วงจรตัดไฟกระแสตรง
เบรกเกอร์วงจร HVDC: ฟังก์ชันการทำงาน ปัญหา และวิธีแก้ไข
เบรกเกอร์วงจร HVDC (High - Voltage Direct Current) เป็นอุปกรณ์สวิตช์ที่ออกแบบมาเพื่อหยุดการไหลของกระแสไฟฟ้าตรงที่ผิดปกติภายในวงจรไฟฟ้า เมื่อมีความผิดปกติในระบบ ส่วนติดต่อทางกลของเบรกเกอร์จะแยกออกจากกัน ทำให้วงจรเปิดอย่างมีประสิทธิภาพ แต่การตัดวงจรในระบบ HVDC เป็นงานที่ยากกว่าระบบ AC (Alternating Current) โดยหลัก ๆ เนื่องจากกระแสในวงจร HVDC ไหลในทิศทางเดียวและไม่ผ่านจุดศูนย์ของกระแสตามธรรมชาติ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการดับอาร์คในเบรกเกอร์วงจร AC
หน้าที่หลักของเบรกเกอร์วงจร HVDC คือการตัดกระแสไฟฟ้าตรงแรงดันสูงในเครือข่ายไฟฟ้า ในขณะที่เบรกเกอร์วงจร AC สามารถตัดอาร์คได้ง่ายเมื่อกระแสถึงจุดศูนย์ตามธรรมชาติในรูปคลื่น AC ณ จุดศูนย์ของกระแส ปริมาณพลังงานที่ต้องตัดจะเป็นศูนย์ ทำให้ช่องว่างระหว่างตัวติดต่อสามารถฟื้นฟูความแข็งแรงด้านดีไอเอลิคทริกและทนทานต่อแรงดันฟื้นฟูชั่วคราวตามธรรมชาติได้
ในเบรกเกอร์วงจร HVDC สถานการณ์มีความซับซ้อนมากกว่า เนื่องจากรูปคลื่น DC ขาดจุดศูนย์ของกระแสตามธรรมชาติ การตัดอาร์คโดยบังคับอาจทำให้เกิดแรงดันฟื้นฟูชั่วคราวที่สูงมาก หากไม่มีการตัดอาร์คที่เหมาะสม จะมีความเสี่ยงที่อาร์คจะเกิดขึ้นใหม่ ซึ่งอาจทำให้ตัวติดต่อของเบรกเกอร์เสียหายได้ ในการออกแบบเบรกเกอร์วงจร HVDC วิศวกรต้องแก้ไขปัญหาสามประการหลัก:
การสร้างจุดศูนย์ของกระแสเทียม: ซึ่งจำเป็นสำหรับการดับอาร์คเนื่องจากการขาดแคลนจุดศูนย์ของกระแสตามธรรมชาติใน DC ทำให้ยากต่อการตัดอาร์ค
การป้องกันการเกิดอาร์คใหม่: หลังจากอาร์คถูกตัดแล้ว ต้องมีมาตรการเพื่อป้องกันการเกิดอาร์คใหม่ ซึ่งอาจทำให้เบรกเกอร์เสียหายและทำให้ระบบหยุดทำงาน
การกระจายพลังงานที่สะสม: พลังงานที่สะสมในส่วนประกอบของระบบต้องถูกกระจายอย่างปลอดภัยเพื่อป้องกันอันตรายที่อาจเกิดขึ้น
เพื่อแก้ไขปัญหาการขาดแคลนจุดศูนย์ของกระแสตามธรรมชาติ เบรกเกอร์วงจร HVDC ใช้หลักการสร้างจุดศูนย์ของกระแสเทียมสำหรับการดับอาร์ค วิธีที่พบบ่อยคือการนำวงจร L - C (อินดักเตอร์ - แคปาซิเตอร์) ขนานเข้ามา เมื่อวงจรนี้ถูกกระตุ้น มันจะทำให้กระแสอาร์คเกิดการแกว่งตัว ความแกว่งตัวเหล่านี้มีความรุนแรงและสร้างจุดศูนย์ของกระแสเทียมหลายจุด เบรกเกอร์วงจรจะดับอาร์คที่จุดศูนย์ของกระแสเทียมหนึ่งในจุดเหล่านี้ สำหรับวิธีนี้จะมีประสิทธิภาพ กระแสสูงสุดของการแกว่งตัวต้องสูงกว่ากระแสตรงที่ต้องการตัด
การดำเนินการที่ละเอียดขึ้นคือการเชื่อมต่อวงจรเรโซแนนซ์อนุกรมที่ประกอบด้วยอินดักเตอร์ (L) และแคปาซิเตอร์ (C) ข้ามตัวติดต่อหลัก (M) ของเบรกเกอร์วงจร DC แบบดั้งเดิมผ่านตัวติดต่อเสริม (S1) นอกจากนี้ ยังมีตัวต้านทาน (R) เชื่อมต่อผ่านตัวติดต่อ (S2) ภายใต้เงื่อนไขการทำงานปกติ ตัวติดต่อหลัก (M) และตัวติดต่อชาร์จ (S2) จะอยู่ในตำแหน่งปิด แคปาซิเตอร์ (C) จะชาร์จด้วยแรงดันสายผ่านตัวต้านทานความต้านทานสูง (R) ในขณะที่ตัวติดต่อ (S1) อยู่ในตำแหน่งเปิด พร้อมแรงดันสายข้ามตัวติดต่อ โครงสร้างนี้เป็นพื้นฐานในการสร้างสภาพที่จำเป็นในการตัดกระแส DC ระหว่างเหตุการณ์ความผิดปกติโดยการสร้างจุดศูนย์ของกระแสเทียมและการจัดการกระบวนการไฟฟ้าที่เกี่ยวข้อง
เมื่อต้องการตัดกระแส Id ของวงจรหลัก กลไกการทำงานจะเริ่มลำดับการทำงาน แรก tiên มันจะเปิดตัวติดต่อ S2 และปิดตัวติดต่อ S1 พร้อมกัน การกำหนดค่านี้จะกระตุ้นการปล่อยประจุจากแคปาซิเตอร์ C ผ่านอินดักเตอร์ L ตัวติดต่อหลัก M และตัวติดต่อเสริม S1 ผลลัพธ์คือการเกิดกระแสแกว่งตัว ดังแสดงในภาพด้านล่าง กระแสแกว่งตัวนี้สร้างจุดศูนย์ของกระแสเทียม ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำงานที่เหมาะสมของเบรกเกอร์วงจร ตัวติดต่อหลัก M ของเบรกเกอร์วงจรจะเปิดอย่างแม่นยำที่หนึ่งในจุดศูนย์ของกระแสเทียม เมื่อตัวติดต่อหลัก M ตัดกระแสได้สำเร็จ ตัวติดต่อ S1 จะเปิด และตัวติดต่อ S2 จะปิด เพื่อกู้คืนระบบสำหรับการทำงานในอนาคตและรักษาความสมบูรณ์ของกระบวนการตัดวงจร HVDC
วิธีอื่น ๆ ในการตัดกระแสตรงหลัก
วิธีอื่น ๆ ในการตัดกระแสตรงหลักในระบบ HVDC (High - Voltage Direct Current) คือการเปลี่ยนทางกระแสไปยังแคปาซิเตอร์ ซึ่งลดขนาดของกระแสที่เบรกเกอร์ต้องตัดลง วิธีนี้แสดงในภาพด้านล่าง และเริ่มต้นด้วยแคปาซิเตอร์ C ที่อยู่ในสถานะไม่ได้ชาร์จ
เมื่อตัวติดต่อหลัก M ของเบรกเกอร์วงจรเริ่มเปิด เหตุการณ์สำคัญเกิดขึ้น: กระแสวงจรหลักที่เคยไหลผ่านตัวติดต่อหลัก M ถูกเปลี่ยนทางและเริ่มไหลเข้าแคปาซิเตอร์ C ผลจากการเปลี่ยนทางนี้ ภาระกระแสที่ตัวติดต่อหลัก M ต้องจัดการระหว่างกระบวนการตัดกระแสลดลงอย่างมาก การลดขนาดของกระแสทำให้การตัดกระแสของเบรกเกอร์วงจรเป็นไปได้ง่ายขึ้นและลดโอกาสที่จะทำให้เกิดความเสียหายหรือล้มเหลว
นอกจากบทบาทของแคปาซิเตอร์ในการเปลี่ยนทางกระแส ตัวต้านทานไม่เชิงเส้น R ก็เป็นส่วนสำคัญของระบบด้วย ตัวต้านทานไม่เชิงเส้น R มีบทบาทสำคัญในการดูดซับพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการไหลของกระแสโดยไม่ทำให้แรงดันข้ามตัวติดต่อหลัก M เพิ่มขึ้นอย่างมาก ด้วยการกระจายพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ ตัวต้านทานไม่เชิงเส้นช่วยรักษาความสมบูรณ์ของเบรกเกอร์วงจรและระบบไฟฟ้าโดยรวม ทำให้ระดับแรงดันคงอยู่ในขอบเขตที่ยอมรับได้ระหว่างกระบวนการตัดกระแส การทำงานร่วมกันของแคปาซิเตอร์ C และตัวต้านทานไม่เชิงเส้น R ให้วิธีการที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้ในการตัดกระแสตรงหลักในระบบ HVDC
อัตราการเพิ่มขึ้นของแรงดันฟื้นฟูข้าม M สามารถแสดงได้ว่า
ในเบรกเกอร์วงจร DC ที่พึ่งพากระแสแกว่งตัวในการตัดกระแส ปัญหาในการป้องกันการเกิดอาร์คใหม่เป็นเรื่องที่ท้าทายโดยเฉพาะ เนื่องจากระยะเวลาในการตัดกระแสหรือ "ตัด" อย่างรวดเร็ว เมื่อกระแสถูกตัดอย่างรวดเร็วในระยะเวลาสั้น ๆ มันจะสร้างแรงดันฟื้นฟูที่สูงและเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลันข้ามปลายของเบรกเกอร์ แรงดันที่สูงและเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วนี้เป็นภัยคุกคามสำคัญต่อความสมบูรณ์ของเบรกเกอร์วงจร เพื่อให้การทำงานเชื่อถือได้ เบรกเกอร์วงจรต้องออกแบบให้มีความแข็งแรงด้านดีไอเอลิคทริกและความสามารถในการทนทานแรงดันที่เพียงพอ เพื่อทนทานต่อแรงดันฟื้นฟูที่สูงนี้โดยไม่เกิดการเกิดอาร์คใหม่ ซึ่งอาจนำไปสู่ความเสียหาย การอาร์คไฟฟ้า และการล้มเหลวของระบบ
