Prekidač za HVDC struju

Prekidaci HVDC struje: Funkcionalnost, izazovi i rešenja

Prekidač HVDC (Visokonaponske direktnostrujne) je specijalizovano prekidno uređaje dizajnirano da prekine tok nepravilne direktnostrujne struje unutar električnog kruga. Kada se u sistemu desi greška, mehanički kontakti prekidača se razdvajaju, efektivno otvarajući krug. Međutim, prekidanje kruga u HVDC sistemu predstavlja složeniji zadatak u poređenju sa njegovim AC (Alternativnostrujnim) kounterpartom. To je uglavnom zbog toga što struja u HVDC krugu teče u jednom smeru i ne prirodno prolazi kroz nulte vrednosti struje, koje su ključne za ugasevanje lukova u prekidačima AC struje.

Primarna funkcija prekidača HVDC je prekid visokonaponske direktnostrujne struje u mreži snage. U suprotnosti, prekidači AC struje mogu lako prekinuti luk kada struja dostigne svoju prirodnu nultu tačku u valovitom obliku AC. U ovom trenutku nulte struje, energija koja treba da bude prekinuta je takođe nula, omogućavajući prozoru kontakta da oporavi svoju dielektričnu čvrstoću i da izdrži prirodni privremeni oporavak napona.

U prekidačima HVDC situacija je mnogo složenija. Budući da DC valoviti oblik nema prirodne nulte tačke struje, prisilno prekidanje luka može dovesti do generisanja ekstremno visokih privremenih oporavaka napona. Bez pravilnog prekidanja luka, postoji rizik od ponovnog zapaljivanja, što može krajnje dovesti do uništavanja kontakata prekidača. Prilikom dizajna prekidača HVDC, inženjeri moraju rešiti tri ključna izazova:

1. Stvaranje umetničke nulte tačke struje: Ovo je esencijalno za ugasevanje luka, jer odsustvo prirodnih nultih tačaka struje u DC čini teškim prekidanje luka.

2. Prevencija ponovnog zapaljivanja luka: Nakon prekidanja luka, potrebne su mere za sprečavanje njegovog ponovnog zapaljivanja, što bi moglo dovesti do oštećenja prekidača i perturbacije sistema.

3. Raspodela skladištenih energija: Energija skladištena u komponentama sistema mora biti sigurno rasipana kako bi se sprecili potencijalni hazardi.

Da bi se prevazišao nedostatak prirodnih nultih tačaka, prekidači HVDC koriste princip stvaranja umetničkih nultih tačaka struje za ugasevanje luka. Jedan često korišćen pristup uključuje uvođenje paralelnog L - C (induktor - kondenzator) kruga. Kada se ovaj krug aktivira, dovodi do oscilovanja struje luka. Ove oscilacije su intenzivne i generišu više umetničkih nultih tačaka struje. Prekidač tada ugasi luk na jednoj od ovih umetničkih nultih tačaka. Da bi ovaj metod bio efektivan, vrhunska struja oscilacije mora premašiti direktnu struju koja treba da bude prekinuta.

Više detaljan implementacija uključuje povezivanje serijinskog rezonantnog kruga sastavljenog od induktora (L) i kondenzatora (C) preko glavnog kontakta (M) konvencionalnog prekidača DC struje preko pomoćnog kontakta (S1). Takođe, otpornik (R) je povezan preko kontakta (S2). Pod normalnim radnim uslovima, glavni kontakt (M) i kontakt za nabijanje (S2) ostaju zatvoreni. Kondenzator (C) se nabija na linijaski napon preko visokog otpora (R). U međuvremenu, kontakt (S1) ostaje otvoren, sa linijaskim naponom preko njega. Ova konfiguracija stvara osnovu za stvaranje potrebnih uslova za prekid direktnostrujne struje tokom scenarija greške generišući umetničke nulte tačke struje i upravljajući pripadajućim električnim procesima.

Kada je reč o prekidu glavnog kruga struje Id, mehanizam rada pokreće niz akcija. Prvo, otvara kontakt S2 i istovremeno zatvara kontakt S1. Ova konfiguracija pokreće ispunjavajući kondenzator C preko indukcije L, glavnog kontakta M i pomoćnog kontakta S1. Kao rezultat, postaje oscilatorna struja, kao što je prikazano na slici ispod. Ova oscilatorna struja generiše umetničke nulte tačke struje, koje su ključne za pravilan rad prekidača. Glavni kontakt M prekidača se tada otvara precizno u jednoj od ovih umetničkih nultih tačaka struje. Nakon što je glavni kontakt M uspešno prekinuo struju, kontakt S1 se otvara, a kontakt S2 se zatvara, resetujući sistem za potencijalne buduće operacije i osiguravajući integritet procesa prekidanja HVDC kruga.

Alternativni metod za prekid glavne direktnostrujne struje

Alternativni pristup prekidu glavne direktnostrujne struje u visokonaponskom sistemu direktnostrujne (HVDC) uključuje preusmeravanje struje na kondenzator, što efektivno smanjuje magnitudu struje koju prekidači moraju prekinuti. Ovaj metod je ilustrovana na slici ispod, i počinje kondenzatorom C koji je inicijalno u ne-nabijenom stanju.

Kada glavni kontakt M prekidača počne da se otvara, dešava se ključni događaj: glavna struja kruga, koja je prethodno tečala kroz glavni kontakt M, preusmerava se i počinje da teče u kondenzator C. Kao rezultat ovog preusmeravanja, struja koju glavni kontakti M moraju obraditi tokom procesa prekidanja značajno se smanjuje. Ovo smanjenje magnitude struje olakšava opterećenje na prekidač, čineći proces prekidanja lakšim i manje verovatnim da uzrokuje oštećenje ili propad.

Pored uloge kondenzatora u preusmeravanju struje, nelinearni otpornik R je takođe ključna komponenta ovog sistema. Nelinearni otpornik R igra vitalnu ulogu u apsorbiranju energije povezane sa tokom struje bez uzrokovanja značajnog porasta napona preko glavnog kontakta M. Efikasno rasipa energiju, nelinearni otpornik pomaga da se održi integritet prekidača i celokupnog električnog sistema, osiguravajući da nivou napona ostanu unutar prihvatljivih granica tokom procesa prekidanja struje. Ova koordinisana operacija kondenzatora C i nelinearnog otpornika R pruža efektivan i pouzdan metod za prekid glavne direktnostrujne struje u HVDC sistemu.

Brzina rasta oporavka napona preko M izražena je kao

U prekidačima DC struje koji se oslanjaju na oscilatorne struje za prekid toka, izazov sprečavanja ponovnog zapaljivanja je posebno veliki. To je zbog ekstremno kratkog vremenskog perioda u kojem se struja prekida ili "seče". Kada se struja brzo prekine u tako kratkom vremenskom okviru, generiše se strm i nagli porast restrikcijskog napona preko terminala prekidača. Ovaj visokomagnituda, brzo rastući napon predstavlja značajan opasnost integritetu prekidača. Da bi se osigurala pouzdana operacija, prekidač mora biti dizajniran sa dovoljnom dielektričnom čvrstoćom i sposobnošću da izdrži ovaj intenzivni restrikcijski napon bez podvrgavanja restrikcijama, što bi moglo dovesti do oštećenja, električnih lukova i propada sistema.