Анализ на дефектите на автоматичния прекъсвач на нейтралната шина при блокиране на преобразувателни вентили на ултра-високо напрежение

1. Принцип блокиране на преобразувателни вентили за ултрависоко напрежение
1.1 Работен принцип на преобразувателните вентили
Преобразувателните вентили за ултрависоко напрежение обикновено използват тиристорни вентили или вентили с изолирана затворна двуполярна транзисторна (IGBT) за преобразуване на променливото напрежение (AC) в постоянното напрежение (DC) и обратно. Например, тиристорният вентил се състои от множество тиристори, свързани поред и паралелно. Чрез контролиране на активирането (включването) и изключването на тиристорите, вентилът регулира и преобразува електрическия ток. По време на нормална работа, преобразувателният вентил преобразува AC в DC или DC в AC според предварително дефинирана последователност и хронология [1].

1.2 Причини и процес на блокиране на преобразувателния вентил
Блокирането на преобразувателния вентил може да бъде активирано от различни фактори, включително прекомерно напрежение, прекомерен ток, дефекти на вътрешни компоненти и аномалии в системата за управление и защита. Когато такива аномалии са открити, системата за управление и защита бързо издава команда за блокиране, спиращ активирането на всички тиристори или IGBT вентили, което води до блокиране на преобразувателния вентил.

По време на процеса на блокиране, значителни промени се наблюдават в електрическите параметри на системата. Например, от страна на правоъгълника, след блокирането на преобразувателния вентил, токът на страната на AC бързо намалява. Въпреки това, поради индуктивността на линията, токът на страната на DC не пада незабавно до нула, а продължава да протича по пътища като нейтрална шина, формирайки свободно течен ток. В този момент, прекъсвателят на нейтралната шина трябва бързо да действа, за да прекъсне DC тока и да защити оборудването на системата от повреди, причинени от прекомерен ток [2].

2. Работни условия на прекъсвателя на нейтралната шина по време на блокиране на преобразувателния вентил
2.1 Промени в електрическите параметри
Когато преобразувателният вентил е блокиран, напрежението и токът през прекъсвателя на нейтралната шина подлежат на драстични промени. От страната на DC, тъй като блокираният преобразувателен вентил пречи на нормалното протичане на тока, възниква прекомерен ток в нейтралната шина и свързаното оборудване. Едновременно, поради електромагнитните преходни процеси в системата, може да се появи прекомерно напрежение през прекъсвателя на нейтралната шина.

Например, в определен проект за преход на ултрависоко DC, след блокирането на преобразувателния вентил, токът през нейтралната шина моментно се увеличи до 2–3 пъти по-голям от номиналния ток, а напрежението през прекъсвателя на нейтралната шина показа значителни колебания, достигайки 1,5 пъти нормалното работно напрежение. Таблица 1 визуализира промените в електрическите параметри по време на блокиране на преобразувателния вентил.

Таблица 1: Промени в електрическите параметри по време на блокиране на преобразувателния вентил в определен проект за преход на ултрависоко DC

2.2 Вариации на напрежението
Когато преобразувателният клапан е блокиран, разклонителната превключваща колона трябва да изтърпи не само електрическо, но и механично напрежение. Електрическото напрежение възниква главно от надвoltage и надток, които засилват електрическата ерозия на контактите на превключвателя и съкращават техния срок на полезност. Механичното напрежение възниква главно от удържаващите сили, генерираны от оперативната система по време на бързо отваряне и затваряне, както и от електромагнитни сили, причинени от бързи промени на тока. Например при често блокиране на преобразувателния клапан, компонентите на оперативната система на разклонителната превключваща колона може да се разхлабят или износат, което неблагоприятно влияе върху нормалната й работа [3].

3. Общи видове дефекти и анализ на причините за дефекти на разклонителните превключващи колони при блокиране на преобразувателния клапан
3.1 Пораждане на изолацията
3.1.1 Проявление на дефектите
Пораждането на изолацията е един от по-честите видове дефекти за разклонителните превключващи колони по време на блокиране на преобразувателния клапан. То се проявява главно като стареене или повреда на вътрешните изолационни материали, водещо до намалена изолационна способност и резултиращо в пробой или пробив. Например, в някои проекта за свръхвисоко напрежение (СВН) DC предаване, работещи дълго време, се появили замърсяване и пукнатини на изолационните фарфорови цилиндри вътре в разклонителната превключваща колона, което сериозно намалило изолационната способност.

3.1.2 Анализ на причините
Причините за пораждане на изолацията включват няколко аспекти. Първо, продължителната работа под високо напрежение и големи токове постепенно старее изолационните материали, намалявайки тяхната изолационна способност с времето. Второ, наднапрежението и надтокът, генерирали по време на блокиране на преобразувателния клапан, оказват сериозно напрежение върху изолационните материали, ускорявайки процеса на стареене. Освен това, сурови условия на работа - като висока влажност и тежко замърсяване - причиняват натрупване на замърсители върху повърхността на изолаторите, допълнително намалявайки изолационната способност. Например, в проект за СВН DC предаване край брега, с висока влажност и солен въздух, лесно се формира проводима плака върху повърхността на изолационния фарфор на разклонителната превключваща колона, значително намалявайки изолационната сила и причинявайки чести пробиви.

3.2 Дефекти на оперативната система
3.2.1 Проявление на дефектите
Дефектите на оперативната система се проявяват главно като аномални времена за отваряне/затваряне или отказ да се отвори/затвори (отказ на функционирането). Например, по време на блокиране на преобразувателния клапан, разклонителната превключваща колона може да покаже прекалено дълги времена за отваряне, не успявайки да прекъсне DC тока навреме, или може да не се затвори правилно, водейки до лош контакт.

3.2.2 Анализ на причините
Причините за дефекти на оперативната система са сложни. От една страна, механичните компоненти се износват с времето поради чести операции, страдайки от износ или деформация, които влошават производителността. Например, пружините в системата могат да загубят еластичността си поради умора, водейки до недостатъчен сила за отваряне/затваряне. От друга страна, дефекти в контролния контур - като отказ на реле или повредени контролни кабели - могат да попречат на системата да приема или изпълнява команди правилно. Освен това, електромагнитната интерференция по време на блокиране на преобразувателния клапан може да разстрои контролните сигнали, причинявайки дефекти или отказ на функционирането. Например, в определен проект за СВН DC предаване, контролните кабели, маршрутирани близо до високотокови шини, преживели силна магнитна интерференция по време на блокиране на клапана, водейки до отказ на превключвателя да се отвори.

3.3 Дефекти на контактите
3.3.1 Проявление на дефектите
Дефектите на контактите включват главно ерозия на контактите, увеличение на контактното съпротивление и сваряване на контактите. По време на блокиране на преобразувателния клапан, когато разклонителната превключваща колона прекъсва големи токове, се формират високотемпературни дъги, причиняващи ерозия на повърхността на контактите. Дългосрочната ерозия води до неравномерни повърхности на контактите и по-високо съпротивление, влошавайки нормалната работа. В тежки случаи, контактите могат да се сварят, попречавайки на превключвателя да се отвори.

3.3.2 Анализ на причините
Основната причина за дефектите на контактите е големият ток и високотемпературната дъга, генерирана по време на блокиране на преобразувателния клапан. Големият ток произвежда џоулово загряване, повишавайки температурата на контактите, докато интензивното загряване от дъгата ускорява ерозията. Освен това, свойствата на материалите на контактите и качеството на производството влияят на устойчивостта към дъгата. Контакти, направени от материали с лоша устойчивост към високата температура или дъгата, или произведени с низкокачествени процеси, са по-склонни към ерозия. Например, в проект за СВН DC, разклонителната превключваща колона използвала контакти с недостатъчна устойчивост към дъгата; след многократни блокирания, се появила сериозна ерозия, значително увеличавайки контактното съпротивление и разстройвайки нормалната работа.

3.4 Дефекти на трансформаторите на тока
3.4.1 Проявление на дефектите
Дефектите на трансформаторите на тока включват главно отворени вторични контури, повреди на изолацията на обмотките и насыщаване на ядрото. По време на блокиране на преобразувателния клапан, внезапната промяна на DC тока подлага трансформатора на тока на значително напрежение, правейки го склонен към дефект. Например, отворен вторичен контур може да генерира опасно високи напрежения, заплашващи оборудването и персонала; повреди на изолацията на обмотките могат да причинят вътрешни късици, влошавайки точността на измерването; и насыщаването на ядрото увеличава грешките в измерването, потенциално активирайки неправилни защитни действия.

3.4.2 Анализ на причините
Причините за дефектите на трансформаторите на тока включват следното: Първо, надтокът по време на блокиране на преобразувателния клапан подлага обмотките на високи термални и електромагнитни напрежения, които може да повредят изолацията. Второ, изолационната способност се деградира естествено с времето, правейки трансформаторите по-уязвими при аномални условия като блокиране на клапана. Освен това, неправилно проектиране или избор - като неправилно номинално напрежение или клас на точност - може да доведе до насыщаване на ядрото по време на блокирания. Например, в един проект за СВН DC, номиналният ток на трансформатора на тока бил твърде нисък; по време на блокиране на клапана, ядрото бързо се наситило, не успявайки да измерва тока точно и причинявайки неправилно действие на защитните реле.

За по-добро разбиране на пропорцията на всеки тип дефект сред неизправностите на прекъсвителите на нейтралната шина по време на блокиране на преобразувателни вентили, тази статия проведе статистически анализ на данните за дефекти от множество проекти за ВНП предаване, с резултати, показани в таблица 2.

Таблица 2: Пропорция на типовете дефекти на прекъсвителите на нейтралната шина по време на блокиране на преобразувателни вентили при ВНП

4.Мерки за предотвратяване и обработка на дефектите на разклонителните прекъсвачи при блокиране на преобразувателни клапани в УВН
4.1 Мерки за предотвратяване на дефектите
4.1.1 Оптимизация на избора и проектирането на оборудването
По време на строителния етап на проекти за УВН DC трябва напълно да се вземе под внимание въздействието на аномални условия, като блокиране на преобразувателни клапани, върху разклонителните прекъсвачи, и съответно да се оптимизира изборът и проектирането на оборудването. Трябва да се избират ключови компоненти – като прекъсвачи с висока изолационна способност, контакти с отлична устойчивост към дъга, надеждни механизми за управление и токомери с подходяща номинална стойност. Например, изолаторни порцеланени цилиндри, произведени от напредък изолационни материали и технологии, могат да увеличат надеждността на изолацията; материалите на контактите с силна устойчивост към дъга удължават жизнения им цикъл; добре проектиран механизъм за управление осигурява точна и надеждна работа при различни условия.

4.1.2 Подобряване на мониторинга и поддръжката на оборудването
Трябва да се установи комплексна система за мониторинг, която да наблюдава постоянно оперативните параметри на разклонителния прекъсвач, включително електрически параметри, температура, налягане, вибрация и други индикатори на състояние. Чрез анализ на данните може рано да се идентифицират потенциални рискове от дефекти. Например, инфрачервената термография може да се използва за наблюдение на температурите в контактите и точки на свързване; аномални повишения на температурата активират своевременни проверки и корекции. Онлайн мониторинг на изолационното съпротивление и частичните разряди помага за оценка на състоянието на изолацията. Освен това, трябва да се засилват редовните поддръжки – включително почистване, смазване и затягане – за да се гарантира, че оборудването остава в оптимално работно състояние.

4.1.3 Подобряване на качеството на работната среда
Трябва да се подобри работната среда на разклонителния прекъсвач, за да се намалят неблагоприятните въздействия на околната среда. Например, в подстанциите могат да се инсталират системи за очистване на въздуха, за да се намалят въздушните замърсители и корозивните газове; ефективни мерки за контрол на влажността – като осъществяване на хумидификация – могат да поддържат сухи условия около оборудването. В крайморски или силно промишлено замърсени области, специални защитни обработки – като антикорозивни покрития – могат да се приложат, за да се увеличи устойчивостта на оборудването към околната среда.

4.2 Мерки за обработка на дефектите
4.2.1 Приложение на технологии за бърза диагностика на дефектите
Когато се засече дефект в разклонителния прекъсвач, трябва да се използват технологии за бърза диагностика, за да се идентифицира точно типа и причината за дефекта. Интелигентни диагностични системи, комбинирани с реално-временни оперативни данни и характеристики на дефектите, позволяват бързо локализиране на дефекта чрез анализ на данни и изчисления, базирани на модели. Например, реално-временният мониторинг и анализ на параметрите на тока и напрежението могат да помогнат за определяне дали са настъпили неуспехи на изолацията, повреди на контактите или неисправности на токомерите; анализът на вибрациите може да разкрие механични проблеми в механизма за управление.

4.2.2 Създаване на рационални процедури за обработка на дефектите
Трябва да се разработят подробни и рационални процедури за обработка на дефектите, за да се гарантира бърз и ефективен отговор при настъпване на неуспехи. Тези процедури трябва да включват съобщаване за дефект, местна проверка, диагностика на дефект, планиране на ремонт, изпълнение на ремонта, тестове на оборудването и приемно проверяване. През целия процес е необходимо строго спазване на протоколите за безопасност, за да се защитят персонала и оборудването. Например, при обработка на дефекти на изолацията, първо трябва да се откъсне напрежението и да се разходи съхранената енергия, преди да се проведе проверка и ремонт; след замяна на компоненти, строги тестове и приемни проверки трябва да потвърдят, че производителността отговаря на необходимите стандарти.

4.2.3 Емерджентни резервни устройства и планове за действие при криза
За минимизиране на въздействието на дефектите на разклонителните прекъсвачи върху функционирането на системата, трябва да са налични емерджентни резервни устройства, и да се формулират обширни планове за действие при криза. В случай на сериозен дефект, който не може да бъде бързо отстранен, резервното устройство може бързо да бъде задействано, за да се възстанови нормалното функциониране на системата. Редовната поддръжка и тестове на резервното устройство са необходими, за да се гарантира, че то остава в добро резервно състояние. Планът за действие при криза трябва да посочи процедурите за емерджентен отговор, отговорностите на персонала, протоколите за комуникация и други ключови елементи, за да се осигури редовен и ефективен емерджентен отговор.

5.Заключение
По време на блокиране на преобразувателните клапани, разклонителните прекъсвачи се сблъскват с много рискове от дефекти – включително неуспехи на изолацията, неисправности на механизма за управление, повреди на контактите и дефекти на токомерите – всички те могат значително да компрометират безопасното и стабилно функциониране на системите за УВН DC. Чрез детайлния анализ на механизма за блокиране на преобразувателните клапани и оперативното състояние на разклонителните прекъсвачи при такива условия, са ясно идентифицирани общите типове дефекти и техните причини, подкрепени от подробни случаи. За ефективно предотвратяване и обработка на тези дефекти, трябва да се приложат предпазни мерки в избора и проектирането на оборудването, оперативния мониторинг и поддръжка, и подобряване на околната среда. Едновременно, стратегии за обработка на дефектите – включително технологии за бърза диагностика, стандартизиране на процедурите за ремонт и емерджентни резервни системи – трябва да бъдат приети, за да се подобри още повече надеждността на функционирането на системите за УВН DC.