HVDC Devre Kesicisi

HVDC Devre Kesicileri: İşlevsellik, Zorluklar ve Çözümler

Bir HVDC (Yüksek Gerilimli Doğru Akım) devre kesicisi, bir elektrik devresinde anormal doğru akımın akışını kesmek için tasarlanmış özel bir anahtarlama cihazıdır. Sisteminde bir arızanın oluşması durumunda, devre kesicinin mekanik kontaktları ayrılır ve bu sayede devre açılır. Ancak, HVDC sisteminde devre kesme, AC (Alternatif Akım) karşılığına göre daha zorlu bir görevdir. Bu, HVDC devresindeki akım tek yönde akar ve doğal olarak sıfır akım değerlerinden geçmediği için, AC devre kesicilerinde ark söndürmesi için kritik olan bu değerlerin olmaması nedeniyledir.

HVDC devre kesicisinin temel işlevi, güç ağındaki yüksek gerilimli doğru akım akışlarını kesmektir. Buna karşılık, AC devre kesicileri, AC dalga formunda akım doğal sıfır noktasına ulaştığında arkı kolayca kesilebilir. Bu sıfır akım anında, kesilmesi gereken enerji de sıfır olduğundan, kontakt boşluğu dielektrik gücünü yeniden kazanır ve doğal geçici kurtarma voltajına dayanabilir hale gelir.

HVDC devre kesicilerinde durum çok daha karmaşıktır. DC dalga formunun doğal akım sıfırları olmadığı için, zorla ark kesimi sonucunda aşırı yüksek geçici kurtarma voltajları oluşabilir. Uygun ark kesimi olmadan, yeniden ateşlenme riski vardır, bu da sonunda devre kesici kontaktlarının tahrip edilmesine yol açabilir. HVDC devre kesicileri tasarımında mühendisler üç ana zora çözüm getirmek zorundadır:

1. Yapay Akım Sıfırının Oluşturulması: DC'de doğal akım sıfırlarının olmaması nedeniyle ark söndürmesi zordur, bu yüzden yapay akım sıfırlarının oluşturulması önemlidir.

2. Yeniden Ateşlenen Arkların Önlenmesi: Ark kesildikten sonra, tekrar alev almasını önlemek için önlemler alınmalıdır, çünkü bu devre kesicinin zarar görmesine ve sistemi bozmasına neden olabilir.

3. Depolanmış Enerjinin Dağılımı: Sistem bileşenlerinde depolanan enerji güvenli bir şekilde dağıtılmalıdır, potansiyel tehlikelerden kaçınmak için.

Doğal akım sıfırlarının eksikliği nedeniyle, HVDC devre kesicileri ark söndürme için yapay akım sıfırları oluşturma ilkesini kullanır. Bir yaygın yaklaşım, paralel L - C (indüktör - kondansatör) devresinin dahil edilmesidir. Bu devre aktive edildiğinde, ark akımı salınıma girer. Bu salınımlar yoğun olup, birçok yapay akım sıfırı oluşturur. Daha sonra devre kesici, bu yapay sıfır akım noktalarından birinde arkı söndürür. Bu yöntemin etkili olması için, salınımın tepe akımı kesilmesi gereken doğrudan akımdan daha büyük olmalıdır.

Daha ayrıntılı bir uygulama, geleneksel bir DC devre kesicisinin ana kontak (M) arasında, yardımcı kontak (S1) yoluyla L indüktör ve C kondansatörden oluşan bir seri rezonans devresinin bağlanması içerir. Ayrıca, R direnç (S2) kontak yoluyla bağlanır. Normal çalışma koşullarında, ana kontak (M) ve şarj kontak (S2) kapalı kalır. Kondansatör (C), yüksek direnç (R) üzerinden hat voltajına şarj edilir. Bu sırada, kontak (S1) açık kalır ve üzerinde hat voltajı bulunur. Bu kurulum, bir arıza senaryosunda DC akımını kesmek için gerekli koşulları yaratmak ve ilişkili elektrik süreçlerini yönetmek için temel oluşturur, yapay akım sıfırları oluşturarak.

Ana devre akımı Id'yi kesmek konusunda, çalışma mekanizması bir dizi eylemi başlatır. İlk olarak, kontak S2 açılır ve aynı anda kontak S1 kapatılır. Bu yapılandırma, kondansatör C'nin indüktans L, ana kontak M ve yardımcı kontak S1 yoluyla boşalmasına neden olur. Sonuç olarak, aşağıda gösterildiği gibi salınımsal bir akım oluşur. Bu salınımsal akım, devre kesicinin düzgün çalışması için kritik olan yapay akım sıfırları oluşturur. Daha sonra devre kesicinin ana kontak M'si, bu yapay akım sıfır noktalarından birinde açılır. Ana kontak M akımı başarıyla kestiğinde, kontak S1 açılır ve kontak S2 kapatılır, bu da sistem gelecekteki olası işlemler için sıfırlanır ve HVDC devre kesme işleminin bütünlüğünü sağlar.

Ana Doğru Akımı Kesme İçin Alternatif Yöntem

Yüksek gerilimli doğru akım (HVDC) sisteminde ana doğru akımı kesme konusunda alternatif bir yaklaşım, akımı bir kondansatöre yönlendirerek, devre kesicilerin kesmesi gereken akımın büyüklüğünü azaltmaktır. Bu yöntem, aşağıdaki figürde gösterilmektedir ve başlangıçta şarj olmayan bir kondansatör C ile başlar.

Devre kesicinin ana kontak M açılmaya başladığında, önemli bir olay gerçekleşir: önceki ana kontak M yoluyla akan ana devre akımı, kondansatör C'ye yönlendirilir. Bu yönlendirme sonucunda, kesme işlemi sırasında ana kontak M'nin üstesinden gecmesi gereken akım yükü önemli ölçüde azalır. Bu akım büyüklüğündeki azalma, devre kesicinin yükünü hafifletir, kesme işlemini daha yönetilebilir hale getirir ve hasar veya başarısızlık riskini azaltır.

Akımı yönlendirmede kondansatörün rolünün yanı sıra, doğrusal olmayan bir direnç R de bu sistemin önemli bir bileşenidir. Doğrusal olmayan direnç R, akım akışıyla ilişkili enerjiyi emerek ana kontak M üzerindeki voltajın önemli ölçüde artmamasına yardımcı olur. Enerjiyi verimli bir şekilde dağıtarak, doğrusal olmayan direnç, devre kesicinin ve genel elektrik sisteminin bütünlüğünü korur, akım kesme işlemi sırasında voltaj seviyelerinin kabul edilebilir sınırlar içinde kalmasını sağlar. Kondansatör C ve doğrusal olmayan direnç R'nin koordineli operasyonu, HVDC sisteminde ana doğru akımını kesmek için etkili ve güvenilir bir yöntem sunar.

M üzerindeki kurtarma voltajının yükselme hızı şu şekilde ifade edilir

Akım kesme için salınımsal akımlara dayanan DC devre kesicilerinde, yeniden ateşlenmeyi önlemek özellikle zordur. Bu, akımın kesilmesi ya da "kesilmesi" çok kısa bir sürede gerçekleştiği içindir. Akım bu kısa zaman diliminde hızlı bir şekilde kesildiğinde, devre kesici uçlarında ani ve dik bir yükselti oluşturur. Bu yüksek büyüklükte ve hızlı artan voltaj, devre kesicinin bütünlüğüne ciddi bir tehdit oluşturur. Güvenilir bir işlem sağlamak için, devre kesicisi bu yoğun yeniden ateşleme voltajına dayanabilmek için yeterli dielektrik gücü ve voltaj dayanıklılığı ile mühendislikleştirilmelidir, böylece yeniden ateşlemeye uğramadan, elektrik arkı ve sistem arızalarından kaynaklanan hasarlardan korunmalıdır.