Högspegelströmbrytare

Högspegelströmsbrytare: Funktionalitet, utmaningar och lösningar

En högspegelströmsbrytare (HVDC) är en specialiserad spänningsavbrottsenhet som är utformad för att avbryta strömmen vid fel i ett elektriskt krets. När ett fel uppstår i systemet separeras de mekaniska kontaktarna i brytaren, vilket effektivt öppnar kretsen. Dock är det mer utmanande att avbryta strömmen i ett HVDC-system jämfört med dess växelströmsmotpart (AC). Detta beror huvudsakligen på att strömmen i en HVDC-krets flödar i en enda riktning och inte naturligt passerar nollströmningsvärden, vilka är viktiga för bågutsläckning i växelströmsbrytare.

Den primära funktionen hos en högspegelströmsbrytare är att avbryta högspänningens direktström i energinätet. Däremot kan växelströmsbrytare enkelt avbryta bågen när strömmen når sitt naturliga nollpunkt i växelströmsformen. Vid detta nollströmningsögonblick är den energi som behöver avbrytas också noll, vilket tillåter kontaktgapet att återfå sin dielektriska styrka och motstå den naturliga transitoriska återhämtningsvoltage.

I högspegelströmsbrytare är situationen mycket mer komplex. Eftersom DC-formen saknar naturliga strömningsnollpunkter kan tvingad bågutsläckning leda till extremt höga transitoriska återhämtningsvoltage. Utan korrekt bågutsläckning finns det en risk för återupptändning, vilket kan leda till förstöringen av brytarkontakterna. När ingenjörer utformar högspegelströmsbrytare måste de hantera tre huvudutmaningar:

1. Skapandet av artificiella strömningsnollpunkter: Detta är nödvändigt för bågutsläckning eftersom bristen på naturliga strömningsnollpunkter i DC gör det svårt att avbryta bågen.

2. Förhindrande av återupptändningsbågar: När bågen har avbrutits måste åtgärder vidtas för att förhindra att den tänds igen, vilket skulle kunna orsaka skada på brytaren och störa systemet.

3. Avledning av lagrad energi: Energien som lagras i systemkomponenterna måste säkert avledas för att undvika potentiella risker.

För att övervinna bristen på naturliga strömningsnollpunkter använder högspegelströmsbrytare principen om att skapa artificiella strömningsnollpunkter för bågutsläckning. En vanlig metod innebär att introducera en parallell L-C (induktans-kondensator) krets. När denna krets aktiveras orsakar den att bågströmmen oscillerar. Dessa oscillationer är intensiva och genererar flera artificiella strömningsnollpunkter. Brytaren släcker sedan bågen vid en av dessa artificiella nollströmningspunkter. För att denna metod ska vara effektiv måste toppströmmen i oscillationen överstiga den direkta strömmen som ska avbrytas.

En mer detaljerad implementation innebär att ansluta en serie-resonanskrets bestående av en induktans (L) och en kondensator (C) över huvudkontakten (M) i en konventionell DC-brytare via en hjälpkontakt (S1). Dessutom är en resistor (R) ansluten genom kontakt (S2). Under normal drift hålls huvudkontakten (M) och laddningskontakten (S2) stängda. Kondensatorn (C) laddas till linjespanningen genom hög motstånd (R). Samtidigt hålls kontakt (S1) öppen, med linjespanningen över den. Denna uppsättning lägger grunden för att skapa de nödvändiga villkoren för att avbryta DC-strömmen under ett felscenario genom att generera artificiella strömningsnollpunkter och hantera de associerade elektriska processerna.

När det gäller att avbryta huvudkretsströmmen Id initierar drivmechanismen en sekvens av åtgärder. Först öppnas kontakt S2 och samtidigt stängs kontakt S1. Denna konfiguration utlöser kondensatorns C avläggning genom induktansen L, huvudkontakten M och hjälpkontakten S1. Som ett resultat etableras en oscillerande ström, som illustreras i figuren nedan. Denna oscillerande ström genererar artificiella strömningsnollpunkter, vilka är viktiga för brytarens korrekta funktion. Huvudkontakten M i brytaren öppnas sedan exakt vid en av dessa artificiella strömningsnollpunkter. När huvudkontakten M har framgångsrikt avbrutit strömmen öppnas kontakt S1 och stängs kontakt S2, vilket återställer systemet för eventuella framtida operationer och säkerställer integriteten i högspegelströmsbrytningsprocessen.

Alternativ metod för att avbryta huvuddirektström

En alternativ metod för att avbryta huvuddirektströmmen i ett högspänningssystem (HVDC) innebär att omdirigera strömmen till en kondensator, vilket effektivt minskar magnituden av strömmen som brytarna behöver avbryta. Denna metod illustreras i figuren nedan, och börjar med en kondensator C som är ursprungligen obehandlad.

När huvudkontakten M i brytaren börjar öppnas inträffar ett avgörande händelse: huvudkretsströmmen, som tidigare flödade genom huvudkontakten M, omdirigeras och börjar flöda in i kondensatorn C. Som ett resultat av denna omdirigering minskas strömbelastningen som huvudkontakterna M måste hantera under avbrottet betydligt. Denna minskning av strömmagnituden underlättar belastningen på brytaren, vilket gör avbrottet mer hanterbart och mindre benäget att orsaka skada eller misslyckande.

Utöver kondensatorns roll i att omdirigera strömmen är en icke-linjär resistor R också en viktig komponent i detta system. Den icke-linjära resistorn R spelar en viktig roll i att absorbera energin som är kopplad till strömmen utan att orsaka en betydande ökning av spänningen över huvudkontakten M. Genom att effektivt avleda energin hjälper den icke-linjära resistorn till att bibehålla integriteten hos brytaren och det totala elektriska systemet, vilket säkerställer att spänningsnivåerna hålls inom acceptabla gränser under strömavbrottet. Denna koordinerade operation av kondensatorn C och den icke-linjära resistorn R ger en effektiv och pålitlig metod för att avbryta huvuddirektströmmen i ett HVDC-system.

Ökningstakten för återhämtningsvoltage över M uttrycks som

I DC-brytare som använder oscillerande strömmar för att avbryta flödet är utmaningen att förhindra återupptändningar särskilt betydande. Detta beror på den extremt korta tiden då strömmen avbryts eller "klippes". När strömmen snabbt avbryts inom en så kort tidsram genererar det en brant och plötslig ökning av återupptändningsvoltage över brytarterminalerna. Denna hög-magnitude, snabbt stigande spänning utgör en betydande hot mot brytarens integritet. För att säkerställa tillförlitlig drift måste brytaren konstrueras med tillräcklig dielektrisk styrka och spänningsmotståndsförmåga för att klara denna intensiva återupptändningsvoltage utan att ge efter för återupptändningar, vilket kan leda till skador, elektriska bågar och systemfel.