Anàlisi d'errors del disjuntor de la barra neutra durant el bloqueig de les válvules del convertidor d'ultra-alta tensió

1.Principi de blocatge dels vàlvules convertidores d'alta tensió
1.1 Principi de funcionament de les vàlvules convertidores
Les vàlvules convertidores d'alta tensió (UHV) solen utilitzar vàlvules de tiristor o vàlvules de transistor bipolar amb portes aïllades (IGBT) per convertir la corrent alternada (AC) en corrent contínua (DC) i viceversa. Prenent com a exemple la vàlvula de tiristor, aquesta consta de diversos tiristors connectats en sèrie i en paral·lel. Controlant l'activació (encendiment) i el desactivació dels tiristors, la vàlvula regula i converteix la corrent elèctrica. Durant l'operació normal, la vàlvula convertidora converteix l'AC en DC o el DC en AC segons una seqüència de disparador i temps predefinits [1].

1.2 Causa i procés de blocatge de la vàlvula convertidora
El blocatge de la vàlvula convertidora pot ser desencadenat per diversos factors, incloent sobretensió, sobrecorrent, fallades de components interns i anormalitats en el sistema de control i protecció. Quan es detecten aquests errors, el sistema de control i protecció emet ràpidament una ordre de blocatge, interrompent l'activació de tots els tiristors o vàlvules IGBT, bloquejant així la vàlvula convertidora.

Durant el procés de blocatge, es produeixen canvis significatius en els paràmetres elèctrics del sistema. Per exemple, al costat rectificador, després que la vàlvula convertidora estigui bloquejada, la corrent del costat AC disminueix ràpidament. No obstant això, degut a la inductància de la línia, la corrent del costat DC no cau immediatament a zero i continua fluixant a través de camins com la barra neutra, formant una corrent de rodament. En aquest moment, el circuit interruptor de la barra neutra ha de funcionar ràpidament per interrompre la corrent DC i protegir l'equipament del sistema de danys causats per la corrent excessiva [2].

2.Condicions d'operació del circuit interruptor de la barra neutra durant el blocatge de la vàlvula convertidora
2.1 Canvis en els paràmetres elèctrics
Quan la vàlvula convertidora està bloquejada, la tensió i la corrent a través del circuit interruptor de la barra neutra experimenten canvis dràstics. Al costat DC, ja que la vàlvula convertidora bloquejada impedeix el flux de corrent normal, es produeix sobrecorrent a la barra neutra i l'equipament associat. Mentre, degut a processos transitoris electromagnètics en el sistema, pot aparèixer sobretensió a través del circuit interruptor de la barra neutra.

Per exemple, en un cert projecte de transmissió DC d'alta tensió, després del blocatge de la vàlvula convertidora, la corrent de la barra neutra va augmentar instantàniament a 2-3 vegades la corrent nominal, i la tensió a través del circuit interruptor de la barra neutra va mostrar fluctuacions significatives, arribant a 1,5 vegades la tensió operativa normal. La Taula 1 il·lustre visualment els canvis en els paràmetres elèctrics durant el blocatge de la vàlvula convertidora.

Taula 1: Canvis en els paràmetres elèctrics durant el blocatge de la vàlvula convertidora en un cert projecte de transmissió DC d'alta tensió

2.2 Variacions de tensió
Quan la válvula conversora està bloquejada, el circuit interruptor de la barra neutra ha de resistir no només la tensió elèctrica sinó també la tensió mecànica. La tensió elèctrica prové principalment de sobretensions i sobrecorrents, que intensifiquen l'erosió elèctrica dels contactes del interruptor i en acurten la vida útil. La tensió mecànica prové principalment de les forces d'impacte generades pel mecanisme d'operació durant les operacions ràpides d'obertura i tancament, així com les forces electromagnètiques causades pels canvis ràpids de corrent. Per exemple, en esdeveniments freqüents de bloqueig de la válvula conversora, els components del mecanisme d'operació del circuit interruptor de la barra neutra poden alliberar-se o desgastar-se, afectant adversament el seu rendiment normal d'obertura i tancament [3].

3.Tipus de faltes habituals i anàlisi de causes dels circuits interruptors de la barra neutra durant el bloqueig de la válvula conversora UHV
3.1 Falta d'aïllament
3.1.1 Manifestacions de la falta
La falta d'aïllament és un dels tipus de faltes més habituals per als circuits interruptors de la barra neutra durant el bloqueig de la válvula conversora. Es manifesta principalment com a envellesciment o deteriorament dels materials d'aïllament interns, provocant una degradació del rendiment d'aïllament i resultant en descàrregues o trencaments. Per exemple, en alguns projectes de transmissió DC UHV de llarga durada, s'han observat contaminació superficial i fissures en les camises de porcellana aïllants interiors del circuit interruptor de la barra neutra, comprometent gravement el rendiment d'aïllament.

3.1.2 Anàlisi de causes
Les causes de la falta d'aïllament inclouen diversos aspectes. Primer, la operació prolongada sota alta tensió i gran corrent va fent envelleir gradualment els materials d'aïllament, reduint-ne la capacitat d'aïllament amb el temps. Segon, la sobretensió i sobrecorrent generades durant el bloqueig de la válvula conversora imposen una forta tensió als materials d'aïllament, accelerant el procés d'envellesciment. A més, els entorns de funcionament durs—com l'alta humitat i la gran contaminació—fan que les superfícies d'aïllament acumulin contaminants, degradant-ne encara més el rendiment. Per exemple, en un projecte de transmissió DC UHV costaner amb alta humitat i aire salobre, es forma fàcilment una pel·lícula conductora a la superfície de la camisa de porcellana aïllant del circuit interruptor de la barra neutra, reduint significativament la força d'aïllament i causant faltes de descàrrega freqüents.

3.2 Falta del mecanisme d'operació
3.2.1 Manifestacions de la falta
Les faltes del mecanisme d'operació es manifesten principalment com a temps d'obertura/tancament anormal o incapacitat d'obrir/tancar (refús d'operació). Per exemple, durant el bloqueig de la válvula conversora, el circuit interruptor de la barra neutra pot mostrar temps d'obertura excessivament llargs, sense interrompre prontament la corrent DC, o pot fallar en tancar correctament, resultant en un contacte deficient.

3.2.2 Anàlisi de causes
Les causes de les faltes del mecanisme d'operació són complexes. D'una banda, els components mecànics es degraden amb el temps a causa de les operacions freqüents, patint desgast o deformació que impedeix el rendiment. Per exemple, les muelles del mecanisme poden perdre elasticitat a causa de la fatiga, conduint a una força d'obertura/tancament insuficient. D'altra banda, les faltes al circuit de control—com la falla de relés o cables de control trencats—poden impedir que el mecanisme rebi o executi correctament les ordres. A més, la interferència electromagnètica durant el bloqueig de la válvula conversora pot pertorbar les senyals de control, causant malfuncionaments o refús d'operació. Per exemple, en un cert projecte de transmissió DC UHV, els cables de control situats prop de les barras de corrent elevada van experimentar una forta interferència magnètica durant el bloqueig de la válvula, causant que el circuit interruptor no pogués obrir.

3.3 Falta de contacte
3.3.1 Manifestacions de la falta
Les faltes de contacte inclouen principalment erosió del contacte, increment de la resistència de contacte i soldadura del contacte. Durant el bloqueig de la válvula conversora, quan el circuit interruptor de la barra neutra interromp grans corrents, es formen arcs de gran temperatura, causant erosió de la superfície del contacte. L'erosió prolongada porta a superfícies de contacte irregulars i a una major resistència, afectant la operació normal. En casos greus, els contactes poden soldar-se, impedint que el circuit interruptor s'obri.

3.3.2 Anàlisi de causes
La causa principal de la falta de contacte és la gran corrent i l'arc de gran temperatura generats durant el bloqueig de la válvula conversora. El flux de gran corrent produeix càlci Joule, augmentant la temperatura del contacte, mentre que el calor intenciós de l'arc accelera l'erosió. A més, les propietats del material del contacte i la qualitat de fabricació afecten la resistència a l'arc. Els contactes fabricats amb materials amb baixa resistència a alt temperatures o a arcs, o produïts amb processos subestàndards, són més propensos a l'erosió. Per exemple, en un projecte de DC UHV, el circuit interruptor de la barra neutra utilitzava contactes amb una resistència a l'arc insuficient; després de múltiples esdeveniments de bloqueig, es va produir una erosió severa, augmentant significativament la resistència del contacte i interrompent la operació normal.

3.4 Falta del transformador de corrent
3.4.1 Manifestacions de la falta
Les faltes del transformador de corrent inclouen principalment circuits oberts al costat secundari, daños a l'aïllament dels bobinages i saturació del nucli. Durant el bloqueig de la válvula conversora, el canvi abrupte de la corrent DC sotmet el transformador de corrent a una gran tensió, fent-lo propens a fallar. Per exemple, un circuit obert al costat secundari pot generar tensions perillosament altes, posant en perill l'equipament i el personal; el daño a l'aïllament dels bobinages pot causar curts circuits interns, degradant la precisió de mesura; i la saturació del nucli augmenta els errors de mesura, podent activar accions protectoras incorrectes.

3.4.2 Anàlisi de causes
Les causes de la falla del transformador de corrent inclouen el següent: Primer, la sobrecorrent durant el bloqueig de la válvula conversora sotmet els bobinages a una gran tensió tèrmica i electromagnètica, possiblement danificant l'aïllament. Segon, el rendiment de l'aïllament es degrada naturalment amb el temps, fent que els transformadors siguin més vulnerables a fallar en condicions anòmals com el bloqueig de la válvula. A més, un disseny o selecció inadequats—com una corrent nominal o classe de precisió incorrecta—poden portar a la saturació del nucli durant els esdeveniments de bloqueig. Per exemple, en un projecte de DC UHV, la corrent nominal del transformador de corrent era massa baixa; durant el bloqueig de la válvula, el nucli es saturava ràpidament, no mesurant la corrent de manera precisa i causant que els relés protectors fallassin.

Per entendre millor la proporció de cada tipus d'error entre els errors dels interruptors de barra neutra durant el bloqueig dels valors convertidors, aquest article ha realitzat una anàlisi estadística dels dades d'error de diversos projectes de transmissió DC UHV, amb resultats mostrats a la Taula 2.

Taula 2: Proporció de Tipus d'Errors dels Interruptors de Barra Neutra Durant el Bloqueig del Valor Convertidor UHV

4.Mesures de prevenció i gestió d'errors per a interrumptors de barra neutra durant el blocatge dels convertidors de valvules UHV
4.1 Mesures de prevenció d'errors
4.1.1 Optimització de la selecció i disseny d'equips
Durant la fase de construcció dels projectes de transmissió DC UHV, s'ha de tenir en compte plenament l'impacte de condicions anòmals com el blocatge dels convertidors de valvules sobre els interrumptors de barra neutra, i s'ha d'optimitzar la selecció i el disseny de l'equipament en conseqüència. Es han de seleccionar components clau, com interrumptors amb un alt nivell d'aislament, contactes amb una gran resistència a l'arc, mecanismes d'operació fiables i transformadors de corrent adequadament classificats. Per exemple, les cànoves de porcellana aïllants fabricades amb materials d'aislament avançats i processos de fabricació poden augmentar la fiabilitat de l'aislament; els materials de contacte amb una forta resistència a l'arc allarguen la vida útil dels contactes; i un mecanisme d'operació ben dissenyat assegura una apertura/pestañada precisa i fiable en diverses condicions d'operació.

4.1.2 Millora de la monitorització i manteniment de l'equipament
S'ha d'establir un sistema exhaustiu de monitorització de l'equipament per supervisar continuament els paràmetres operatius de l'interrumpitor de barra neutra, incloent-hi paràmetres elèctrics, temperatura, pressió, vibració i altres indicadors d'estat. A través de l'anàlisi de dades, es poden identificar prontament els riscos potencials d'error. Per exemple, la termografia infraroja es pot utilitzar per monitoritzar les temperatures als contactes i punts de connexió; els increments de temperatura anòmals desencandenen inspeccions i accions correctives oportunes. La monitorització en línia de la resistència a l'aislament i de la descàrrega parcial ajuda a avaluar l'estat de l'aislament. A més, s'ha de reforçar el manteniment rutinari, que inclou neteja, lubrificació i afegit, per assegurar que l'equipament roman en condicions òptimes d'operació.

4.1.3 Millora de la qualitat de l'entorn d'operació
S'ha de millorar l'entorn d'operació de l'interrumpitor de barra neutra per mitigar els impacts ambientals adversos. Per exemple, es poden instal·lar sistemes de purificació de l'aire en subestacions per reduir els contaminants atmosfèrics i els gasos corrosius; mesures efectives de control de l'humitat, com deshumidificadors, poden mantenir condicions seques al voltant de l'equipament. En zones costaneres o altament contaminades industrialment, es poden aplicar tractaments protectors especials, com revestiments anticorrosius, per augmentar la resistència de l'equipament a la degradació ambiental.

4.2 Mesures de gestió d'errors
4.2.1 Aplicació de tecnologies de diagnòstic ràpid d'errors
Quan es detecta un error en l'interrumpitor de barra neutra, s'han d'utilitzar tecnologies de diagnòstic ràpid d'errors per identificar amb precisió el tipus d'error i la causa arrel. Els sistemes de diagnòstic intel·ligents, combinats amb dades operatives en temps real i característiques d'error, permeten una localització ràpida de l'error mitjançant l'anàlisi de dades i càlculs basats en models. Per exemple, la monitorització i anàlisi en temps real dels paràmetres de corrent i tensió poden ajudar a determinar si s'ha produït un fallament de l'aislament, danys als contactes o un malfuncionament del transformador de corrent; l'anàlisi de vibracions pot revelar problemes mecànics en el mecanisme d'operació.

4.2.2 Establiment de procediments racionals de gestió d'errors
S'han de desenvolupar procediments detallats i racionals de gestió d'errors per assegurar una resposta ràpida i eficaç quan es produeixen errors. Aquests procediments haurien de incloure la notificació d'errors, la inspecció in situ, el diagnòstic d'errors, la planificació de reparacions, la implementació de reparacions, la prova de l'equipament i la verificació d'acceptació. A tot arreu del procés, és essencial adherir-se estrictament als protocols de seguretat per protegir el personal i l'equipament. Per exemple, quan es tracta d'errors d'aislament, primer s'ha de desconectar la corrent i descarregar l'energia emmagatzemada abans de la inspecció i la reparació; després de la substitució de components, s'han de realitzar proves rigoroses i verificacions d'acceptació per confirmar que el rendiment compleix els estàndards requerits.

4.2.3 Equipament de suport d'emergència i plans de contingència
Per minimitzar l'impacte dels errors de l'interrumpitor de barra neutra en l'operació del sistema, s'ha de disposar d'equipament de suport d'emergència i es han de formular plans de contingència exhaustius. En cas d'un error greu que no es pugui reparar promptament, l'equipament de suport es pot desplegar ràpidament per restaurar l'operació normal del sistema. És necessari mantenir i provar regularment l'equipament de suport per assegurar-se que roman en bones condicions de espera. El pla de contingència hauria de especificar procediments de resposta d'emergència, responsabilitats del personal, protocols de comunicació i altres elements clau per permetre una gestió d'emergències ordenada i eficient.

5.Conclusió
Durant el blocatge dels convertidors de valvules UHV, els interrumptors de barra neutra enfronten diversos riscos d'error, incloent-hi fallaments d'aislament, malfuncionaments del mecanisme d'operació, danys als contactes i errors dels transformadors de corrent, tots els quals poden comprometre significativament la operació segura i estable dels sistemes de transmissió DC UHV. Analitzant exhaustivament el mecanisme de blocatge dels convertidors de valvules i l'estat operatiu dels interrumptors de barra neutra en aquestes condicions, s'han identificat clarament els tipus d'error comuns i les seves causes, suportats per estudis de casos detallats. Per prevenir i gestionar eficacement aquests errors, s'han d'implementar mesures preventives en la selecció i disseny de l'equipament, la monitorització i manteniment operatiu i la millora ambiental. Alhora, s'han d'adoptar estratègies de gestió d'errors, incloent-hi tecnologies de diagnòstic ràpid, procediments de reparació estandarditzats i sistemes de suport d'emergència, per augmentar encara més la fiabilitat operativa dels sistemes de transmissió DC UHV.