Wyłącznik obwodowy HVDC

Przerzutniki HVDC: Funkcjonalność, Wyzwania i Rozwiązania

Przerzutnik HVDC (Wysokie Napięcie Prądu Stałego) to specjalistyczne urządzenie przełączające zaprojektowane do przerwania przepływu nietypowego prądu stałego w obwodzie elektrycznym. Gdy w systemie wystąpi awaria, mechaniczne kontakty przerzutnika rozdzielają się, efektywnie otwierając obwód. Jednak przerwanie obwodu w systemie HVDC jest trudniejszym zadaniem niż w przypadku jego odpowiednika AC (prądu zmiennego). Jest to głównie dlatego, że prąd w obwodzie HVDC płynie w jednym kierunku i nie przechodzi naturalnie przez wartości zerowe prądu, które są kluczowe dla zaniku łuku w przerzutnikach AC.

Podstawowym zadaniem przerzutnika HVDC jest przerwanie przepływu wysokiego napięcia prądu stałego w sieci energetycznej. Natomiast przerzutniki AC mogą łatwo przerwać łuk, gdy prąd osiąga naturalny punkt zerowy w fali AC. W tym momencie zerowego prądu energia, którą należy przerwać, również wynosi zero, co pozwala na odzyskanie siły dielektrycznej luki kontaktowej i wytrzymanie naturalnego chwilowego napięcia odzyskującego.

W przypadku przerzutników HVDC sytuacja jest znacznie bardziej skomplikowana. Ponieważ fala DC nie ma naturalnych zer prądu, wymuszone przerwanie łuku może prowadzić do generowania ekstremalnie wysokich chwilowych napięć odzyskujących. Bez prawidłowego przerwania łuku istnieje ryzyko ponownych zapłonów, które ostatecznie mogą prowadzić do zniszczenia kontaktów przerzutnika. Podczas projektowania przerzutników HVDC inżynierowie muszą zmierzyć się z trzema kluczowymi wyzwaniami:

1. Tworzenie sztucznego zera prądu: Jest to niezbędne do zaniku łuku, ponieważ brak naturalnych zer prądu w DC utrudnia przerwanie łuku.

2. Zapobieganie ponownym zapłonom łuku: Po przerwaniu łuku należy podjąć środki zapobiegające jego ponownemu zapłonowi, co mogłoby spowodować uszkodzenie przerzutnika i zakłócenia w systemie.

3. Dyspersja zgromadzonej energii: Energia zgromadzona w komponentach systemu musi być bezpiecznie dyspersowana, aby uniknąć potencjalnych zagrożeń.

Aby przezwyciężyć brak naturalnych zer prądu, przerzutniki HVDC wykorzystują zasadę tworzenia sztucznych zer prądu do zaniku łuku. Jednym z powszechnych podejść jest wprowadzenie równoległego obwodu L-C (cewka-kondensator). Gdy ten obwód zostaje aktywowany, powoduje on oscylacje prądu łuku. Te oscylacje są intensywne i generują wiele sztucznych zer prądu. Przerzutnik następnie gasi łuk w jednym z tych sztucznych punktów zerowych prądu. Aby ta metoda była skuteczna, amplituda prądu oscylacji musi przekraczać prąd stały, który należy przerwać.

Bardziej szczegółowa implementacja polega na połączeniu szeregowego obwodu rezonansowego składającego się z cewki (L) i kondensatora (C) poprzez główny kontakt (M) konwencjonalnego przerzutnika DC za pomocą pomocniczego kontaktu (S1). Dodatkowo, opór (R) jest podłączony przez kontakt (S2). W normalnych warunkach pracy główny kontakt (M) i kontakt ładowania (S2) pozostają zamknięte. Kondensator (C) jest ładowany do napięcia linii przez opór o wysokim odporności (R). Tymczasem kontakt (S1) pozostaje otwarty, z napięciem linii na nim. Ta konfiguracja stanowi podstawę do stworzenia niezbędnych warunków do przerwania prądu DC w przypadku awarii poprzez generowanie sztucznych zer prądu i zarządzanie związanymi z tym procesami elektrycznymi.

Gdy chodzi o przerwanie głównego prądu obwodowego Id, mechanizm działający inicjuje sekwencję działań. Najpierw otwiera kontakt S2 i jednocześnie zamyka kontakt S1. Ta konfiguracja uruchamia rozładowanie kondensatora C przez cewkę L, główny kontakt M i pomocniczy kontakt S1. W wyniku tego powstaje oscylujący prąd, jak pokazano na poniższym rysunku. Ten oscylujący prąd generuje sztuczne zera prądu, które są kluczowe dla prawidłowego działania przerzutnika. Główny kontakt M przerzutnika jest następnie otwierany dokładnie w jednym z tych sztucznych punktów zerowych prądu. Po pomyślnym przerwaniu prądu przez główny kontakt M, kontakt S1 jest otwierany, a kontakt S2 jest zamykany, resetując system na potrzeby potencjalnych przyszłych operacji i zapewniając integralność procesu przerwania obwodu HVDC.

Alternatywna Metoda Przerwania Głównego Prądu Stałego

Alternatywna metoda przerwania głównego prądu stałego w systemie wysokiego napięcia prądu stałego (HVDC) polega na przekierowaniu prądu do kondensatora, co efektywnie zmniejsza wartość prądu, który przerzutniki muszą przerwać. Ta metoda jest ilustrowana na poniższym rysunku i rozpoczyna się od kondensatora C, który początkowo jest nierozładowany.

Gdy główny kontakt M przerzutnika zaczyna się otwierać, następuje kluczowe zdarzenie: główny prąd obwodowy, który wcześniej płynął przez główny kontakt M, jest przekierowany i zaczyna płynąć do kondensatora C. W wyniku tego przekierowania, obciążenie prądem, jakie główne kontakty M muszą obsłużyć podczas procesu przerwania, jest znacząco zmniejszone. To zmniejszenie wartości prądu ułatwia obciążenie przerzutnika, czyniąc proces przerwania bardziej łatwym i mniej prawdopodobnym do spowodowania uszkodzeń lub awarii.

Oprócz roli kondensatora w przekierowaniu prądu, nieliniowy opór R jest również kluczowym elementem tego systemu. Nieliniowy opór R odgrywa kluczową rolę w absorbowaniu energii związanej z przepływem prądu bez powodowania znacznego wzrostu napięcia na głównym kontrakcie M. Efektywnie rozprasza energię, co pomaga zachować integralność przerzutnika i całego systemu elektrycznego, zapewniając, że poziomy napięcia pozostają w akceptowalnych granicach podczas procesu przerwania prądu. Koordynowana praca kondensatora C i nieliniowego oporu R zapewnia skuteczną i niezawodną metodę przerwania głównego prądu stałego w systemie HVDC.

Tempo wzrostu napięcia odzyskującego na M jest wyrażone jako

W przerzutnikach DC, które polegają na oscylujących prądach do przerwania przepływu, wyzwanie zapobiegania ponownym zapłonom jest szczególnie trudne. Jest to spowodowane bardzo krótkim czasem, w którym prąd jest przerwany lub "obcięty". Gdy prąd jest szybko przerwany w tak krótkim okresie, generuje gwałtowny i nagły skok napięcia odzyskującego na końcówkach przerzutnika. To wysokie, szybko rosnące napięcie stanowi znaczące zagrożenie dla integralności przerzutnika. Aby zapewnić niezawodne działanie, przerzutnik musi być zaprojektowany z odpowiednią siłą dielektryczną i zdolnościami do wytrzymywania napięcia, aby przetrwać to intensywne napięcie odzyskujące bez ulegania ponownym zapłonom, które mogłyby prowadzić do uszkodzeń, łuków elektrycznych i awarii systemu.