HVDC sirkuitbryter
HVDC-sirkuitsikkerheter: Funksjonalitet, utfordringer og løsninger
En HVDC (Høyspennings likestrøm) sirkuitsikkerhet er et spesialisert skruvedevice designet for å avbryte strømmen i en elektrisk krets ved uforholdsmessig direkte strøm. Når det oppstår en feil i systemet, skiller mekaniske kontakter i sikkerheten seg, og kretsen blir effektivt åpnet. Imidlertid er det mer utfordrende å bryte kretsen i et HVDC-system sammenlignet med sitt AC (Vekselstrøm) motpart. Dette skyldes hovedsakelig at strømmen i en HVDC-krets går i én retning og ikke naturlig passer gjennom nullstrømverdier, som er viktige for buelukning i AC-sirkuitsikkerheter.
Den primære funksjonen til en HVDC-sirkuitsikkerhet er å avbryte høystrømmedirekte strømmer i nettverket. I motsetning til dette kan AC-sirkuitsikkerheter lett avbryte bua når strømmen når sin naturlige nullpunkt i AC-bølgeformen. Ved dette null-strøm-øyeblikket er energien som må avbrytes, også null, noe som tillater kontaktavstanden å gjenopprette sin dielektriske styrke og tåle den naturlige midlertidige gjenopprettingsvoltage.
I HVDC-sirkuitsikkerheter er situasjonen langt mer kompleks. Siden DC-bølgeform mangler naturlige strømnuller, kan tvungen buelukning føre til ekstremt høye midlertidige gjenopprettingsvoltage. Uten riktig buelukning er det en risiko for at bua kan tennes på nytt, noe som kan føre til ødeleggelse av sikkerhetens kontakter. Når ingeniører designer HVDC-sirkuitsikkerheter, må de håndtere tre nøkkelfordring:
Opprettelse av kunstig strømnull: Dette er essensielt for buelukning, da mangel på naturlige strømnuller i DC gjør det vanskelig å avbryte bua.
Forhindring av gjenoppblussing: Etter at bua er avbrutt, må tiltak tas for å forhindre at den tennes på nytt, noe som kan forårsake skader på sikkerheten og forstyrre systemet.
Avledning av lagret energi: Energien som er lagret i systemkomponentene, må trygt avledes for å unngå potensielle farer.
For å overvinne mangel på naturlige strømnuller, bruker HVDC-sirkuitsikkerheter prinsippet om å opprette kunstige strømnuller for buelukning. En vanlig metode involverer innføring av en parallel L-C (induktor-kondensator) krets. Når denne kretsen aktiveres, fører den til at buastrømmen begynner å oscillere. Disse oscillasjonene er intense og genererer flere kunstige strømnuller. Sirkuitsikkerheten slukker deretter bua ved ett av disse kunstige null-strøm-punktene. For at denne metoden skal være effektiv, må toppstrømmen i oscillasjonen overstige direktestrømmen som må avbrytes.
En mer detaljert implementering involverer kobling av en serie-resonant krets bestående av en induktor (L) og en kondensator (C) over hovedkontakten (M) av en konvensjonell DC-sirkuitsikkerhet via en hjelpkontakt (S1). I tillegg er en motstand (R) koblet gjennom kontakt (S2). Under normale driftsforhold forbli hovedkontakten (M) og ladekontakten (S2) lukket. Kondensatoren (C) lades opp til linjespenningen gjennom høy motstand (R). Samtidig forbli kontakt (S1) åpen, med linjespenning over den. Denne oppsettet legger grunnlaget for å skape de nødvendige forholdene for å avbryte DC-strømmen under en feilsituasjon ved å generere kunstige strømnuller og håndtere de tilknyttede elektriske prosessene.
Når det kommer til å avbryte hovedkrettsstrømmen Id, initierer driftsmeget en sekvens av handlinger. Først åpnes kontakt S2 og samtidig lukkes kontakt S1. Dette oppsettet utløser utlading av kondensator C gjennom induktans L, hovedkontakt M, og hjelpkontakt S1. Som et resultat etableres en oscillerende strøm, som vist i figuren nedenfor. Denne oscillerende strømmen genererer kunstige strømnuller, som er viktige for den korrekte funksjonen av sirkuitsikkerheten. Hovedkontakten M av sirkuitsikkerheten åpnes nøyaktig ved ett av disse kunstige strømnullpunktene. Når hovedkontakten M har vellykket avbrutt strømmen, åpnes kontakt S1, og kontakt S2 lukkes, og systemet resettes for potensielle fremtidige operasjoner og sikrer integriteten i HVDC-sirkuitbrytingen.
Alternativ metode for å avbryte hoveddirektestrøm
En alternativ tilnærming til å avbryte hoveddirektestrømmen i et høyspennings-direktestrøm (HVDC) system involverer omledning av strømmen til en kondensator, som effektivt reduserer størrelsen på strømmen som sirkuitsikkerhetene må avbryte. Denne metoden er illustrert i figuren nedenfor, og den starter med en kondensator C som er i en ubelasted tilstand.
Når hovedkontakten M av sirkuitsikkerheten begynner å åpnes, foregår en viktig hendelse: hovedkrettsstrømmen, som tidligere fløt gjennom hovedkontakten M, omdirigeres og begynner å flyte inn i kondensatoren C. Som et resultat av denne omdirigeringen, reduseres strømbelastningen som hovedkontaktene M må håndtere under avbrytningsprosessen betydelig. Denne reduksjonen i strømmens størrelse letter byrden på sirkuitsikkerheten, gjør avbrytningsprosessen mer håndterbar og mindre sannsynlig å forårsake skader eller mislykking.
I tillegg til kondensatorens rolle i omdirigering av strømmen, er en ikkelineær motstand R også en viktig komponent i dette systemet. Den ikkelineære motstanden R spiller en viktig rolle i å absorbere energien knyttet til strømflyten uten å forårsake en betydelig økning i spenningen over hovedkontakten M. Ved å effektivt dissipere energien, hjelper den ikkelineære motstanden med å opprettholde integriteten til sirkuitsikkerheten og det totale elektriske systemet, og sikrer at spenningnivåene holdes innen akseptable grenser under strømavbrytningsprosessen. Den koordinerte operasjonen av kondensator C og den ikkelineære motstanden R gir en effektiv og pålitelig metode for å avbryte hoveddirektestrømmen i et HVDC-system.
Stigningshastigheten for gjenopprettingsvoltage over M uttrykkes som
I DC-sirkuitsikkerheter som støtter seg på oscillerende strømmer for å avbryte flyten, er utfordringen med å forhindre gjenoppblussing spesielt stor. Dette skyldes den ekstremt korte varigheten i hvilken strømmen avbrytes eller "klippes". Når strømmen hurtig avbrytes i en så kort tidsperiode, genereres det en bratt og plutselig stigning i gjenoppblussningsvoltage over sikkerhetens terminaler. Denne høymagnitude, raskt stigende voltage utgjør en betydelig trussel mot sirkuitsikkerhetens integritet. For å sikre pålitelig drift, må sirkuitsikkerheten konstrueres med tilstrekkelig dielektrisk styrke og spenningstoleranse for å klare denne intense gjenoppblussningsvoltage uten å bli utsatt for gjenoppblussing, som kan føre til skader, elektriske buer og systemmislykkelser.
