Fejlanalyse af nul-ledningsbryder under blokering af ultra-højspændingskonverterventiler

1.Spærringsprincip for ultra-højspændingskonverterventiler
1.1 Funktionelle principper for konverterventiler
Ultra-højspændings (UHV) konverterventiler anvender typisk thyristorventiler eller isoleret-gate bipolære transistor (IGBT) ventiler til at konvertere vekselstrøm (AC) til gennemstrøm (DC) og vice versa. Med thyristorventilen som eksempel består den af flere thyristorer forbundet i serie og parallel. Ved at kontrollere tænding (slå på) og slukning af thyristorerne, regulerer og konverterer ventilen elektrisk strøm. Under normal drift konverterer konverterventilen AC til DC eller DC til AC ifølge en prædefineret tændningssekvens og timing [1].

1.2 Årsager og proces for spærring af konverterventil
Spærring af konverterventil kan udløses af forskellige faktorer, herunder overspænding, overstrøm, interne komponentfejl, og anomalier i kontrol- og beskyttelsessystemet. Når sådanne anomalier opdages, udsteder kontrol- og beskyttelsessystemet hurtigt en spærrebefaling, hvilket stopper tændingen af alle thyristorer eller IGBT-ventiler, og dermed sperrer konverterventilen.

Under spærringsprocessen forekommer betydelige ændringer i systemets elektriske parametre. For eksempel falder vekselstrømsstrømmen på rektifierens side hurtigt, når konverterventilen er spærret. Pga. lindeinduktance falder dog strømmen på gennemstrømsiden ikke med det samme til nul, men fortsætter med at flyde gennem veje som neutralbusbar, hvorved en frihjulsstrøm dannes. I dette øjeblik skal neutralbusbarbryderen operere hurtigt for at afbryde gennemstrømsstrømmen og beskytte systemets udstyr mod skader forårsaget af overskridelse af strøm [2].

2.Driftsforhold for neutralbusbarbryder under spærring af konverterventil
2.1 Ændringer i elektriske parametre
Når konverterventilen er spærret, forekommer drastiske ændringer i spænding og strøm over neutralbusbarbryderen. På gennemstrømsiden, da den spærrede konverterventil forhindrer normal strømføring, opstår overstrøm i neutralbusbar og relaterede udstyr. Samtidig kan overvoltage opstå over neutralbusbarbryderen pga. elektromagnetiske transiente processer i systemet.

For eksempel, i et bestemt UHV DC transmissionsprojekt, steg neutralbusbarstrømmen umiddelbart til 2–3 gange den nominale strøm, og spændingen over neutralbusbarbryderen viste betydelige fluktueringer, med toppe på 1,5 gange den normale driftsspænding, efter spærring af konverterventilen. Tabel 1 viser grafisk ændringerne i de elektriske parametre under spærring af konverterventilen.

Tabel 1: Ændringer i de elektriske parametre under spærring af konverterventil i et bestemt UHV DC transmissionsprojekt

2.2 Spændingsvariationer
Når omformeren er blokeret, skal neutralbusbarbryderen ikke kun modstå elektrisk spænding, men også mekanisk spænding. Elektrisk spænding opstår hovedsageligt som følge af overspænding og overstrøm, hvilket forstærker den elektriske erosion af bryderkontakterne og forkorter deres levetid. Mekanisk spænding opstår primært som følge af stød fra driftsmechanikken under hurtige åbnings- og lukningsoperationer samt elektromagnetiske kræfter, der skyldes hurtige strømændringer. For eksempel kan komponenter i driftsmechanikken til neutralbusbarbryderen blive løs eller slidt, når der ofte forekommer blokering af omformeren, hvilket negativt påvirker dens normale åbnings- og lukningsydeevne [3].

3.Almindelige fejltyper og årsagsanalyse for neutralbusbarbrydere under blokering af UHV-omformer
3.1 Isolationsfejl
3.1.1 Fejlmanifestationer
Isolationsfejl er en af de mere almindelige fejltyper for neutralbusbarbrydere under blokering af omformer. Den manifesterer sig hovedsageligt som aldring eller skade på interne isolerende materialer, hvilket fører til nedsat isolationsydeevne og resulterer i flaskehals eller nedbrydning. For eksempel har det i nogle projekter med langvarig UHV DC-transmission vist sig, at ydersiden af isolerende porcelænsbushinge i neutralbusbarbryderen er blevet forurenet og har fået sprækker, hvilket alvorligt nedsætter isolationsydeevnen.

3.1.2 Årsagsanalyse
Årsagerne til isolationsfejl inkluderer flere aspekter. For det første aldrer isolerende materialer gradvist under længere tids drift ved høj spænding og stor strøm, hvilket reducerer deres isolationskapacitet over tid. For det andet udsættes isolerende materialer for alvorlig spænding fra overspænding og overstrøm, der opstår under blokering af omformer, hvilket forhaster aldringsprocessen. Desuden forårsager hårde driftsbetingelser – såsom høj fuktighed og tung forurening – akkumulation af kontaminanter på isolerende overflader, hvilket yderligere nedsætter isolationsydeevnen. For eksempel dannes der let en ledende film på overfladen af neutralbusbarbryderens isolerende porcelæn i et kystnært UHV DC-transmissionsprojekt med høj fuktighed og saltindhold i luften, hvilket betydeligt nedsætter isolationsstyrken og forårsager hyppige flaskehalsfejl.

3.2 Driftsmechanikfejl
3.2.1 Fejlmanifestationer
Driftsmechanikfejl manifesterer sig hovedsageligt som anormale åbnings-/lukningstider eller manglende åbning/lukning (afvisning). For eksempel kan neutralbusbarbryderen under blokering af omformer vise for lange åbningsperioder, hvorved den ikke kan afbryde DC-strømmen hurtigt nok, eller den kan ikke lukke korrekt, hvilket resulterer i dårlig kontakt.

3.2.2 Årsagsanalyse
Årsagerne til driftsmechanikfejl er komplekse. På den ene side degraderer mekaniske komponenter over tid som følge af hyppige operationer, hvilket fører til slitage eller deformering, der påvirker ydeevnen. For eksempel kan fjederne i mekanikken miste elasticiteten som følge af træthed, hvilket resulterer i utilstrækkelig åbnings-/lukningskraft. På den anden side kan fejl i kontrolcircuitet – såsom relæfejl eller brudte kontrolledninger – forhindre mekanikken i at modtage eller udføre kommandoer korrekt. Desuden kan elektromagnetisk støj under blokering af omformer forstyrre kontrolsignal, hvilket kan forårsage fejl eller afvisning. For eksempel oplevede kontrolledninger nær højstrømsbusbare stærk magnetisk støj under blokering af omformer i et bestemt UHV DC-transmissionsprojekt, hvilket forhindrede bryderen i at åbne.

3.3 Kontaktsammenbrud
3.3.1 Fejlmanifestationer
Kontaktsammenbrud inkluderer primært kontakterosion, øget kontaktmodstand og kontaktfrynsning. Under blokering af omformer, når neutralbusbarbryderen afbryder store strømme, dannes højt tempererede buer, hvilket forårsager erosion af kontaktoverfladerne. Prolongeret erosion fører til ulige kontaktoverflader og højere modstand, hvilket påvirker den normale drift. I alvorlige tilfælde kan kontakterne fryses sammen, hvilket forhindrer bryderen i at åbne.

3.3.2 Årsagsanalyse
Hovedårsagen til kontaktsammenbrud er de store strømme og højt tempererede buer, der dannes under blokering af omformer. Større strømme producerer Joules varme, hvilket øger kontaktemperaturen, mens buens intense varme accelererer erosionsprocessen. Desuden påvirkes arkbestandigheden af egenskaberne hos kontaktmaterialerne og produktionskvaliteten. Kontakter lavet af materialer med dårlig højttemperatur- eller arkbestandighed, eller dem, der er produceret med lav standard, er mere udsat for erosion. For eksempel anvendte man i et UHV DC-projekt kontakter med utilstrækkelig arkbestandighed; efter flere blokeringshændelser opstod alvorlig erosion, hvilket betydeligt øgede kontaktmodstanden og forstyrrede den normale drift.

3.4 Strømtransformatorfejl
3.4.1 Fejlmanifestationer
Strømtransformatorfejl inkluderer hovedsageligt sekundærside åbne circuit, vindingisolationsbeskadigelse og kerneoversættelse. Under blokering af omformer udsættes strømtransformator for betydelig spænding som følge af pludselige ændringer i DC-strøm, hvilket gør den sårbar over for fejl. For eksempel kan en åben sekundær circuit producere farligt høje spændinger, som kan true udstyr og personale; vindingisolationsbeskadigelse kan forårsage interne kortslutninger, hvilket nedsætter målepræcisionen; og kerneoversættelse øger målefejl, hvilket potentielt kan udløse forkerte beskyttelsesaktioner.

3.4.2 Årsagsanalyse
Årsagerne til strømtransformatorfejl inkluderer følgende: For det første udsættes vindinger for høj termisk og elektromagnetisk spænding som følge af overstrøm under blokering af omformer, hvilket muligvis kan beskadige isolation. For det andet degraderer isolationsydeevnen naturligt over tid, hvilket gør transformatorer mere sårbar over for fejl under usædvanlige forhold som blokering af omformer. Desuden kan ukorrekt design eller valg – som forkert nominelstrøm eller præcisionsklasse – føre til kerneoversættelse under blokeringshændelser. For eksempel var den nominelle strøm for strømtransformatoren for lav i et UHV DC-projekt; under blokering af omformer blev kernen hurtigt oversat, hvilket resulterede i inakkurat strømmåling og forårsagede, at beskyttelsesrelæerne fungerede forkert.

For at bedre forstå andelen af hvert fejltype blandt fejl i neutral busbar circuit breaker under blokering af konverteringsventiler, blev der foretaget en statistisk analyse af fejldata fra flere UHV DC-transmissionsprojekter. Resultaterne vises i tabel 2.

Tabel 2: Andel af fejltyper i neutral busbar circuit breaker under blokering af UHV konverteringsventiler

4.Fejlforebyggende og -håndteringsforanstaltninger for neutral busbar strømbrydere under UHV omformer blokering
4.1 Fejlforebyggende foranstaltninger
4.1.1 Optimering af udstyrsvælgning og -design
Under konstruktionsfasen af UHV DC overføringsprojekter bør virkningen af anormale betingelser som omformerblokering på neutral busbar strømbrydere fuldt ud tages i betragtning, og udstyrsvælgning og -design bør optimeres derfor. Nøglekomponenter—såsom strømbrydere med høj isolationsydelse, kontakter med fremragende bugefasthed, pålidelige driftmekanismer og passende strømtransformatorer—bør vælges. For eksempel kan isolerende porcelænspipper lavet af avancerede isoleringsmaterialer og produktionsprocesser forbedre isolationspålidelighed; kontaktmaterialer med stærk bugefasthed forlænger kontaktlivstiden; og et godt designet driftmekanisme sikrer præcis og pålidelig åbning/lukning under forskellige driftsbetingelser.

4.1.2 Forbedret udstyrsovervågning og vedligeholdelse
Der bør oprettes et omfattende udstyrsovervågningssystem for at kontinuerligt overvåge driftsparametrene for den neutrale busbar strømbryder, herunder elektriske parametre, temperatur, tryk, vibration og andre statusindikatorer. Gennem dataanalyse kan potentielle fejlrisici identificeres tidligt. For eksempel kan infrarød termografi bruges til at overvåge temperaturen ved kontakter og forbindelsespunkter; abnorme temperaturstigninger udløser tidsbegrænsede inspektioner og korrektive foranstaltninger. Online overvågning af isolationsmodstand og partielle udladninger hjælper med at vurdere isolationsforhold. Desuden bør rutinemæssigt vedligeholdelse, herunder rengøring, smøring og fastsmitning, styrkes for at sikre, at udstyret befinder sig i optimal driftsstand.

4.1.3 Forbedring af driftsmiljøets kvalitet
Driftsmiljøet for den neutrale busbar strømbryder bør forbedres for at mildne negative miljøeffekter. For eksempel kan luftrensningssystemer installeres i transformerstationer for at reducere luftbårne forurenende stoffer og korrosive gasser; effektive fugtkontrolforanstaltninger, såsom fugtigmaskiner, kan opretholde tørre forhold omkring udstyret. I kystområder eller tungt industrielt forurenet områder kan specielle beskyttelsesbehandlinger, såsom antikorrosionsbelægninger, anvendes for at forbedre udstyrets modstandskraft mod miljørelateret nedbrydning.

4.2 Fejlhåndteringsforanstaltninger
4.2.1 Anvendelse af hurtige fejldiagnose teknologier
Når en fejl registreres i den neutrale busbar strømbryder, bør hurtige fejldiagnoseteknologier anvendes for at præcist identificere fejltypen og rodårsårsagen. Intelligente diagnostiske systemer, kombineret med realtid driftsdata og fejlkarakteristika, gør det muligt at hurtigt lokalisere fejl gennem dataanalyse og modelbaserede beregninger. For eksempel kan realtid overvågning og analyse af strøm- og spændingsparametre hjælpe med at bestemme, om isoleringsfejl, kontaktbeskadigelse eller strømtransformatorfejl er opstået; vibrationsanalyse kan afsløre mekaniske problemer i driftsmekanismen.

4.2.2 Opbygning af rationelle fejlhåndteringsprocedurer
Detaljerede og rationelle fejlhåndteringsprocedurer bør udvikles for at sikre hurtig og effektiv reaktion, når fejl opstår. Disse procedurer bør inkludere fejlrapportering, stedlige inspektioner, fejldiagnose, reparationplanlægning, implementering af reparationer, udstyrstest og acceptkontrol. Gennem hele processen er streng overholdelse af sikkerhedsprotokoller essentiel for at beskytte personale og udstyr. For eksempel, når man håndterer isoleringsfejl, skal strømmen først afbrydes, og lagret energi måtte frigives, inden inspektion og reparation; efter komponentudskiftning skal strenge test og acceptkontroller bekræfte, at ydeevnen opfylder de påkrævede standarder.

4.2.3 Nødbackupudstyr og nødsituationsplaner
For at minimere effekten af fejl i den neutrale busbar strømbryder på systemdriften bør nødbackupudstyr være til rådighed, og omfattende nødsituationsplaner bør udformes. I tilfælde af alvorlige fejl, der ikke kan rettes hurtigt, kan backupudstyr hurtigt mobiliseres for at genskabe normal systemdrift. Regelmæssigt vedligehold og test af backupudstyr er nødvendigt for at sikre, at det befinder sig i god stand-by-betingelse. Nødsituationsplanen bør angive nødreaktionsprocedurer, personaleansvar, kommunikationsprotokoller og andre nøgleelementer for at muliggøre ordnet og effektiv nødhåndtering.

5.Konklusion
Under UHV omformer blokering står neutrale busbar strømbrydere over for flere fejlrisici—herunder isoleringsfejl, driftsmekanismefejl, kontaktbeskadigelse og strømtransformatorfejl—allerede kan dette betydeligt kompromittere sikker og stabil drift af UHV DC overføringssystemer. Ved grundig analyse af omformerblokeringens mekanisme og driftstillstanden for den neutrale busbar strømbryder under disse betingelser er de almindelige fejltyper og deres årsager klart identificeret, understøttet af detaljerede casestudier. For at effektivt forebygge og håndtere disse fejl bør forebyggende foranstaltninger implementeres i udstyrsvælgning og -design, driftsovervågning og vedligeholdelse samt miljøforbedringer. Samtidig bør fejlhåndteringsstrategier, herunder hurtige diagnostiske teknologier, standardiserede reparationprocedurer og nødbackupsystemer, anvendes for at yderligere forbedre driftsfiabiliteten af UHV DC overføringssystemer.