محطة تحويل التيار المستمر عالي الجهد

يُركّب المحوّل عادةً في مبنى يُسمى قاعة الصمامات . استخدمت أنظمة نقل التيار المستمر عالي الجهد (HVDC) المبكرة صمامات قوس الزئبق ، ولكن منذ منتصف سبعينيات القرن الماضي، استُخدمت أجهزة الحالة الصلبة مثل الثايرستورات . تُعرف المحوّلات التي تستخدم الثايرستورات أو صمامات قوس الزئبق باسم محوّلات التبديل الخطي . في المحوّلات القائمة على الثايرستورات، تُوصل العديد من الثايرستورات على التوالي لتشكيل صمام ثايرستور، ويتكون كل محوّل عادةً من ستة أو اثني عشر صمام ثايرستور. تُجمّع صمامات الثايرستور عادةً في أزواج أو مجموعات من أربعة، ويمكن وضعها على عوازل على الأرض أو تعليقها من عوازل في السقف.

تتطلب محولات التيار المتردد ذات التبديل الخطي جهدًا من شبكة التيار المتردد للتبديل، ولكن منذ أواخر التسعينيات، بدأ استخدام محولات مصدر الجهد في أنظمة نقل التيار المستمر عالية الجهد. تستخدم محولات مصدر الجهد ترانزستورات ثنائية القطب ذات بوابة معزولة بدلاً من الثايرستورات، ويمكنها توفير الطاقة لنظام تيار متردد غير مُفعّل.

تتميز جميع المحولات المستخدمة في أنظمة نقل التيار المستمر عالي الجهد بقدرتها على العمل بتحويل الطاقة في كلا الاتجاهين. يُطلق على تحويل الطاقة من التيار المتردد إلى التيار المستمر اسم التقويم، بينما يُطلق على التحويل من التيار المستمر إلى التيار المتردد اسم الانعكاس .

غالبًا ما تتضمن معدات التيار المستمر ملفًا (يُسمى مفاعلًا ) يُضيف حثًا على التوالي مع خط التيار المستمر للمساعدة في تنعيم التيار. يتراوح الحث عادةً بين 0.1 و1 هنري . يمكن أن يكون لمفاعل التنعيم قلب هوائي أو قلب حديدي. تشبه الملفات ذات القلب الحديدي محولات الجهد العالي المملوءة بالزيت. أما ملفات التنعيم ذات القلب الهوائي، فتشبه ملفات الخنق بتردد الموجة الحاملة في خطوط نقل الجهد العالي، ولكنها أكبر حجمًا بكثير، وتُدعم بعوازل . تتميز الملفات الهوائية بتوليد ضوضاء صوتية أقل من الملفات ذات القلب الحديدي، كما أنها تُزيل المخاطر البيئية المحتملة لتسرب الزيت، ولا تتشبع في ظروف أعطال التيار العالي العابرة . سيحتوي هذا الجزء من المحطة أيضًا على أجهزة لقياس التيار والجهد المستمرين.

تُستخدم مرشحات التيار المستمر الخاصة لإزالة التداخل عالي التردد. وتُعدّ هذه المرشحات ضرورية إذا كان خط النقل سيستخدم تقنيات الاتصال عبر خطوط الطاقة لأغراض الاتصال والتحكم، أو إذا كان الخط الهوائي سيمر عبر مناطق مأهولة بالسكان. ويمكن أن تكون هذه المرشحات من نوع مرشحات LC السلبية أو المرشحات النشطة، التي تتكون من مُضخّم موصول عبر محولات ومكثفات حماية، حيث يُصدر إشارة خارج الطور لإشارة التداخل على الخط، وبالتالي يُلغيها. وقد استُخدم نظام مماثل في مشروع كابل البلطيق عالي الجهد للتيار المستمر.

تقوم محولات التحويل برفع جهد شبكة التيار المتردد. وباستخدام توصيل نجمي-مثلثي لملفات المحول، يمكن للمحول العمل بـ 12 نبضة لكل دورة في التيار المتردد، مما يقلل من مكونات التيار التوافقي. يجب تصميم عزل ملفات المحول خصيصًا لتحمل جهد تيار مستمر كبير مع الأرض. يمكن بناء محولات تحويل تصل قدرتها إلى 300 ميغا فولت أمبير ( MVA ) كوحدة واحدة. ونظرًا لصعوبة نقل المحولات الكبيرة، يتم توصيل عدة محولات منفصلة معًا عند الحاجة إلى قدرات أعلى. يمكن استخدام وحدتين ثلاثيتي الطور أو ثلاث وحدات أحادية الطور. في الحالة الأخيرة، يُستخدم نوع واحد فقط من المحولات، مما يجعل توفير محول احتياطي أكثر اقتصادية.

تعمل محولات التحويل بتدفقات كهربائية عالية في المراحل الأربع لكل دورة، مما ينتج عنه ضوضاء صوتية أعلى من محولات الطاقة ثلاثية الأطوار العادية. يجب مراعاة هذا التأثير عند اختيار موقع محطة تحويل التيار المستمر عالي الجهد. ويمكن استخدام حاويات عازلة للصوت.

عند استخدام محولات التبديل الخطي، ستحتاج محطة التحويل إلى ما بين 40% و60% من قدرتها المقدرة كطاقة تفاعلية. يمكن توفير هذه الطاقة التفاعلية بواسطة مجموعات من المكثفات المبدلة أو المكثفات المتزامنة ، أو إذا كانت محطة توليد طاقة مناسبة تقع بالقرب من محطة العاكس الثابت، فيمكن توفيرها بواسطة مولدات محطة الطاقة. يمكن تقليل الطلب على الطاقة التفاعلية إذا كانت محولات التحويل مزودة بمغيرات جهد تحت الحمل ذات نطاق كافٍ للتحكم في جهد التيار المتردد. يمكن توفير جزء من متطلبات الطاقة التفاعلية في مكونات مرشح التوافقيات.

يمكن للمحولات ذات مصدر الجهد توليد أو امتصاص الطاقة التفاعلية وكذلك الطاقة الحقيقية، ولا تكون هناك حاجة بشكل عام إلى معدات طاقة تفاعلية إضافية.

تُعدّ المرشحات التوافقية ضروريةً لإزالة الموجات التوافقية وإنتاج القدرة التفاعلية في محطات تحويل التيار الكهربائي ذات التبديل الخطي. في المحطات التي تحتوي على ستة محولات نبضية ذات تبديل خطي، تكون المرشحات التوافقية المركبة ضروريةً لوجود توافقيات فردية من الرتبتين 6n+1 و6n - 1 على جانب التيار المتردد ، وتوافقيات زوجية من الرتبة 6n على جانب التيار المستمر. أما في محطات التحويل ذات 12 نبضة، فتنتج فقط جهود أو تيارات توافقية من الرتبتين 12n +1 و 12 n -1 (على جانب التيار المتردد) أو 12n (على جانب التيار المستمر). تُضبط المرشحات على ترددات التوافقيات المتوقعة ، وتتكون من مجموعات متصلة على التوالي من المكثفات والمحاثات.

تُنتج محولات الجهد الكهربائي عادةً توافقيات أقل شدة من محولات التيار الكهربائي ذات التبديل الخطي. ونتيجةً لذلك، تكون مرشحات التوافقيات أصغر حجماً أو قد تُستغنى عنها تماماً.

إلى جانب مرشحات التوافقيات، تُوفّر معداتٌ أيضًا لإزالة الإشارات الطفيلية في نطاق تردد معدات نقل الطاقة عبر خطوط الكهرباء، والذي يتراوح بين 30  كيلوهرتز و500  كيلوهرتز. تُوضع هذه المرشحات عادةً بالقرب من طرف التيار المتردد لمحول العاكس الثابت. وهي تتكون من ملف يمرر تيار الحمل، مع مكثف موصول بالتوازي لتشكيل دائرة رنين.

في حالات خاصة، قد يكون من الممكن استخدام الآلات حصراً لتوليد الطاقة التفاعلية. ويتم ذلك في محطة نقل التيار المستمر عالي الجهد بين فولغوغراد ودونباس الواقعة في محطة فولغا الكهرومائية .

تتشابه لوحة مفاتيح التيار المتردد ثلاثي الأطوار في محطة التحويل مع تلك الموجودة في محطة فرعية للتيار المتردد. وتحتوي على قواطع دوائر لحماية محولات التحويل من التيار الزائد، ومفاتيح عزل، ومفاتيح تأريض، ومحولات قياس للتحكم والقياس والحماية. كما تحتوي المحطة على مانعات صواعق لحماية معدات التيار المتردد من ارتفاعات التيار المفاجئة الناتجة عن الصواعق في نظام التيار المتردد.

تتطلب محطة التحويل مساحة أكبر بكثير من تلك المطلوبة للمحول التقليدي، فعلى سبيل المثال، تبلغ مساحة موقع بقدرة نقل 600 ميغاواط وجهد نقل 400 كيلوفولت حوالي 300 × 300 متر (1000 × 1000 قدم). وقد تتطلب محطات الجهد المنخفض مساحة أرضية أقل نوعًا ما، نظرًا لانخفاض المساحة المطلوبة حول معدات الجهد العالي الخارجية.

تُصدر محطات التحويل ضوضاء صوتية. وقد تُولّد هذه المحطات مستويات خطيرة من التداخل اللاسلكي، لذا يجب تضمين خصائص تصميمية للتحكم في هذه الانبعاثات. وقد تُوفّر الجدران حماية من الضوضاء. وكما هو الحال في جميع محطات التحويل الكهربائية، يجب منع تسرب الزيت من المعدات إلى المياه الجوفية في حال حدوث انسكاب. وقد تتطلب خطوط النقل الهوائية مساحة كبيرة، ولكن يُمكن تقليلها باستخدام الكابلات الأرضية.