Aptomat mạch DC điện áp cao

Công tắc mạch HVDC: Chức năng, Thách thức và Giải pháp

Công tắc mạch HVDC (High - Voltage Direct Current) là thiết bị chuyển mạch chuyên dụng được thiết kế để ngắt dòng điện một chiều bất thường trong mạch điện. Khi có sự cố xảy ra trong hệ thống, các tiếp điểm cơ khí của công tắc mạch tách ra, hiệu quả mở mạch. Tuy nhiên, việc ngắt mạch trong hệ thống HVDC là một nhiệm vụ khó khăn hơn so với đối tác AC (Alternating Current). Điều này chủ yếu là do dòng điện trong mạch HVDC chảy theo một hướng duy nhất và không tự nhiên đi qua các giá trị dòng điện bằng không, điều này rất quan trọng cho việc dập hồ quang trong công tắc mạch AC.

Chức năng chính của công tắc mạch HVDC là ngắt dòng điện một chiều cao áp trong mạng điện. Trong khi đó, công tắc mạch AC có thể dễ dàng ngắt hồ quang khi dòng điện đạt đến điểm tự nhiên bằng không trong dạng sóng AC. Tại thời điểm dòng điện bằng không, năng lượng cần phải ngắt cũng bằng không, cho phép khoảng cách giữa các tiếp điểm lấy lại sức mạnh điện môi và chịu được điện áp hồi phục tạm thời tự nhiên.

Trong công tắc mạch HVDC, tình huống phức tạp hơn nhiều. Do dạng sóng DC thiếu các điểm dòng điện bằng không tự nhiên, việc ép buộc ngắt hồ quang có thể dẫn đến sự tạo ra điện áp hồi phục tạm thời cực kỳ cao. Nếu không có sự ngắt hồ quang đúng cách, có nguy cơ tái phát hồ quang, cuối cùng có thể dẫn đến phá hủy các tiếp điểm của công tắc. Khi thiết kế công tắc mạch HVDC, kỹ sư phải giải quyết ba thách thức chính:

1. Tạo Dòng Điện Bằng Không Nhân Tạo: Điều này rất quan trọng cho việc dập hồ quang vì sự thiếu hụt các điểm dòng điện bằng không tự nhiên trong DC làm cho việc ngắt hồ quang trở nên khó khăn.

2. Ngăn Ngừa Hồ Quang Tái Phát: Một khi hồ quang đã được ngắt, các biện pháp cần được thực hiện để ngăn chặn nó tái phát, điều này có thể gây thiệt hại cho công tắc và làm gián đoạn hệ thống.

3. Tiêu tán Năng Lượng Lưu Trữ: Năng lượng lưu trữ trong các thành phần hệ thống cần được tiêu tán an toàn để tránh nguy cơ tiềm ẩn.

Để khắc phục sự thiếu hụt các điểm dòng điện bằng không tự nhiên, công tắc mạch HVDC sử dụng nguyên lý tạo ra các điểm dòng điện bằng không nhân tạo để dập hồ quang. Một phương pháp phổ biến liên quan đến việc giới thiệu một mạch L - C (cuộn cảm - tụ điện) song song. Khi mạch này được kích hoạt, nó khiến dòng hồ quang dao động. Những dao động này rất mạnh và tạo ra nhiều điểm dòng điện bằng không nhân tạo. Công tắc mạch sau đó dập hồ quang tại một trong những điểm dòng điện bằng không nhân tạo này. Để phương pháp này hiệu quả, dòng điện đỉnh của dao động phải vượt quá dòng điện trực tiếp cần ngắt.

Một triển khai chi tiết hơn liên quan đến việc kết nối một mạch cộng hưởng chuỗi bao gồm cuộn cảm (L) và tụ điện (C) qua tiếp điểm chính (M) của công tắc mạch DC thông thường qua tiếp điểm phụ (S1). Ngoài ra, một điện trở (R) được kết nối qua tiếp điểm (S2). Trong điều kiện vận hành bình thường, tiếp điểm chính (M) và tiếp điểm sạc (S2) vẫn đóng. Tụ điện (C) được sạc lên điện áp đường dây thông qua điện trở cao (R). Trong khi đó, tiếp điểm (S1) vẫn mở, với điện áp đường dây trên nó. Thiết lập này đặt nền móng để tạo ra các điều kiện cần thiết để ngắt dòng điện DC trong trường hợp sự cố bằng cách tạo ra các điểm dòng điện bằng không nhân tạo và quản lý các quá trình điện liên quan.

Khi nói đến việc ngắt dòng điện chính Id, cơ chế hoạt động bắt đầu một chuỗi các hành động. Đầu tiên, nó mở tiếp điểm S2 và đồng thời đóng tiếp điểm S1. Cấu hình này kích hoạt việc xả tụ điện C thông qua cuộn cảm L, tiếp điểm chính M và tiếp điểm phụ S1. Kết quả là, một dòng điện dao động được thiết lập, như được mô tả trong hình dưới đây. Dòng điện dao động này tạo ra các điểm dòng điện bằng không nhân tạo, rất quan trọng cho hoạt động chính xác của công tắc mạch. Tiếp điểm chính M của công tắc mạch sau đó được mở chính xác tại một trong những điểm dòng điện bằng không nhân tạo này. Một khi tiếp điểm chính M đã ngắt dòng điện thành công, tiếp điểm S1 được mở và tiếp điểm S2 được đóng, đặt lại hệ thống cho các hoạt động tiềm năng trong tương lai và đảm bảo tính toàn vẹn của quá trình ngắt mạch HVDC.

Phương Pháp Thay Thế để Ngắt Dòng Điện Chính

Một phương pháp thay thế để ngắt dòng điện chính trong hệ thống dòng điện một chiều cao áp (HVDC) liên quan đến việc chuyển hướng dòng điện vào tụ điện, điều này hiệu quả giảm mức độ của dòng điện mà các công tắc mạch cần ngắt. Phương pháp này được minh họa trong hình dưới đây, và nó bắt đầu với tụ điện C ban đầu ở trạng thái chưa được sạc.

Khi tiếp điểm chính M của công tắc mạch bắt đầu mở, một sự kiện quan trọng xảy ra: dòng điện chính, trước đây chảy qua tiếp điểm chính M, được chuyển hướng và bắt đầu chảy vào tụ điện C. Kết quả của việc chuyển hướng này, tải dòng điện mà các tiếp điểm chính M phải xử lý trong quá trình ngắt dòng điện được giảm đáng kể. Sự giảm mức độ dòng điện này làm giảm gánh nặng cho công tắc mạch, làm cho quá trình ngắt dòng điện dễ quản lý hơn và ít khả năng gây hư hỏng hoặc thất bại.

Ngoài vai trò của tụ điện trong việc chuyển hướng dòng điện, điện trở phi tuyến R cũng là một thành phần thiết yếu của hệ thống này. Điện trở phi tuyến R đóng vai trò quan trọng trong việc hấp thụ năng lượng liên quan đến dòng điện mà không gây tăng đáng kể điện áp trên tiếp điểm chính M. Bằng cách tiêu tán năng lượng hiệu quả, điện trở phi tuyến giúp duy trì tính toàn vẹn của công tắc mạch và hệ thống điện tổng thể, đảm bảo rằng mức điện áp vẫn nằm trong giới hạn chấp nhận được trong quá trình ngắt dòng điện. Sự phối hợp hoạt động của tụ điện C và điện trở phi tuyến R cung cấp một phương pháp hiệu quả và đáng tin cậy để ngắt dòng điện chính trong hệ thống HVDC.

Tốc độ tăng của điện áp hồi phục trên M được biểu diễn như sau

Trong các công tắc mạch DC dựa trên dòng điện dao động để ngắt dòng, thách thức ngăn ngừa tái phát hồ quang đặc biệt khó khăn. Điều này là do thời gian ngắn mà dòng điện được ngắt hoặc "cắt". Khi dòng điện được ngắt nhanh chóng trong thời gian ngắn như vậy, nó tạo ra một đợt tăng đột ngột và mạnh mẽ của điện áp tái phát trên các đầu công tắc. Điện áp lớn, tăng nhanh này tạo ra mối đe dọa đáng kể đối với tính toàn vẹn của công tắc mạch. Để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy, công tắc mạch phải được thiết kế với sức mạnh điện môi và khả năng chịu điện áp đủ để chịu đựng điện áp tái phát mạnh mẽ này mà không bị tái phát, điều có thể dẫn đến hư hỏng, hồ quang điện và sự cố hệ thống.