تحليل أعطال قاطع الدائرة في الحافلة المحايدة أثناء إغلاق مفاتيح التحويل ذات الجهد الفائق

1. مبدأ حظر صمامات المحول ذات الجهد العالي جداً
1.1 مبدأ عمل صمامات المحول
تستخدم صمامات المحول ذات الجهد العالي جداً عادة صمامات الثايستور أو صمامات الترانزستور ثنائي القطب المعزول (IGBT) لتحويل التيار المتردد (AC) إلى تيار مستمر (DC) والعكس صحيح. على سبيل المثال، يتكون صمام الثايستور من عدة ثايستورات متصلة بالسلسلة والمتوازية. من خلال السيطرة على تشغيل (تشغيل) وإيقاف الثايستورات، ينظم الصمام ويحول التيار الكهربائي. أثناء التشغيل الطبيعي، يقوم صمام المحول بتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر أو العكس وفقاً لمتوالية وأوقات الإشعال المحددة [1].

1.2 أسباب وعملية حظر صمامات المحول
يمكن أن يُحفز حظر صمامات المحول بواسطة العديد من العوامل، بما في ذلك زيادة الجهد، زيادة التيار، فشل المكونات الداخلية، وأخطاء في نظام التحكم والحماية. عند اكتشاف مثل هذه الأعطال، يقوم نظام التحكم والحماية بإصدار أمر حظر بسرعة، مما يؤدي إلى إيقاف تشغيل جميع الثايستورات أو صمامات IGBT، وبالتالي حظر صمام المحول.

خلال عملية الحظر، يحدث تغيرات كبيرة في معلمات النظام الكهربائية. على سبيل المثال، على الجانب المستقيم، بعد حظر صمام المحول، ينخفض التيار المتردد بشكل سريع. ومع ذلك، بسبب استقرارية الخط، لا ينخفض التيار المستمر فوراً إلى الصفر ولكنه يستمر في التدفق عبر مسارات مثل الحافلة المحايدة، مما يشكل تياراً حر. في هذه اللحظة، يجب أن يعمل قاطع الدائرة للحافلة المحايدة بسرعة لقطع التيار المستمر وحماية معدات النظام من الأضرار الناجمة عن زيادة التيار [2].

2. ظروف التشغيل لقاطع دائر الحافلة المحايدة أثناء حظر صمامات المحول
2.1 التغييرات في المعلمات الكهربائية
عند حظر صمام المحول، تخضع الجهد والتيار عبر قاطع دائرة الحافلة المحايدة لتغييرات كبيرة. على الجانب المستقيم، حيث يمنع صمام المحول المحظور التدفق الطبيعي للتيار، يحدث زيادة في التيار في الحافلة المحايدة والمعدات المرتبطة بها. وفي الوقت نفسه، بسبب العمليات العابرة الكهرومغناطيسية في النظام، قد يظهر زيادة في الجهد عبر قاطع دائرة الحافلة المحايدة.

على سبيل المثال، في مشروع معين لنقل التيار المستمر ذو الجهد العالي جداً، بعد حظر صمام المحول، ارتفع تيار الحافلة المحايدة فوراً إلى ضعفين أو ثلاثة أضعاف التيار المقنن، وظهرت تقلبات كبيرة في الجهد عبر قاطع دائرة الحافلة المحايدة، وبلغت ذروتها 1.5 مرة من الجهد التشغيلي الطبيعي. الجدول 1 يوضح بصرياً التغييرات في المعلمات الكهربائية أثناء حظر صمامات المحول.

الجدول 1: التغييرات في المعلمات الكهربائية أثناء حظر صمامات المحول في مشروع معين لنقل التيار المستمر ذو الجهد العالي جداً

2.2 تغيرات الضغط
عندما يتم حجب صمام التحويل، يجب على مفتاح الدائرة المحايدة تحمل ليس فقط الضغط الكهربائي ولكن أيضًا الضغط الميكانيكي. ينشأ الضغط الكهربائي بشكل أساسي من زيادة الجهد والتيار الزائد، مما يزيد من التآكل الكهربائي للجهات المتصلة بالمفتاح ويقلل من عمرها الافتراضي. ينتج الضغط الميكانيكي بشكل أساسي من القوى الناتجة عن آلية التشغيل أثناء عمليات الفتح والإغلاق السريعة، بالإضافة إلى القوى الكهرومغناطيسية الناتجة عن تغييرات سريعة في التيار. على سبيل المثال، في حالات الحجب المتكررة لصمام التحويل، قد تصبح أجزاء من آلية تشغيل مفتاح الدائرة المحايدة فضفاضة أو متهالكة، مما يؤثر سلبًا على أدائها الطبيعي في الفتح والإغلاق [3].

3. أنواع الأعطال الشائعة وتحليل الأسباب لمفاتيح الدائرة المحايدة أثناء حجب صمام التحويل فائق الجهد
3.1 فشل العزل
3.1.1 أعراض العطل
فشل العزل هو أحد أنواع الأعطال الأكثر شيوعًا لمفاتيح الدائرة المحايدة أثناء حجب صمام التحويل. يظهر بشكل أساسي كشيخوخة أو تلف المواد العازلة الداخلية، مما يؤدي إلى تدهور أداء العزل وتسبب حدوث تفريغ أو انهيار. على سبيل المثال، في بعض المشاريع التي تعمل لفترات طويلة لنقل التيار المستمر فائق الجهد، ظهرت التلوث السطحي والشقوق على الأكمام العازلة داخل مفتاح الدائرة المحايدة، مما يقلل بشكل كبير من أداء العزل.

3.1.2 تحليل الأسباب
تشمل أسباب فشل العزل عدة جوانب. أولاً، يعمل التشغيل لفترات طويلة تحت جهد عالي وتيار كبير على تقدم شيخوخة المواد العازلة، مما يقلل بمرور الوقت من قدرتها على العزل. ثانياً، يفرض الجهد الزائد والتيار الزائد الناتجان أثناء حجب صمام التحويل ضغوطًا شديدة على المواد العازلة، مما يسرع عملية الشيخوخة. بالإضافة إلى ذلك، تؤدي البيئات التشغيلية القاسية - مثل الرطوبة العالية والتلوث الشديد - إلى تراكم الملوثات على سطوح العزل، مما يقلل بشكل أكبر من أداء العزل. على سبيل المثال، في مشروع نقل تيار مستمر فائق الجهد على الساحل مع رطوبة عالية وهواء مملوء بالملح، يمكن أن يتكون فيلم موصل بسهولة على سطح الأكمام العازلة لمفتاح الدائرة المحايدة، مما يقلل بشكل كبير من قوة العزل ويسبب أعطال تفريغ متكررة.

3.2 فشل آلية التشغيل
3.2.1 أعراض العطل
يظهر فشل آلية التشغيل بشكل أساسي في أوقات فتح وإغلاق غير طبيعية أو عدم القدرة على الفتح والإغلاق (رفض العمل). على سبيل المثال، أثناء حجب صمام التحويل، قد يظهر مفتاح الدائرة المحايدة أوقات فتح طويلة جدًا، مما يفشل في قطع التيار المستمر بشكل فعال، أو قد يفشل في الإغلاق بشكل صحيح، مما يؤدي إلى اتصال سيء.

3.2.2 تحليل الأسباب
تعتبر أسباب فشل آلية التشغيل معقدة. من جهة، تتدهور المكونات الميكانيكية بمرور الوقت بسبب العمليات المتكررة، مما يؤدي إلى التآكل أو التشوه الذي يؤثر على الأداء. على سبيل المثال، قد تفقد الربيع في الآلية مرونتها بسبب التعب، مما يؤدي إلى قوة فتح وإغلاق غير كافية. من جهة أخرى، يمكن أن تسبب الأعطال في دارة التحكم - مثل فشل الريلاي أو انقطاع كابلات التحكم - عدم قدرة الآلية على استلام أو تنفيذ الأوامر بشكل صحيح. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يسبب التداخل الكهرومغناطيسي أثناء حجب صمام التحويل اضطرابات في إشارات التحكم، مما يؤدي إلى أعطال أو رفض العمل. على سبيل المثال، في مشروع نقل تيار مستمر فائق الجهد معين، تعرض كابلات التحكم المرتبطة بدارات التيار العالي للتداخل المغناطيسي الشديد أثناء الحجب، مما أدى إلى رفض مفتاح الدائرة الفتح.

3.3 فشل الاتصال
3.3.1 أعراض العطل
يشمل فشل الاتصال بشكل أساسي تآكل الاتصال وزيادة مقاومة الاتصال وحام الاتصال. أثناء حجب صمام التحويل، عندما يقوم مفتاح الدائرة المحايدة بقطع تيارات كبيرة، يشكل قوس حراري عالي الحرارة، مما يؤدي إلى تآكل سطح الاتصال. يؤدي التآكل الطويل الأمد إلى سطح اتصال غير منتظم ومقاومة أعلى، مما يعيق التشغيل الطبيعي. في الحالات الشديدة، قد يحام الاتصال معًا، مما يمنع مفتاح الدائرة من الفتح.

3.3.2 تحليل الأسباب
إن السبب الرئيسي لفشل الاتصال هو التيار الكبير والقوس الحراري العالي الحرارة الناتج عن حجب صمام التحويل. ينتج تدفق التيار الكبير حرارة جول، مما يرفع درجة حرارة الاتصال، بينما يسرع الحرارة الشديدة للقوس عملية التآكل. بالإضافة إلى ذلك، تؤثر خصائص المواد المستخدمة في تصنيع الاتصال وجودة التصنيع على مقاومة القوس. الاتصالات المصنوعة من مواد ذات مقاومة ضعيفة للحرارة العالية أو القوس، أو تلك المصنعة باستخدام عمليات غير متوافقة، تكون أكثر عرضة للتآكل. على سبيل المثال، في مشروع نقل تيار مستمر فائق الجهد، تم استخدام مفتاح دائرة محايدة به اتصالات ذات مقاومة ضعيفة للقوس؛ بعد العديد من حوادث الحجب، حدث تآكل شديد، مما زاد بشكل كبير من مقاومة الاتصال وأثر على التشغيل الطبيعي.

3.4 فشل محول التيار
3.4.1 أعراض العطل
يشمل فشل محول التيار بشكل أساسي فتح الدائرة الثانوية وتلف عزل ملفات التفاؤل وشبورة اللب. أثناء حجب صمام التحويل، يعرض التغيير المفاجئ في التيار المستمر محول التيار لضغط شديد، مما يجعله عرضة للأعطال. على سبيل المثال، يمكن أن يولد فتح الدائرة الثانوية جهودًا عالية الخطورة، مما يعرض المعدات والأفراد للخطر؛ يمكن أن يسبب تلف عزل ملفات التفاؤل قصرًا داخليًا، مما يقلل من دقة القياس؛ ويزيد شبورة اللب من أخطاء القياس، مما قد يؤدي إلى تشغيل حمايات خاطئة.

3.4.2 تحليل الأسباب
تشمل أسباب فشل محول التيار ما يلي: أولاً، يعرض التيار الزائد أثناء حجب صمام التحويل ملفات التفاؤل لضغط حراري وكهرومغناطيسي عالٍ، مما قد يؤدي إلى تلف العزل. ثانيًا، ينخفض أداء العزل بشكل طبيعي بمرور الوقت، مما يجعل المحولات أكثر عرضة للأعطال تحت ظروف غير طبيعية مثل حجب الصمام. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي التصميم غير الصحيح أو الاختيار الخاطئ - مثل التيار المقنن أو فئة الدقة غير المناسبة - إلى شبورة اللب أثناء حوادث الحجب. على سبيل المثال، في مشروع نقل تيار مستمر فائق الجهد معين، كان التيار المقنن لمحول التيار منخفضًا جدًا؛ أثناء حجب الصمام، شبّر اللب بسرعة، فشل في قياس التيار بدقة وأدى إلى تشغيل الريلاي الحامي بشكل خاطئ.

للاستفادة بشكل أفضل من نسبة كل نوع من الأعطال بين أعطال مفتاح الدائرة لحافلة المحايدة أثناء حظر صمام التحويل، أجرت هذه الورقة تحليلًا إحصائيًا لبيانات الأعطال من عدة مشاريع نقل التيار المباشر فائق الضغط، مع نتائج موضحة في الجدول 2.

الجدول 2: نسبة أنواع أعطال مفتاح الدائرة لحافلة المحايدة أثناء حظر صمام التحويل فائق الضغط

4. إجراءات الوقاية من الأعطال ومعالجة أعطال مفتاح الدائرة الرئيسي خلال توقف المحول التحويلي عالي الجهد
4.1 إجراءات الوقاية من الأعطال
4.1.1 تحسين اختيار المعدات والتصميم
خلال مرحلة بناء مشروعات نقل التيار المستمر عالي الجهد، يجب أن يتم أخذ تأثير الظروف غير الطبيعية مثل توقف المحول التحويلي في الاعتبار بشكل كامل، وأن يتم تحسين اختيار المعدات والتصميم وفقًا لذلك. يجب اختيار المكونات الرئيسية مثل مفاتيح الدائرة ذات الأداء العازل العالي والماسحات الكهربائية المقاومة للقوس الكهربائي والآليات التشغيلية الموثوقة ومثبطات التيار المناسبة. على سبيل المثال، يمكن أن تعزز الأنابيب العازلة المصنوعة من مواد عازلة متقدمة وأساليب التصنيع موثوقية العزل؛ وتزيد المواد المقاومة للقوس الكهربائي من عمر الماسحات الكهربائية؛ ويضمن الآلية التشغيلية المصممة جيدًا الفتح والإغلاق بدقة وموثوقية تحت مختلف الظروف التشغيلية.

4.1.2 تعزيز مراقبة المعدات والصيانة
يجب إنشاء نظام مراقبة شامل للمعدات لمراقبة المعلمات التشغيلية لمفتاح الدائرة الرئيسي باستمرار، بما في ذلك المعلمات الكهربائية والحرارة والضغط والاهتزاز وغيرها من المؤشرات الحالة. من خلال تحليل البيانات، يمكن تحديد مخاطر الأعطال المحتملة مبكرًا. على سبيل المثال، يمكن استخدام التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء لمراقبة درجات الحرارة في نقاط الاتصال والتوصيل؛ وتعتبر الزيادات غير الطبيعية في درجات الحرارة دافعًا للتفتيش والإجراءات التصحيحية في الوقت المناسب. كما يساعد مراقبة مقاومة العزل وإطلاق الشحن الجزئي عبر الإنترنت في تقييم حالة العزل. بالإضافة إلى ذلك، يجب تقوية الصيانة الروتينية بما في ذلك التنظيف والتشحيم والشد لضمان أن تكون المعدات في أفضل حالة تشغيلية.

4.1.3 تحسين جودة البيئة التشغيلية
يجب تحسين بيئة تشغيل مفتاح الدائرة الرئيسي لتخفيف التأثيرات البيئية السلبية. على سبيل المثال، يمكن تركيب أنظمة تنقية الهواء في محطات التحويل لتقليل الملوثات الهوائية والغازات المؤكسدة؛ ويمكن أن تساهم الإجراءات الفعالة للتحكم في الرطوبة، مثل المزيلات للرطوبة، في الحفاظ على ظروف جافة حول المعدات. في المناطق الساحلية أو المناطق الملوثة صناعيًا بشدة، يمكن تطبيق معالجات حماية خاصة، مثل الطلاءات المضادة للتآكل، لتعزيز مقاومة المعدات للتدهور البيئي.

4.2 إجراءات معالجة الأعطال
4.2.1 تطبيق تقنيات التشخيص السريع للأعطال
عند اكتشاف عطل في مفتاح الدائرة الرئيسي، يجب استخدام تقنيات التشخيص السريع للأعطال لتحديد نوع العطل وسببه الأساسي بدقة. تمكن أنظمة التشخيص الذكية، مجتمعة مع بيانات التشغيل في الوقت الحقيقي وخصائص العطل، من تحديد موقع العطل بسرعة من خلال تحليل البيانات والحسابات القائمة على النماذج. على سبيل المثال، يمكن أن يساعد مراقبة وتحليل معلمات التيار والجهد في الوقت الحقيقي في تحديد ما إذا كان هناك فشل في العزل أو تلف في الماسحات الكهربائية أو خلل في مثبط التيار؛ يمكن أن يكشف تحليل الاهتزاز عن المشاكل الميكانيكية في الآلية التشغيلية.

4.2.2 إنشاء إجراءات معالجة الأعطال المنطقية
يجب وضع إجراءات معالجة الأعطال مفصلة ومنطقية لضمان الاستجابة السريعة والفعالة عند حدوث الأعطال. يجب أن تشمل هذه الإجراءات الإبلاغ عن العطل والتفتيش في الموقع وتشخيص العطل والتخطيط لإصلاح العطل وتنفيذ الإصلاح واختبار المعدات والتحقق من القبول. طوال العملية، من الضروري الالتزام الصارم ببروتوكولات السلامة لحماية الأفراد والمعدات. على سبيل المثال، عند التعامل مع أعطال العزل، يجب قطع التيار أولاً وإخراج الطاقة المتراكمة قبل التفتيش والإصلاح؛ بعد استبدال المكونات، يجب أن يؤكد الاختبار الصارم والتحقق من القبول أن الأداء يتوافق مع المعايير المطلوبة.

4.2.3 المعدات الاحتياطية والخطط البديلة للطوارئ
للتقليل من تأثير أعطال مفتاح الدائرة الرئيسي على تشغيل النظام، يجب توفر المعدات الاحتياطية ووضع خطط بديلة شاملة. في حالة حدوث عطل شديد لا يمكن إصلاحه بسرعة، يمكن نشر المعدات الاحتياطية بسرعة لاستعادة التشغيل الطبيعي للنظام. من الضروري إجراء الصيانة والاختبار المنتظم للمعدات الاحتياطية لضمان أنها تظل في حالة جيدة للانتظار. يجب أن تحدد الخطة البديلة إجراءات الاستجابة للطوارئ والمسؤوليات الشخصية وبروتوكولات التواصل وغيرها من العناصر الرئيسية لتمكين التعامل الطارئ بشكل منظم وفعال.

5. الخاتمة
خلال توقف المحول التحويلي عالي الجهد، يتعرض مفتاح الدائرة الرئيسي لمخاطر عديدة للأعطال بما في ذلك فشل العزل وخلل في الآلية التشغيلية وتلف الماسحات الكهربائية وأعطال مثبطات التيار، والتي يمكن أن تؤثر بشكل كبير على التشغيل الآمن والاستقرار لنظام نقل التيار المستمر عالي الجهد. من خلال تحليل آليات توقف المحول التحويلي والحالة التشغيلية لمفتاح الدائرة الرئيسي في مثل هذه الظروف، تم تحديد أنواع الأعطال الشائعة وأسبابها بوضوح، مع الدعم من دراسات الحالات المفصلة. لمنع ومعالجة هذه الأعطال بشكل فعال، يجب تنفيذ إجراءات وقائية في اختيار المعدات والتصميم والمراقبة التشغيلية والصيانة وتحسين البيئة. في الوقت نفسه، يجب تبني استراتيجيات معالجة الأعطال بما في ذلك التقنيات التشخيصية السريعة وإجراءات الإصلاح القياسية وأنظمة الاحتياط الطارئ لتعزيز موثوقية التشغيل لنظام نقل التيار المستمر عالي الجهد.