il contatto di carica (S2) rimangono chiusi. Il condensatore (C) viene caricato alla tensione di linea attraverso la resistenza elevata (R). Nel frattempo, il contatto (S1) rimane aperto, con la tensione di linea su di esso. Questa configurazione pone le basi per creare le condizioni necessarie per interrompere la corrente DC durante uno scenario di guasto, generando zeri di corrente artificiali e gestendo i processi elettrici associati.
Quando si tratta di interrompere la corrente principale Id, il meccanismo di funzionamento avvia una sequenza di azioni. Innanzitutto, apre il contatto S2 e contemporaneamente chiude il contatto S1. Questa configurazione attiva lo scarico del condensatore C attraverso l'induttanza L, il contatto principale M e il contatto ausiliario S1. Di conseguenza, si stabilisce una corrente oscillante, come illustrato nella figura sottostante. Questa corrente oscillante genera zeri di corrente artificiali, che sono cruciali per il corretto funzionamento dell'interruttore di circuito. Il contatto principale M dell'interruttore di circuito viene poi aperto esattamente in uno di questi punti di corrente zero artificiale. Una volta che il contatto principale M ha interrotto con successo la corrente, il contatto S1 viene aperto e il contatto S2 viene chiuso, reimpostando il sistema per operazioni future e garantendo l'integrità del processo di interruzione del circuito in corrente continua ad alta tensione.
Metodo alternativo per interrompere la corrente diretta principale
Un approccio alternativo per interrompere la corrente diretta principale in un sistema in corrente continua ad alta tensione (HVDC) prevede il deviare la corrente verso un condensatore, che riduce effettivamente la magnitudine della corrente che gli interruttori di circuito devono interrompere. Questo metodo è illustrato nella figura sottostante e inizia con un condensatore C che inizialmente si trova in uno stato non caricato.
Quando il contatto principale M dell'interruttore di circuito inizia ad aprirsi, si verifica un evento cruciale: la corrente del circuito principale, che precedentemente fluiva attraverso il contatto principale M, viene ridirezionata e inizia a fluire nel condensatore C. Come risultato di questa ridirezione, il carico di corrente che i contatti principali M devono gestire durante il processo di interruzione è significativamente diminuito. Questa riduzione della magnitudine della corrente facilita il processo di interruzione, rendendolo più gestibile e meno probabile che causi danni o malfunzionamenti.
Oltre al ruolo del condensatore nel deviare la corrente, un resistore non lineare R è anche un componente essenziale di questo sistema. Il resistore non lineare R svolge un ruolo vitale nell'assorbire l'energia associata al flusso di corrente senza causare un aumento sostanziale della tensione sui contatti principali M. Dissipando l'energia in modo efficiente, il resistore non lineare contribuisce a mantenere l'integrità dell'interruttore di circuito e del sistema elettrico complessivo, assicurando che i livelli di tensione rimangano entro limiti accettabili durante il processo di interruzione della corrente. Questa operazione coordinata del condensatore C e del resistore non lineare R fornisce un metodo efficace e affidabile per interrompere la corrente diretta principale in un sistema HVDC.
Il tasso di aumento della tensione di recupero attraverso M è espresso come
Negli interruttori di circuito in corrente continua che si basano su correnti oscillanti per interrompere il flusso, la sfida di prevenire le riaccensioni è particolarmente ardua. Ciò è dovuto alla durata estremamente breve in cui la corrente viene interrotta o "troncata". Quando la corrente viene interrotta rapidamente in un periodo così breve, genera un impeto improvviso e brusco della tensione di riaccensione tra i terminali dell'interruttore. Questa tensione di grande magnitudine e rapida ascesa rappresenta una minaccia significativa per l'integrità dell'interruttore di circuito. Per garantire un funzionamento affidabile, l'interruttore di circuito deve essere progettato con una sufficiente resistenza dielettrica e capacità di resistenza alla tensione per sopportare questa intensa tensione di riaccensione senza subire riaccensioni, che potrebbero portare a danni, archi elettrici e malfunzionamenti del sistema.
