Pga opdatering kan du ikke logge ind mandag 9 november kl. 8-9
HVDC-afbrydere
Hvordan slukker man 500.000 volt, når strømmen ikke passerer nul?
Forestil dig en kortslutning i et HVDC-kabel, der overfører elektricitet ved 500 kilovolt. Strømmen stiger hurtigt, og beskyttelsessystemet skal reagere, før fejlstrømmen overstiger komponenternes kapacitet.
I et vekselstrømsnet passerer strømmen nul 100 gange i sekundet ved 50 Hz. Det udnytter højspændingsafbrydere til at slukke lysbuen mellem kontakterne.
Jævnstrøm har ingen tilsvarende naturlig nulgennemgang. Hvis man blot åbner en mekanisk kontakt, kan der opstå en lysbue, som fortsætter med at lede strømmen.
Udfordringen er derfor at afbryde en stor strøm og samtidig håndtere den spænding og energi, som afbrydelsen medfører.
Hvorfor er det ikke nok at åbne kontakten?
En HVDC-afbryder skal arbejde mod både spændingskilden og den energi, der er lagret i nettets induktanser.
Ved en kortslutning kan fejlstrømmen stige med flere tusinde ampere pr. millisekund. Hvor hurtigt det sker, afhænger blandt andet af spændingen og induktansen i fejlstrømmens kredsløb.
Induktansen modvirker ændringer i strømmen. Derfor kan man ikke få en stor jævnstrøm til at forsvinde øjeblikkeligt ved blot at bryde den normale strømvej.
For at reducere fejlstrømmen skal afbryderen opbygge en modspænding, der er større end den spænding, som driver strømmen gennem kredsløbet.
I en forenklet model kan sammenhængen beskrives som:
L · (di/dt) = Uₛ − Uᵦ
Her er:
- L induktansen
- i strømmen
- di/dt strømmens ændring pr. tidsenhed (A/s)
- Uₛ den drivende systemspænding
- Uᵦ spændingen over afbryderen
Når afbryderspændingen overstiger systemspændingen, bliver strømændringen negativ, og fejlstrømmen begynder at falde.
Samtidig skal den lagrede magnetiske energi optages eller afledes. Ellers kan der opstå overspændinger, som beskadiger komponenterne.
En hybrid afbryder giver strømmen en anden vej
En af løsningerne er den hybride HVDC-afbryder, som kombinerer mekaniske kontakter med effektelektronik.
Mekaniske kontakter kan føre store strømme med små tab, men er ikke egnede til alene at afbryde en stor DC-fejlstrøm på få millisekunder. Halvledere kan koble langt hurtigere, men giver større tab, når de fører strøm kontinuerligt.
En hybrid afbryder kombinerer de lave tab fra de mekaniske kontakter med halvledernes hurtige kobling.
Under normal drift løber strømmen gennem en gren med en mekanisk kontakt og en mindre halvlederafbryder. Parallelt med denne gren sidder hovedafbryderen, som består af effekthalvledere.
Når beskyttelsessystemet registrerer en fejl, foregår afbrydelsen i fire trin:
- Strømmen flyttes. Den mindre halvlederafbryder kobler fra, så strømmen overføres til den parallelle gren med hovedafbryderen.
- Den mekaniske kontakt åbner. Strømmen er allerede flyttet, så kontakten kan åbne uden at skulle bryde den store fejlstrøm.
- Hovedafbryderen kobler fra. Når den mekaniske kontakt har opnået tilstrækkelig isolationsafstand, blokerer halvlederne i hovedafbryderen den hidtidige strømvej.
- Fejlstrømmen falder til nul. Strømmen ledes gennem overspændingsaflederne, som begrænser spændingen og optager energi. Den resulterende modspænding får fejlstrømmen til at aftage, indtil den når nul.
I hurtige hybride afbryderdesign kan selve afbrydelsesforløbet gennemføres på få millisekunder. Den samlede tid afhænger dog af afbryderens konstruktion, fejlregistreringen og den del af forløbet, der måles.
To måder at afbryde en DC-fejlstrøm
Hybrid afbryder: Effektelektronik flytter først strømmen væk fra den mekaniske kontakt. Når hovedafbryderens halvledere kobler fra, overtager overspændingsaflederne strømmen og optager energi, mens fejlstrømmen falder til nul.
Aktiv strøminjektion: Et hjælpekredsløb med blandt andet kondensator og induktans skaber en modstrøm. Den frembringer en kunstig nulgennemgang i den mekaniske afbryders kontaktgren, så lysbuen kan slukkes.
I begge løsninger skal den lagrede energi afledes eller optages, samtidig med at afbryderen skal kunne modstå spændingen efter afbrydelsen.
Få millisekunder kan gøre en stor forskel
Hastigheden er en af de største udfordringer ved HVDC-afbrydere.
Hvis fejlstrømmen eksempelvis stiger med 3.000 ampere pr. millisekund, vil en forsinkelse på fem millisekunder betyde yderligere 15.000 ampere, hvis stigningshastigheden forbliver uændret.
Den større strøm øger belastningen af halvlederne og de øvrige komponenter og stiller større krav til afbryderens kapacitet og håndteringen af den lagrede energi.
Derfor skal fejlregistrering, styring, mekanisk åbning og effektelektronisk afbrydelse koordineres meget præcist.
Beskyttelsessystemet skal samtidig kunne skelne mellem en reel kortslutning og normale ændringer i driften. Hvis afbryderen reagerer på det forkerte grundlag, risikerer man at afbryde en forbindelse, der fungerer, som den skal.
Hvorfor bliver HVDC-afbrydere vigtigere?
HVDC anvendes blandt andet til lange transmissionsforbindelser, søkabler og forbindelser mellem forskellige elnet.
I traditionelle punkt-til-punkt-forbindelser kan fejl ofte håndteres ved at stoppe strømoverførslen gennem omformerne og eventuelt afbryde på vekselstrømssiden. Det kan dog betyde, at hele forbindelsen må tages ud af drift.
I HVDC-net med flere sammenkoblede forbindelser er der behov for at kunne isolere en fejl, uden at resten af nettet nødvendigvis bliver afbrudt.
Hvis et enkelt kabel kortslutter, skal beskyttelsessystemet derfor kunne identificere fejlen og afbryde den berørte forbindelse hurtigt nok til, at de øvrige dele af nettet kan fortsætte driften.
Det kræver præcis koordinering mellem afbrydere, omformere, målesystemer og beskyttelsesalgoritmer.
Med hurtige HVDC-afbrydere bliver det muligt at opbygge mere sammenkoblede jævnstrømsnet, hvor en fejl på én forbindelse ikke behøver at sætte hele nettet ud af drift.
Læs mere:
Kontakt
Få hjælp nu
Find relevante, kvalitetssikrede kurser og efteruddannelse.