Hoge Spanning Gelijkstroom Circuitschakelaar
HVDC-schakelaars: Functionaliteit, uitdagingen en oplossingen
Een HVDC (High-Voltage Direct Current) schakelaar is een gespecialiseerd schakelapparaat ontworpen om de stroom van abnormale directe stroom in een elektrisch circuit te onderbreken. Wanneer er een fout optreedt in het systeem, scheiden de mechanische contacten van de schakelaar, waardoor het circuit effectief wordt geopend. Het onderbreken van het circuit in een HVDC-systeem is echter een uitdagende taak in vergelijking met zijn AC (Alternating Current) tegenhanger. Dit komt voornamelijk omdat de stroom in een HVDC-circuit in één richting stroomt en niet natuurlijk door nulstroomwaarden gaat, die cruciaal zijn voor boogextinctie in AC-schakelaars.
De primaire functie van een HVDC-schakelaar is om hoge spanning directe stroomstromen in het energienetwerk te onderbreken. Tegenovergesteld hiervan kunnen AC-schakelaars de boog gemakkelijk onderbreken wanneer de stroom haar natuurlijke nulpunt bereikt in de AC-golfvorm. Op dit nulstroommoment is de energie die moet worden onderbroken ook nul, waardoor de contactafstand zijn dielectrische sterkte kan herwinnen en de natuurlijke tijdelijke herstelspanning kan weerstaan.
Bij HVDC-schakelaars is de situatie veel complexer. Aangezien de DC-golfvorm geen natuurlijke stroomnullen heeft, kan gedwongen boogonderbreking leiden tot het genereren van uiterst hoge tijdelijke herstelspanningen. Zonder juiste boogonderbreking bestaat er een risico op restrikes, wat uiteindelijk kan leiden tot de vernietiging van de schakelaarcontacten. Bij het ontwerpen van HVDC-schakelaars moeten ingenieurs drie belangrijke uitdagingen aanpakken:
Creatie van kunstmatige stroomnullen: Dit is essentieel voor boogextinctie, aangezien het gebrek aan natuurlijke stroomnullen in DC het moeilijk maakt om de boog te onderbreken.
Preventie van restrikebogen: Nadat de boog is onderbroken, moeten maatregelen worden genomen om te voorkomen dat deze opnieuw ontsteekt, wat schade aan de schakelaar en verstoring van het systeem zou kunnen veroorzaken.
Dissiperen van opgeslagen energie: De energie die is opgeslagen in de systeemcomponenten moet veilig worden afgevoerd om potentiele gevaren te voorkomen.
Om het gebrek aan natuurlijke stroomnullen te overwinnen, maken HVDC-schakelaars gebruik van het principe van het creëren van kunstmatige stroomnullen voor boogextinctie. Een algemene benadering is het introduceren van een parallelle L-C (spoel-condensator) circuit. Wanneer dit circuit wordt geactiveerd, zorgt het ervoor dat de boogstroom gaat oscilleren. Deze oscillaties zijn intens en genereren meerdere kunstmatige stroomnullen. De schakelaar dooft de boog dan op een van deze kunstmatige nulstroompunten. Om deze methode effectief te laten werken, moet de piekstroom van de oscillatie de directe stroom die moet worden onderbroken overschrijden.
Een meer gedetailleerde implementatie betreft het verbinden van een serie-resonantiecircuit bestaande uit een spoel (L) en een condensator (C) over het hoofdcontact (M) van een conventionele DC-schakelaar via een hulpcontact (S1). Daarnaast is een weerstand (R) verbonden via contact (S2). Onder normale bedrijfsomstandigheden blijven het hoofdcontact (M) en het oplaadcontact (S2) gesloten. De condensator (C) wordt opgeladen tot de lijnspanning via de hoge weerstand (R). Ondertussen blijft contact (S1) open, met de lijnspanning eroverheen. Deze configuratie legt de basis voor het creëren van de noodzakelijke omstandigheden om de DC-stroom tijdens een foutscenario te onderbreken door kunstmatige stroomnullen te genereren en de bijbehorende elektrische processen te beheren.
Wanneer het gaat om het onderbreken van de hoofdcircuitstroom Id, initieert het bedieningsmechanisme een reeks acties. Eerst opent het contact S2 en sluit tegelijkertijd contact S1. Deze configuratie activeert de ontlading van condensator C via spoeling L, hoofdcontact M en hulpcontact S1. Hierdoor wordt een oscillatoire stroom opgewekt, zoals weergegeven in de figuur hieronder. Deze oscillatoire stroom genereert kunstmatige stroomnullen, die cruciaal zijn voor de juiste werking van de schakelaar. Het hoofdcontact M van de schakelaar wordt dan precies op een van deze kunstmatige stroomnulpunten geopend. Zodra het hoofdcontact M de stroom succesvol heeft onderbroken, wordt contact S1 geopend en contact S2 gesloten, waarmee het systeem wordt gereset voor mogelijke toekomstige operaties en de integriteit van het HVDC-circuitschakelproces wordt gewaarborgd.
Alternatieve methode voor het onderbreken van de hoofddirectstroom
Een alternatieve benadering voor het onderbreken van de hoofddirectstroom in een hoogspanningsdirectstroom (HVDC) systeem bestaat uit het omleiden van de stroom naar een condensator, wat effectief de grootte van de stroom die de schakelaars moeten onderbreken vermindert. Deze methode wordt weergegeven in de figuur hieronder en begint met een condensator C die in eerste instantie ongeladen is.
Wanneer het hoofdcontact M van de schakelaar begint te openen, vindt een cruciale gebeurtenis plaats: de hoofdcircuitstroom, die eerder door het hoofdcontact M stroomde, wordt omgeleid en begint in de condensator C te stromen. Als gevolg van deze omleiding neemt de stroombelasting die de hoofdcontacten M tijdens het onderbrekingsproces moeten hanteren aanzienlijk af. Deze vermindering van de stroomgrootte verlicht de belasting op de schakelaar, waardoor het onderbrekingsproces minder lastig en minder waarschijnlijk is om schade of storing te veroorzaken.
Naast de rol van de condensator bij het omleiden van de stroom, is een niet-lineaire weerstand R ook een essentiële component van dit systeem. De niet-lineaire weerstand R speelt een cruciale rol in het absorberen van de energie die gepaard gaat met de stroomstroom zonder een aanzienlijke toename van de spanning over het hoofdcontact M te veroorzaken. Door de energie efficiënt af te voeren, helpt de niet-lineaire weerstand bij het behouden van de integriteit van de schakelaar en het gehele elektrische systeem, waardoor de spanning binnen aanvaardbare grenzen blijft tijdens het stroomonderbrekingsproces. Deze gecoördineerde werking van de condensator C en de niet-lineaire weerstand R biedt een effectieve en betrouwbare methode voor het onderbreken van de hoofddirectstroom in een HVDC-systeem.
De snelheid waarmee de herstelspanning over M stijgt, wordt uitgedrukt als
In DC-schakelaars die op oscillerende stromen vertrouwen om de stroom te onderbreken, is de uitdaging om restrikes te voorkomen bijzonder formidabel. Dit komt door de uiterst korte duur waarin de stroom wordt onderbroken of "verknipt". Wanneer de stroom in zo'n korte tijd snel wordt onderbroken, genereert dit een steile en plotselinge stijging in de restrike-spanning over de schakelaarterminals. Deze hoge-magnitude, snel stijgende spanning vormt een aanzienlijke bedreiging voor de integriteit van de schakelaar. Om betrouwbare werking te garanderen, moet de schakelaar voldoende dielectrische sterkte en spanningbestendigheid hebben om deze intense restrike-spanning te doorstaan zonder toe te geven aan restrikes, die schade, elektrische boogvorming en systeemstoringen kunnen veroorzaken.
