Analýza poruchy spojovacího vypínače neutrální sběrnice během blokování ventilů ultra-vysokého napětí

1.Zásada blokování přepínacích ventilů ultra vysokého napětí
1.1 Princip fungování přepínacích ventilů
Přepínací ventily pro ultra vysoké napětí obvykle používají thyristorové ventily nebo ventily s izolovanou bránou dvoupólových tranzistorů (IGBT) k převodu střídavého proudu (AC) na stejnosměrný proud (DC) a naopak. Vezměme jako příklad thyristorový ventil, který se skládá z několika thyristorů spojených v řadu a paralelně. Ovládáním spouštění (zapnutí) a vypnutí thyristorů reguluje a převádí elektrický proud. Během normálního provozu přepínací ventil převádí AC na DC nebo DC na AC podle předdefinovaného pořadí a časování zapalování [1].

1.2 Příčiny a proces blokování přepínacího ventilu
Blokování přepínacího ventilu může být vyvoláno různými faktory, včetně přepětí, přetoku, selhání interních komponent a vad v systému ovládání a ochrany. Když jsou takové anomálie detekovány, systém ovládání a ochrany rychle vydá příkaz k blokování, což zastaví spouštění všech thyristorů nebo IGBT ventilů, čímž dojde k blokování přepínacího ventilu.

Během procesu blokování dochází k významným změnám elektrických parametrů systému. Například na straně odporu, po blokování přepínacího ventilu, prudce klesne proud na straně AC. Avšak kvůli indukci v lince proud na straně DC okamžitě nespadne na nulu, ale místo toho nadále plynulým proudem protéká cestami, jako je neutrální sběrnice, tvoře proud volného chodu. V tomto okamžiku musí neutrální sběrnice okruhový vypínač rychle operovat k přerušení DC proudu a ochránit zařízení systému před poškozením způsobeným nadměrným proudem [2].

2.Provozní podmínky neutrální sběrnice okruhového vypínače během blokování přepínacího ventilu
2.1 Změny elektrických parametrů
Když je přepínací ventil zablokován, napětí a proud na neutrální sběrnici okruhového vypínače procházejí drastickými změnami. Na straně DC, jelikož blokovaný přepínací ventil brání normálnímu toku proudu, dochází k přetoku v neutrální sběrnici a souvisejícím zařízení. Současně, kvůli elektromagnetickým přechodovým procesům v systému, může dojít k přepětí na neutrální sběrnici okruhového vypínače.

Například, v určitém projektu přenosu DC s ultra vysokým napětím, po blokování přepínacího ventilu, okamžitě stoupl proud neutrální sběrnice na 2–3 krát nominální proud, a napětí na neutrální sběrnici okruhového vypínače projevilo výrazné fluktuace, dosahujíc až 1,5 násobku normálního provozního napětí. Tabulka 1 vizuálně znázorňuje změny elektrických parametrů během blokování přepínacího ventilu.

Tabulka 1: Změny elektrických parametrů během blokování přepínacího ventilu v určitém projektu přenosu DC s ultra vysokým napětím

2.2 Variace napětí
Když je převodní ventil zablokovaný, musí odpojovací čidlo středního vedení snést nejen elektrické, ale i mechanické zatěžování. Elektrické zatěžování vzniká především z důvodu přetlaku a přetoku, které zvyšují elektroerosi kontaktů čidla a zkracují jejich životnost. Mechanické zatěžování vzniká hlavně díky nárazovým silám vygenerovaným provozním mechanismem během rychlých otevíracích a zavíracích operací, stejně jako díky elektromagnetickým silám způsobeným rychlými změnami proudu. Například při častém blokování převodních ventilů mohou součásti provozního mechanismu odpojovacího čidla středního vedení zbavit se nebo se opotřebit, což negativně ovlivňuje jeho normální otevírací a zavírací vlastnosti [3].

3.Běžné typy poruch a analýza příčin u odpojovacích čidel středního vedení během blokování převodních ventilů
3.1 Selhání izolace
3.1.1 Projevy poruchy
Selhání izolace je jedním z běžnějších typů poruch u odpojovacích čidel středního vedení během blokování převodních ventilů. Projevuje se především stárnutím nebo poškozením vnitřních izolačních materiálů, což vedlo k degradaci vlastností izolace a způsobilo flashover nebo protržení. Například v některých dlouhodobě provozovaných projektech UHV DC přenosu se na povrchu izolačních keramických trubek uvnitř odpojovacího čidla středního vedení objevily kontaminace a trhliny, což závažně oslabilo vlastnosti izolace.

3.1.2 Analýza příčin
Příčiny selhání izolace zahrnují několik aspektů. Za prvé, dlouhodobý provoz za vysokým napětím a velkým proudem postupně stárne izolační materiály, což s časem snižuje jejich izolační schopnosti. Za druhé, přetlak a přetok vyvolané během blokování převodních ventilů představují značné zatěžování izolačních materiálů, což urychluje proces stárnutí. Kromě toho, tvrdé pracovní prostředí - jako vysoká vlhkost a znečištění - způsobí, že se na povrchu izolace akumulují kontaminace, což dále degraduje vlastnosti izolace. Například v pobřežním projektu UHV DC přenosu s vysokou vlhkostí a solným vzduchem se na povrchu izolačních keramických trubek odpojovacího čidla středního vedení snadno tvoří vodivá vrstva, což značně snižuje sílu izolace a způsobuje časté flashover poruchy.

3.2 Selhání provozního mechanismu
3.2.1 Projevy poruchy
Selhání provozního mechanismu se projevuje především abnormálními časy otevírání/zavírání nebo selháním otevírání/zavírání (odmítá fungovat). Například během blokování převodních ventilů může odpojovací čidlo středního vedení mít příliš dlouhé časy otevírání, což nedokáže včas přerušit stejnosměrný proud, nebo může selhat při zavírání, což vede ke špatnému kontaktu.

3.2.2 Analýza příčin
Příčiny selhání provozního mechanismu jsou komplexní. Na jedné straně se mechanické součásti kvůli častému používání s časem degradují, trpí opotřebením nebo deformací, což snižuje jejich výkon. Například pružiny v mechanismu mohou ztratit pružnost kvůli unavení, což vede k nedostatečné síle otevírání/zavírání. Na druhé straně, poruchy v ovládací obvod - jako selhání relé nebo přetržené ovládací kabely - mohou zabránit mechanismu v přijímání nebo vykonávání příkazů správně. Kromě toho, elektromagnetické rušení během blokování převodních ventilů může narušit ovládací signály, což vede k poruchám nebo odmítnutí funkce. Například v určitém projektu UHV DC přenosu, kde byly ovládací kabely vedeny blízko vysokoprudových sběrnic, došlo během blokování ventilu k silnému magnetickému rušení, což vedlo k tomu, že čidlo odmítlo otevřít.

3.3 Selhání kontaktu
3.3.1 Projevy poruchy
Selhání kontaktu zahrnuje především erozi kontaktu, zvýšení odporu kontaktu a spálení kontaktu. Během blokování převodních ventilů, kdy odpojovací čidlo středního vedení přerušuje velké proudy, vznikají vysokoteplotní oblouky, což způsobuje erozi povrchu kontaktu. Dlouhodobá eroze vede k nerovnoměrnému povrchu kontaktu a vyššímu odporu, což narušuje normální funkci. V extrémních případech se mohou kontakty spálit, což brání čidlu v otevírání.

3.3.2 Analýza příčin
Hlavní příčinou selhání kontaktu je velký proud a vysokoteplotní oblouk vygenerovaný během blokování převodních ventilů. Velký proud vytváří Jouleovo teplo, což zvyšuje teplotu kontaktu, zatímco intenzivní teplo oblouku urychluje erozi. Kromě toho, vlastnosti materiálu kontaktu a jakost výroby ovlivňují odolnost proti obloukům. Kontakty vyrobené z materiálů s nízkou odolností proti vysokým teplotám nebo obloukům, nebo ty, které byly vyrobeny s podstandardními procesy, jsou více náchylné k erozi. Například v projektu UHV DC byly použity kontakty s nedostatečnou odolností proti obloukům; po několika blokovacích událostech došlo k závažné erozi, což značně zvýšilo odpor kontaktu a narušilo normální funkci.

3.4 Selhání transformátoru proudu
3.4.1 Projevy poruchy
Selhání transformátoru proudu zahrnuje především otevřený okruh na sekundární straně, poškození izolace cívek a nasycení jádra. Během blokování převodních ventilů podléhá transformátor proudu značnému zatěžování v důsledku náhlé změny stejnosměrného proudu, což ho činí náchylným k selhání. Například otevřený okruh na sekundární straně může vygenerovat nebezpečně vysoké napětí, což ohrožuje zařízení a osobní bezpečnost; poškození izolace cívek může způsobit interní krátké spojení, což snižuje přesnost měření; a nasycení jádra zvyšuje chyby měření, což může vést k nesprávným ochranným akcím.

3.4.2 Analýza příčin
Příčiny selhání transformátoru proudu zahrnují následující: Za prvé, přetok během blokování převodních ventilů podléhají cívky vysokému tepelnému a elektromagnetickému zatěžování, což může poškodit izolaci. Za druhé, vlastnosti izolace se s časem přirozeně degradují, což činí transformátory více náchylnými k selhání za neobvyklých podmínek, jako je blokování ventilu. Kromě toho, nesprávné navrhování nebo výběr - jako nesprávný nominální proud nebo třída přesnosti - může vést k nasycení jádra během blokovacích událostí. Například v jednom projektu UHV DC byl nominální proud transformátoru proudu příliš nízký; během blokování ventilu se jádro rychle nasycelo, což způsobilo, že transformátor nedokázal přesně měřit proud a vedlo k tomu, že ochranná relé selhala.

Aby bylo možné lépe pochopit podíl jednotlivých typů poruch mezi selháními vypínače středního sběrného vedoucího při blokování měničových ventilů, tato práce provedla statistickou analýzu dat o poruchách z několika projektů UHV DC přenosu, s výsledky uvedenými v tabulce 2.

Tabulka 2: Podíl typů poruch vypínače středního sběrného vedoucího během blokování měničových ventilů UHV

4. Opatření pro prevenci a řešení poruch v přerušovačích neutrální sběrnice během blokování měničových ventilů UHV
4.1 Opatření pro prevenci poruch
4.1.1 Optimalizace výběru a návrhu zařízení
Během stavební fáze projektů DC přenosu UHV by měl být plně zohledněn dopad neobvyklých stavů, jako je blokování měničových ventilů, na přerušovače neutrální sběrnice, a podle toho by měl být optimalizován výběr a návrh zařízení. Měly by být vybrány klíčové komponenty, jako jsou přerušovače s vysokou izolační výkoností, kontakty s vynikající odolností proti oblouku, spolehlivé pohonné mechanismy a prouhové transformátory s vhodným označením. Například izolační keramické trubičky vyrobené z pokročilých izolačních materiálů a výrobních procesů mohou zlepšit spolehlivost izolace; materiály kontaktů s vysokou odolností proti oblouku prodlužují životnost kontaktů; a dobře navržený pohonný mechanismus zajišťuje přesné a spolehlivé otevírání/zavírání za různých provozních podmínek.

4.1.2 Zlepšení sledování a údržby zařízení
Měla by být zavedena komplexní systém sledování zařízení, který bude kontinuálně sledovat provozní parametry přerušovače neutrální sběrnice, včetně elektrických parametrů, teploty, tlaku, vibrací a dalších indikátorů stavu. Přes analýzu dat lze brzy identifikovat potenciální rizika poruch. Například termografie v infračerveném spektru může být použita k sledování teplot u kontaktů a spojovacích míst; neobvyklé zvýšení teploty vyvolává časné inspekce a opravná opatření. Online sledování odporu izolace a částečných výbojků pomáhá hodnotit stav izolace. Kromě toho by měla být posílena pravidelná údržba, včetně čištění, mazání a sešroubování, aby bylo zajištěno, že zařízení zůstává v optimálním provozním stavu.

4.1.3 Zlepšení kvality provozního prostředí
Provozní prostředí přerušovače neutrální sběrnice by mělo být zlepšeno, aby bylo sníženo nepříznivé vlivy okolí. Například do transformátorových stanic mohou být instalovány systémy čištění vzduchu, které snižují obsah vzdušných kontaminantů a korozivních plynů; efektivní opatření k ovládání vlhkosti, jako jsou dehumidifikátory, mohou udržovat suché podmínky okolo zařízení. V pobřežních oblastech nebo v oblastech s vysokou průmyslovou znečištěností mohou být aplikovány speciální ochranné úpravy, jako jsou protikorozní povlaky, které zvyšují odolnost zařízení proti degradaci prostředím.

4.2 Opatření pro řešení poruch
4.2.1 Použití rychlých technologií pro diagnostiku poruch
Při detekci poruchy v přerušovači neutrální sběrnice by měly být použity rychlé technologie pro diagnostiku poruch, které umožňují přesné identifikování typu a příčiny poruchy. Inteligentní diagnostické systémy, kombinované s reálnými provozními daty a charakteristikami poruch, umožňují rychlé lokální určení poruchy prostřednictvím analýzy dat a modelových výpočtů. Například reálné časové monitorování a analýza parametrů proudu a napětí mohou pomoci určit, zda došlo k selhání izolace, poškození kontaktů nebo nefunkčnosti prouhového transformátoru; analýza vibrací může odhalit mechanické problémy v pohovém mechanismu.

4.2.2 Zavedení racionálních postupů pro řešení poruch
Měly by být vypracovány detailní a racionální postupy pro řešení poruch, aby byla zajištěna rychlá a efektivní odezva při výskytu selhání. Tyto postupy by měly zahrnovat hlášení poruch, inspekcí na místě, diagnostiku poruch, plánování oprav, provedení oprav, testování zařízení a ověření přijetí. Během celého procesu je zásadní striktní dodržování bezpečnostních protokolů k ochraně osob a zařízení. Například při řešení poruch izolace musí být nejdříve odpojena energie a vybavena uložená energie před inspekcí a opravou; po výměně komponenty musí být důkladné testování a kontrola přijetí potvrdit, že výkon odpovídá požadovaným standardům.

4.2.3 Náhradní zařízení a plány pro nouzové situace
Aby byl minimalizován dopad selhání přerušovače neutrální sběrnice na provoz systému, měla by být k dispozici náhradní zařízení a měly by být vypracovány komplexní plány pro nouzové situace. V případě vážné poruchy, která nelze rychle opravit, může být náhradní zařízení rychle nasazeno k obnovení normálního provozu systému. Pravidelná údržba a testování náhradního zařízení jsou nezbytné, aby zůstalo v dobrém stádiu připravenosti. Plán pro nouzové situace by měl stanovit postupy pro nouzovou odezvu, odpovědnosti osob, komunikační protokoly a další klíčové prvky, aby bylo možné uspořádané a efektivní řešení nouzových situací.

5. Závěr
Během blokování měničových ventilů UHV přerušovače neutrální sběrnice čelí mnoha rizikům poruch, včetně selhání izolace, nefunkčnosti pohového mechanismu, poškození kontaktů a poruch prouhových transformátorů, což může výrazně kompromitovat bezpečné a stabilní fungování systémů DC přenosu UHV. Důkladnou analýzou mechanismu blokování měničových ventilů a provozního stavu přerušovačů neutrální sběrnice v takových podmínkách byly jasně identifikovány běžné typy poruch a jejich příčiny, podpořeny podrobnými případy. Aby bylo možné efektivně prevencovat a řešit tyto poruchy, by měla být implementována preventivní opatření v oblasti výběru a návrhu zařízení, operativního sledování a údržby a zlepšení prostředí. Současně by měly být přijaty strategie pro řešení poruch, včetně rychlých diagnostických technologií, standardizovaných postupů oprav a systémů pro nouzové situace, aby byla dále zvýšena provozní spolehlivost systémů DC přenosu UHV.