ساختار و اجزای سیستم HVDC

طبقه بندی خطوط HVDC :

خطوط HVDC را می توان به طور کلی ، به طبقات زیر تقسیم کرد :

1) خطوط تک قطبی

2) خطوط دو قطبی

3) خطوط هم قطبی

در یک خط تک قطبی از یک هادی که معمولاً دارای پلاریته ( قطب ) منفی است استفاده می شود . و مسیر برگشت آن از طریق آب یا زمین تأمین می شود . ملاحضات هزینه ، اغلب منجر به استفاده از چنین سیستم هایی ، بخصوص برای انتقال کابلی می شود . همچنین ممکن است این نوع ساختار ، اولین مرحله در یک سیستم دوقطبی باشد . 

در حالتی که مقاوت زمین بسیار است یا تداخل احتمالی با سازه های فلزی زیر زمینی و یا زیر آبی مورد اعتراض است ، بجای مسیر برگشت از طریق زمین ، ممکن است از یک مسیر برگشت فلزی استفاده شود . در این صورت هادی ای که مسیر فلزی برگشت را تشکیل می دهد ، در ولتاژ پایین قرار دارد .

خط دو قطبی دارای دو هادی یکی مثبت و دیگری منفی است. هر پایانه دارای دو کنورتور با ولتاژ نامی مساوی است که در طرف جریان مستقیم ، به طور سری به هم متصل شده اند . محل اتصال بین کنورتورها ، زمین شده است . معمولاً جریان های دو قطب ، مساوی است و هیچ جریان زمینی وجود ندارد . دو قطب می توانند به طور مستقل کار کنند . اگر به علت بروز خطایی بر هادی ، یک قطب جدا شود ، قطب دیگر می تواند با زمین کار کند و بدین ترتیب نیمی یا بیشتر از بار نامی را با استفاده از قابلیت های اضافه بار کنورتورها و خط خود ، حمل نماید .

از نظر عملکرد در برابر صاعقه ، یک خط دو قطبی HVDC ، عملاً معادل با یک خط انتقال جریان متناوب دو مداره است . در حالت کارکرد معمولی ، این خط به طور چشمگیری نسبت به سیستم تک قطبی ، تداخل هارمونیکی کمتری بر امکانات و تأسیسات جنبی ایجاد می کند . تغییر جهت انتقال توان فقط با پلاریته دو قطب از طریق کنترل ها (و بدون هیچ کلید زنی مکانیکی) عمل می شود .

در حالتی که جریان های زمین قابل تحمل نیست یا زمانی که به علت دلایلی از قبیل مقاومت بالای زمین ، استفاده از الکترود زمین عملی نیست ، یک هادی سوم به عنوان سیم خنثی فلزی استفاده می شود . زمانی که یک قطب از سیستم خارج شود یا زمانی که عدم تعادل طی عمل دو قطبی وجود دارد ، این هادی به صورت مسیر برگشت عمل می کند . هادی سوم ، نیازمند عایقکاری کمی است و همچنین می تواند به عنوان سیم محافظ برای خطوط هوایی عمل نماید . اگر این هادی ، به طور کاملی عایق شود ، می تواند به عنوان یدکی استفاده شود .

خط هم قطبی دارای دو یا تعداد بیشتری هادی است که همگی دارای پلاریته یکسان هستند . معمولاً پلاریته منفی ترجیح داده می شود زیرا باعث تداخل کمتری ناشی از پدیده کرونا می شود . مسیر برگشت برای چنین سیستمی از طریق زمین است . زمانی که خطایی بر روی یک هادی وجود داشته باشد ، تمام کنورتور برای تغذیه هادی (های) دیگر در دسترس است که با تحمل مقداری اضافه بار ، می تواند (می توانند) بیشتر از توان نامی ، توان حمل نماید (نمایند) در مقابل ، در یک طرح دو قطبی ، اتصال مجدد تمام کنورتور به یک قطب خط ، پیچیده تر است و معمولاً عملی نیست . از این رو در حالتی که جریان پیوسته زمین قابل قبول است . ساختار تک قطبی بر سایر آرایشها ، ترجیح دارد .

جریان زمین می تواند تأثیری جنبی بر خطوط لوله گاز یا نفتی که در محدوده حدود چند مایل از الکترود های سیستم واقعند ، داشته باشد . خطوط لوله به عنوان هادی برای جریان زمین ، که می تواند باعث خوردگی فلز شود ، عمل می کند . بنابراین ممکن است ، ساختارهایی که از مسیر برگشت زمین استفاده می کنند ، همیشه قابل قبول نباشد .

هر یک از ساختار های فوق در مورد سیستم های HVDC معمولاً دارای گروه های متوالی از چندین کنورتور است که هریک دارای یک مجموعه ترانسفورمری و گروهی شیر است . کنورتور ها به طور موازی در طرف جریان متناوب ( ترانسفورمر ) و به طور سری در طرف جریان مستقیم (شیر) متصل می شوند  تا سطح مطلوب ولتاژ از قطب به زمین تأمین شود .

سیستم های دو طرفه HVDC (که برای خطوط ارتباطی ناهماهنگ استفاده می شود) ممکن است با تعداد متفاوتی از گروه های شیر به ازای هر قطب (بسته به هدف از ایجاد ارتباط و قابلیت اعتماد مطلوب) برای عملکرد به صورت تک قطبی یا دوقطبی طراحی شوند .

اغلب خطوط نقطه به نقطه (دو پایانه ای) HVDC شامل خطوط ، دوقطبی هستند که از عملکرد تک قطبی ، فقط در طی بروز اغتشاش استفاده می شود . معمولاً این خطوط به گونه ای طراحی می شوند تا به منظور اجتناب از قطع دو قطبی ، حداکثر عدم وابستگی را بین قطبها فراهم آورند . زمانی که قرار باشد سیستم جریان مستقیم به بیش از دو گره در طرف شبکه جریان متناوب متصل شود ، یک سیستم چند پایانه ای HVDC تشکیل می شود .

اجزای سیستم انتقال HVDC :

اجزای اصلی مربوط به یک سیستم HVDC در زیر (برای یک سیستم دو قطبی به عنوان مثال) نشان داده شده است . مؤلفه سایر ساختارها عملاً مشابه آنچه در زیر آمده ، می باشد . ذیلاً بحث مختصر در هر مورد بیان می گردد :

کنورتور ها . کنورتور ها تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم و بالعکس را انجام می دهند و شامل پلهای شیر و ترانسفورمر های دارای تغییر دهنده تپ می باشند . پلهای شیر شامل شیر های فشار قوی هستند که به صورت 6 پالسی یا 12 پالسی به هم متصل می شوند . ترانسفورمر های کنورتور ، منبع ولتاژ زیر زمینی سه فاز با سطح مناسب را برای پل شیر فراهم می آورند . زمانی که طرف شیر ترانسفورمر به زمین متصل نباشد ، معمولاً سیستم جریان مستقیم خواهد توانست با زمین کردن طرف مثبت یا منفی کنورتور شیر ، مرجع خود به زمین را تأمین کند .

راکتورهای هموار ساز . این راکتور ها به بزرگی 1/0 H هستند که به طور سری با هر قطب هر پست کنورتور متصل می شوند . اهداف این راکتور ها به صورت زیر است .

1) کاهش ولتاژ ها جریان ها ی هارمونیک در خط جریان مستقیم ؛

2) جلوگیری از نقص کموتاسیون در اینورترها ؛

3) جلوگیر از گسستگی جریان در بار کم ؛

4) محدود کردن مقدار اوج جریان در یکسو ساز طی اتصال کوتاه در خط جریان مستقیم .

فیلتر های هارمونیک . کنورتور ها در طرف های جریان متناوب و جریان مستقیم ، ولتاژها و جریان های هارمونیک تولید می کنند . این هارمونیک ها ممکن است موجب اضافه حرارت ممکن است موجب اضافه خازن ها و ژنراتور های نزدیک و نیز تداخل با سیستم های مخابرات دور شود . از این رو در هر دو طرف جریان متناوب و مستقیم از فیلتر استفاده می شود .

منابع توان راکتیو . کنورتور های جریان مستقیم به طور ذاتی ، توان راکتیو را جذب می نمایند . در حالت ماندگار ، توان راکتیو مصرفی حدود 50 درصد توان حقیقی انتقالی است . در حالت گذرا ، این مقدار ممکن است بسیار بیشتر باشد . بنابراین منابع توان راکتیو ، نزدیک کنورتورها مورد استفاده قرار می گیرند . در سیستم های قوی جریان متناوب ، معمولاً این منابع به صورت خازن های موازی هستند . بسته به تقاضای وارد بر خط ارتباطی جریان مستقیم و بر سیستم جریان متناوب ، بخشی از منبع توان راکتیو ممکن است به صورت کندانسور سنکرون یا جبران گر استاتیکی توان راکتیو ( SVC ) باشد . همچنین خازن های مربوط به فیلتر های جریان متناوب ، بخشی از توان راکتیو مورد نیاز را فراهم می آورند .

الکترودها . اغلب خطوط جریان مستقیم به نحوی طراحی می شوند که حداقل برای دوره کوتاهی از زمان ، از زمین به عنوان هادی خنثی استفاده کنند . به منظور کاهش چگالی های جریان و گرادیانهای ولتاژ سطحی ، اتصال به زمین نیازمند یک هادی سطح بزرگ است . این هادی به الکترود موسوم است . همچنان که قبلاً شرح داده شد ، اگر لازم باشد که عبور جریان از طریق زمین محدود شود ، ممکن است از یک هادی فلزی برگشتی به عنوان بخشی از خط جریان مستقیم استفاده شود .

خطوط جریان مستقیم . این خطوط ممکن است به صورت هوایی یا کابل باشند . بجز در مورد تعداد هادی ها و فواصل مورد نیاز ، خطوط جریان مستقیم بسیار مشابه خطوط جریان متناوب هستند .

 کلید های جریان متناوب . برای رفع خطا در ترانسفورمر و نیز خارج کردن خط جریان مستقیم از مدار ، از کلید در طرف جریان متناوب استفاده می شود . از این وسایل برای رفع خطاهای جریان مستقیم استفاده نمی شود چرا که این نوع خطا را می توان بسیار سریعتر بوسیله کنترل کنورتر رفع کرد .

عملکرد غیر عادی

حالت معکوس هدایتی ( آتش بی موقع ) :

حالت معکوس هدایتی به هدایت در جهت عکس اشاره دارد و یکی از مسائل جدی مربوط به شیر های قوس جیوه ای است و فقط زمانی می تواند رخ دهد که ولتاژ معکوسی دو سر شیر وجود داشته باشد . در یکسو سازی هر شیر تقریباً دو سوم هر سیکل ، مواجه با ولتاژ معکوس است . بنابراین ، حالت معکوس هدایتی بیشتر در طی یکسو سازی و نه معکوس سازی رایج است .

حالت معکوس هدایتی یک پدیده تصادفی است ، از میان عواملی که ممکن است رخداد آن را افزایش دهد می توان به ولتاژ معکوس اوج زیاد اضافه جریان ، آهنگ شدید تغییر جریان در انتهای هدایت ، متراکم شدن بخار جیوه بر روی آندها و آهنگ شدید افزایش ولتاژ معکوس اشاره کرد . تأثیر معکوس هدایتی این است که اتصال کوتاهی را در دو سر دو فاز ثانویه ترانسفورمرهای کنورتور اعمال می کند . این جریان های اتصال کوتاه ، ترانسفورمرها و شیر ها را در معرض جریانی بسیار شدیدتر از وضعیت عادی قرار می دهند . از این رو باید سیم پیچ های ترانسفورمر به منظور تحمل تعداد جریان های بسیار زیادتر اتصال کوتاه ، نسبت به ترانسفورمر های معمولی قدرت ، محکم بندی شود که این موضوع هزینه را افزایش می دهد . شیر ها نیازمند تعمیر و نگهداری بیشتر هستند .

برای حذف حالت معکوس هدایتی ، جریان به یک شیر کنار گذر منحرف می شود . شیر کنار گذر یک شیر جداست که به دو سر یک گروه شیر شش پالسی متصل است . اسن شیر دارای ظرفیت جریان بالاتری نسبت به بقیه شیرها است و می تواند یک واحد جریان مستقیم در مبنای واحد را به مدت 60 ثانیه تحمل کند . دریچه کنترل شیر کنارگذر معمولاً قفل است . زمانی که قرار باشد پلی کنار گذاشته شود ، شیر کنارگذر آن از حالت قفل خارج می شود و همزمان ، بوسیله قطع انتقال پالسهای مثبت به دریچه آنها ، شیر های اصلی قفل می شوند . در طی چند میلی ثانیه ، جریان مستقیم از شیر های اصلی به شیر کنارگذر منتقل می شود . با عمل همزمان از قفل خارج شدن شیر اصلی و قفل شدن شیر کنارگذر ، جریان مستقیم می تواند به شیر های اصلی برگشت داده شود .

حالت معکوس هدایتی در شیر های تریستوری اتفاق نمی افتد . در حالت اتصال کوتاه ، تریستورها می توانند تک تک دچار وقفه کاری شوند . اما تریستورهایی که به صورت شیرهای کنورتور آراسته شده اند ، از افزونگی و حفاظت به منظور جلوگیری از هدایت معکوس بهره می جویند .

نقص کموتاسیون :

عدم توانایی در تکمیل کموتاسیون قبل از اینکه ولتاژ کموتاسیون معکوس شود ( با حاشیه کافی برای دیونیزه شدن ) موسوم به نقص کموتاسیون است . این نقص ، به علت بد عمل کردن شیر نیست بلکه به علت وضع مدار خارج از شیر است . نقص های کموتاسیون بیشتر در مورد اینورتر ها رایج است و در طی اغتشاش هایی از قبیل جریان مستقیم بالا یا ولتاژ متناوب کم ، اتفاق می افتد . یکسو ساز فقط زمانی دچار نقص کموتاسیون می شود که مدار آتش آن با اشکال مواجه گردد .