Преривач постійного струму ВВПС
Переривачі HVDC: Функціональність, виклики та рішення
Переривач HVDC (високовольтний постійний струм) — це спеціалізоване комутаційне пристрій, призначений для переривання потоку аномального постійного струму в електричній схемі. Коли у системі виникає збій, механічні контакти переривача розділяються, фактично відкриваючи контур. Однак, переривання контуру в системі HVDC є більш складною задачею порівняно з його аналогом AC (перемінний струм). Це обумовлено тим, що струм у схемі HVDC протікає в одному напрямку і не має природних точок нульового струму, які є важливими для гасіння дуги в переривачах AC.
Основна функція переривача HVDC полягає у перериванні потоку високовольтного постійного струму в енергетичній мережі. Натомість, переривачі AC можуть легко перервати дугу, коли струм досягає своєї природної точки нульового струму на хвиляформі AC. У цей момент нульового струму, енергія, яку потрібно перервати, також дорівнює нулю, що дозволяє зазору між контактами повернути свою диелектричну стійкість і витримати природну тимчасову відновну напругу.
У переривачах HVDC ситуація набагато складніша. Оскільки хвиляформа DC не має природних точок нульового струму, примусове переривання дуги може призвести до появи надзвичайно високої тимчасової відновної напруги. Без правильного гасіння дуги існує ризик повторного запалення, що в кінцевому підсумку може призвести до зруйнування контактів переривача. При проектуванні переривачів HVDC, інженери повинні врахувати три ключових виклики:
Створення штучних точок нульового струму: Це необхідно для гасіння дуги, оскільки відсутність природних точок нульового струму у DC ускладнює переривання дуги.
Запобігання повторному запаленню дуги: Після переривання дуги, треба прийняти заходи, щоб запобігти її повторному запаленню, що може завдати шкоди переривачеві та збурити систему.
Розсіювання збереженої енергії: Енергія, збережена в компонентах системи, повинна бути безпечним чином розсіяна, щоб уникнути потенційних небезпек.
Для подолання відсутності природних точок нульового струму, переривачі HVDC використовують принцип створення штучних точок нульового струму для гасіння дуги. Одним з загальних підходів є введення паралельного L-C (індуктивно-конденсаторного) контуру. Коли цей контур активується, він призводить до осциляції струму дуги. Ці осциляції є інтенсивними і генерують кілька штучних точок нульового струму. Переривач тоді гасить дугу в одній з цих штучних точок нульового струму. Для того, щоб цей метод був ефективним, амплітуда струму осциляції повинна перевищувати постійний струм, який потрібно перервати.
Більш детальна реалізація передбачає підключення серійного резонансного контуру, що складається з індуктивності (L) і конденсатора (C), через основний контакт (M) звичайного переривача DC через допоміжний контакт (S1). Додатково, резистор (R) під'єднаний через контакт (S2). В нормальних умовах роботи, основний контакт (M) і зарядний контакт (S2) залишаються закритими. Конденсатор (C) заряджується до напруги лінії через високий опір (R). Тем часом, контакт (S1) залишається відчиненим, з напругою лінії на ньому. Ця конфігурація створює необхідні умови для переривання струму DC під час аварійної ситуації, генеруючи штучні точки нульового струму та керуючи пов'язаними електричними процесами.
При перериванні основного струму Id, механізм управління запускає послідовність дій. Спочатку він відкриває контакт S2 і одночасно замикати контакт S1. Ця конфігурація запускає розряд конденсатора C через індуктивність L, основний контакт M та допоміжний контакт S1. В результаті створюється осциляторний струм, як показано на нижньому малюнку. Цей осциляторний струм генерує штучні точки нульового струму, які є важливими для правильного функціонування переривача. Основний контакт M переривача відкривається саме в одній з цих штучних точок нульового струму. Після успішного переривання струму основним контактом M, контакт S1 відкривається, а контакт S2 замикати, що скидає систему для можливих майбутніх операцій та забезпечує цілісність процесу переривання HVDC.
Альтернативний метод переривання основного постійного струму
Альтернативний підхід до переривання основного постійного струму в системі високовольтного постійного струму (HVDC) передбачає перенаправлення струму на конденсатор, що ефективно зменшує величину струму, який потрібно перервати переривачам. Цей метод показаний на нижньому малюнку, і починається з конденсатора C, який спочатку знаходиться в невипнутому стані.
Коли основний контакт M переривача починає відкриватися, відбувається важлива подія: основний струм, який раніше протікає через основний контакт M, перенаправлюється і починає протікати в конденсатор C. В результаті цього перенаправлення, струмова навантаженість, яку основні контакти M повинні обробляти під час процесу переривання, значно зменшується. Це зменшення величини струму полегшує навантаження на переривач, роблячи процес переривання більш управляемим та менш схильним до шкоди або відмови.
Окрім ролі конденсатора у перенаправленні струму, нелінійний резистор R також є важливим компонентом цієї системи. Нелінійний резистор R відіграє ключову роль у поглинанні енергії, пов'язаної з протіканням струму, без значного збільшення напруги на основному контакті M. Ефективно розсіюючи енергію, нелінійний резистор допомагає зберігати цілісність переривача та загальної електричної системи, забезпечуючи, що рівні напруги залишаються в допустимих межах під час процесу переривання струму. Ця координована робота конденсатора C та нелінійного резистора R забезпечує ефективний та надійний метод переривання основного постійного струму в системі HVDC.
Швидкість зростання відновної напруги на M виражається як
У переривачах DC, які спираються на осциляторні струми для переривання потоку, виклик запобігання повторному запаленню є особливо складним. Це обумовлено надзвичайно коротким тривалістю, за яку струм переривається або "перерізається". Коли струм швидко переривається за такий короткий період, він генерує стрімкий і раптовий підйом відновної напруги на кінцях переривача. Ця високопотужна, швидко зростаюча напруга становить значну загрозу цілісності переривача. Для забезпечення надійної роботи, переривач повинен бути спроектований з достатньою диелектричною стійкістю та здатністю витримувати напругу, щоб витримати цю інтенсивну відновну напругу без повторного запалення, яке може призвести до шкоди, електричного дуговго відпалення та відмов системи.
