Preklopnik za visokonapetostni enosmeren tok

Preklopniki za visokonapetostni enosmeren tok: Funkcionalnost, izzivi in rešitve

Preklopnik za visokonapetostni enosmeren tok (HVDC) je specializiran preklopni element, zasnovan za prekinitev nezakonitega enosmernega toka v električnem vezju. Ko se v sistemu pojavi napaka, se mehanski kontakti preklopnika ločijo, s čimer učinkovito odprejo vezje. Vendar pa je preklop vezja v sistemih HVDC težja naloga v primerjavi z njunimi AC (izmeničnim tokom) vrstnicami. To je predvsem zaradi tega, ker tok v vezju HVDC teče v eno smer in ne dosega naravno ničelne vrednosti, ki so ključne za izginek luka pri preklopnikih AC.

Glavna funkcija preklopnika za visokonapetostni enosmeren tok je prekinitev viškonapetostnih enosmernih tokov v električni mreži. Na drugi strani lahko preklopniki AC zlahka prekineta luk, ko tok doseže svojo naravno ničelno točko v valovanju AC. V tej trenutki ničelnega toka je tudi energija, ki jo je treba prekineti, ničelna, kar omogoča, da se koridor med kontakti ponovno nabere dielektrične trdosti in uprli vremensko povratno napetost.

V preklopnikih HVDC je situacija daleč bolj zapletena. Ker valovanje DC nima naravnih ničelnih točk, lahko prisilno prekinitev luka pripelje do generiranja zelo visokih vremenskih povratnih napetosti. Brez pravilnega prekinitve luka obstaja tveganje ponovnega zapalitve, kar lahko konča z uničenjem kontaktov preklopnika. Pri oblikovanju preklopnikov HVDC morajo inženirji obravnavati tri ključne izzive:

1. Ustvarjanje umetnih ničelnih točk: To je ključno za izginek luka, saj odsotnost naravnih ničelnih točk v DC teži prekinitev luka.

2. Preprečevanje ponovnega zapalitve luka: Ko je luk prekinjen, morajo biti sprejeti ukrepi, da se on prepreči ponovno zapalitve, kar bi lahko povzročilo škodo preklopniku in motnjo sistema.

3. Razprševanje shranjene energije: Energijske komponente sistema morajo biti varno razpršene, da se izogne morebitnim tveganjem.

Za premagovanje pomanjkanja naravnih ničelnih točk preklopniki HVDC uporabljajo načelo ustvarjanja umetnih ničelnih točk za izginek luka. Eden pogostih pristopov vključuje vpeljavo vzporednega L - C (induktor - kondenzator) vezja. Ko je to vezje aktivirano, povzroči, da tok luka oscilira. Te oscilacije so intenzivne in generirajo več umetnih ničelnih točk. Preklopnik potem izgine luk na eni izmed teh umetnih ničelnih točk. Za učinkovitost te metode mora vrhunska vrednost oscilacije presegati enosmerni tok, ki ga je treba prekiniti.

Podrobnejša implementacija vključuje povezavo serijno resonantnega vezja, sestavljenega iz induktorja (L) in kondenzatorja (C), preko glavnega kontakta (M) navadnega preklopnika DC preko pomožnega kontakta (S1). Poleg tega je preko kontakta (S2) povezan upornik (R). V normalnih delovnih pogojih ostanejo glavni kontakt (M) in nabirni kontakt (S2) zaprti. Kondenzator (C) se nabira na linijno napetost preko visokega upora (R). Medtem ostane kontakt (S1) odprt, s linijno napetostjo preko njega. Ta postavitev položi osnovo za ustvarjanje potrebnih pogojev za prekinitev DC toka med scenarijem napake z generiranjem umetnih ničelnih točk in upravljanjem povezanih električnih procesov.

Ko gre za prekinitev glavnega tokovnega toka Id, operativni mehanizem začne zaporedje dejanj. Najprej odpre kontakt S2 in hkrati zapre kontakt S1. Ta konfiguracija sproži razpoloženje kondenzatorja C skozi induktivnost L, glavni kontakt M in pomožni kontakt S1. Tako se vzpostavi oscilatorni tok, kot je prikazano na spodnji sliki. Ta oscilatorni tok generira umetne ničelne točke, ki so ključne za pravilno delovanje preklopnika. Glavni kontakt M preklopnika se nato odpre natanko na eni izmed teh umetnih ničelnih točk. Ko je glavni kontakt M uspešno prekinil tok, se kontakt S1 odpre, in kontakt S2 se zapre, s čimer se sistem ponastavi za možne prihodnje operacije in zagotovi celovitost procesa preklopa vezja HVDC.

Alternativna metoda za prekinitev glavnega enosmernega toka

Alternativni pristop k prekinjanju glavnega enosmernega toka v sistemu visokonapetostnega enosmernega toka (HVDC) vključuje preusmeritev toka na kondenzator, ki učinkovito zmanjša velikost toka, ki ga je treba prekiniti. Ta metoda je prikazana na spodnji sliki in se začne z kondenzatorjem C, ki je na začetku neobnaren.

Ko glavni kontakt M preklopnika začne odpirati, se zgodi ključna dogodek: glavni tok vezja, ki je prej tekel skozi glavni kontakt M, je preusmerjen in začne teči v kondenzator C. Zaradi tega preusmeritve je breme, ki ga morajo nositi glavni kontakti M med prekinjalnim procesom, znatno zmanjšano. To zmanjšanje velikosti toka olajša breme preklopnika, kar prekinjalni proces naredi bolj upravljiv in manj verjetno, da bo povzročil škodo ali odpoved.

Poleg vloge kondenzatorja pri preusmeritvi toka je tudi nelinearni upornik R ključna komponenta tega sistema. Nelinearni upornik R igra vitalno vlogo pri absorpciji energije, povezane s tokom, brez povzročanja značilnega povečanja napetosti preko glavnega kontakta M. Z učinkovitim razprševanjem energije nelinearni upornik pomaga ohranjati celovitost preklopnika in celotnega električnega sistema, tako da ostanejo napetosti znotraj sprejemljivih mej med prekinjalnim procesom. Ta koordinirana operacija kondenzatorja C in nelinearnega upornika R zagotavlja učinkovit in zanesljiv način prekinjanja glavnega enosmernega toka v sistemu HVDC.

Hitrost naraščanja povratne napetosti preko M je izražena kot

V preklopnikih DC, ki se zanašajo na oscilatorne tokove za prekinitev toka, je izziv preprečevanja ponovnega zapalitve posebno velik. To je zaradi zelo kratkotrajnega časa, v katerem je tok prekinjen ali "sečet". Ko je tok hitro prekinjen v tako kratkem času, generira strm in nenadni poveček povratne napetosti preko terminalov preklopnika. Ta visoka, hitro naraščajoča napetost predstavlja značilen ogromen grožnjo integriteti preklopnika. Za zagotavljanje zanesljivega delovanja mora biti preklopnik zgrajen z zadostno dielektrično trdostjo in zmogljivostjo za utrjevanje napetosti, da bi izdržal ta intenzivni povratni napetost brez podcenjevanja ponovnega zapalitve, ki bi lahko vodili do škode, električnega luka in odpovedi sistema.