Fehleranalyse des Neutralleiters-Schalters während der Blockierung von Hochspannungs-Gleichstromumrichter-Ventilen

1.Sperrengprinzip von UHV-Umrichterventilen
1.1 Arbeitsprinzip der Umrichterventile
Ultrahochspannungs-Umrichterventile (UHV) verwenden in der Regel Thyristorventile oder IGBT-Ventile, um Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) und umgekehrt zu konvertieren. Am Beispiel des Thyristorventils besteht es aus mehreren Thyristoren, die in Serie und Parallel geschaltet sind. Durch die Steuerung des Ansteuerns (Einschalten) und Abschaltens der Thyristoren regelt das Ventil den elektrischen Strom. Im normalen Betrieb konvertiert das Umrichterventil AC in DC oder DC in AC gemäß einer vordefinierten Feuerfolge und -zeit [1].

1.2 Ursachen und Prozess der Sperre des Umrichterventils
Die Sperre des Umrichterventils kann durch verschiedene Faktoren ausgelöst werden, darunter Überspannung, Überstrom, interne Bauteildefekte und Anomalien im Steuer- und Schutzsystem. Wenn solche Anomalien erkannt werden, gibt das Steuer- und Schutzsystem schnell einen Sperrebefehl, wodurch die Ansteuerung aller Thyristoren oder IGBT-Ventile eingestellt wird, was zur Sperre des Umrichterventils führt.

Während des Sperrengprozesses treten signifikante Veränderungen in den elektrischen Parametern des Systems auf. Zum Beispiel fällt auf der Rektifierseite nach der Sperre des Umrichterventils der AC-Seitenstrom schnell ab. Aufgrund der Leitungsenduktivität fällt der DC-Seitenstrom jedoch nicht sofort auf Null, sondern fließt weiterhin durch Wege wie den Neutralleiter, was einen Freilaufstrom bildet. In diesem Moment muss der Neutralleiter-Schalter schnell handeln, um den DC-Strom zu unterbrechen und die Systemgeräte vor Schäden durch übermäßigen Strom zu schützen [2].

2.Betriebsbedingungen des Neutralleiter-Schalters während der Sperre des Umrichterventils
2.1 Veränderungen der elektrischen Parameter
Wenn das Umrichterventil gesperrt wird, treten drastische Veränderungen in Spannung und Strom am Neutralleiter-Schalter auf. Auf der DC-Seite tritt infolge der Sperre des Umrichterventils ein Überstrom im Neutralleiter und angeschlossenen Geräten auf. Gleichzeitig kann aufgrund elektromagnetischer Transientvorgänge im System eine Überspannung am Neutralleiter-Schalter auftreten.

Zum Beispiel stieg in einem bestimmten UHV-Gleichstromübertragungsprojekt der Neutralleiterstrom unmittelbar nach der Sperre des Umrichterventils auf 2–3 Mal den Nennstrom an, und die Spannung am Neutralleiter-Schalter zeigte erhebliche Schwankungen, mit einem Maximum von 1,5 Mal der normalen Betriebsspannung. Tabelle 1 veranschaulicht die Veränderungen der elektrischen Parameter während der Sperre des Umrichterventils.

Tabelle 1: Veränderungen der elektrischen Parameter während der Sperre des Umrichterventils in einem bestimmten UHV-Gleichstromübertragungsprojekt

2.2 Spannungsschwankungen
Wenn der Umrichterblockiert ist, muss der Schalterschutz der Neutralleiter nicht nur elektrischen, sondern auch mechanischen Belastungen standhalten. Elektrische Belastungen entstehen hauptsächlich durch Überspannungen und -ströme, die die elektrische Erosion der Kontakte des Schalters verstärken und deren Lebensdauer verkürzen. Mechanische Belastungen resultieren hauptsächlich aus Stoßkräften, die durch den Betriebsmechanismus bei schnellen Öffnen- und Schließenvorgängen sowie durch elektromagnetische Kräfte aufgrund schneller Stromänderungen erzeugt werden. Beispielsweise können bei häufigen Blockierereignissen des Umrichters Komponenten des Betriebsmechanismus des Neutralleiterschalters locker oder abgenutzt werden, was sich negativ auf seine normale Öffnungs- und Schließleistung auswirkt [3].

3. Häufige Fehlerarten und Ursachenanalyse von Neutralleiterschaltern während der Blockierung des Umrichters
3.1 Isolierstoffversagen
3.1.1 Fehlererscheinungen
Isolierstoffversagen ist eine der häufigeren Fehlerarten für Neutralleiterschalter während der Blockierung des Umrichters. Es zeigt sich hauptsächlich durch Alterung oder Beschädigung der internen Isoliermaterialien, was zu einer Verschlechterung der Isolierleistung und zu Durchschlägen oder Brüchen führt. So sind beispielsweise in einigen langfristig betriebenen UHV-Gleichstromübertragungsprojekten Verunreinigungen und Risse an den Isolierporzellanstücken im Inneren des Neutralleiterschalters aufgetreten, was die Isolierleistung stark beeinträchtigt hat.

3.1.2 Ursachenanalyse
Die Ursachen des Isolierstoffversagens umfassen mehrere Aspekte. Erstens führt der langjährige Betrieb unter hohen Spannungen und großen Strömen zur allmählichen Alterung der Isoliermaterialien, wodurch ihre Isolierfähigkeit mit der Zeit reduziert wird. Zweitens setzen die während der Blockierung des Umrichters auftretenden Überspannungen und -ströme den Isoliermaterialien starke Belastungen aus, was den Alterungsprozess beschleunigt. Darüber hinaus führen ungünstige Betriebsbedingungen, wie hohe Luftfeuchtigkeit und hohe Verschmutzung, dazu, dass sich Verunreinigungen auf den Isolierflächen ansammeln, was die Isolierleistung weiter verschlechtert. Beispielsweise bildet sich in einem UHV-Gleichstromübertragungsprojekt in Küstennähe mit hoher Luftfeuchtigkeit und salzhaltiger Luft leicht eine leitfähige Schicht auf der Oberfläche der Isolierporzellane des Neutralleiterschalters, was die Isolierstärke erheblich verringert und zu häufigen Durchschlagsfehlern führt.

3.2 Betriebsmechanismusversagen
3.2.1 Fehlererscheinungen
Betriebsmechanismusversagen zeigt sich hauptsächlich in ungewöhnlichen Öffnungs- und Schließzeiten oder in Fehlfunktionen beim Öffnen und Schließen (Verweigerung). Beispielsweise kann der Neutralleiterschalter während der Blockierung des Umrichters übermäßig lange Öffnungszeiten aufweisen, was die prompte Unterbrechung des Gleichstroms verhindert, oder es kann zu Fehlfunktionen beim Schließen kommen, was zu schlechten Kontakten führt.

3.2.2 Ursachenanalyse
Die Ursachen von Betriebsmechanismusversagen sind komplex. Einerseits degradieren mechanische Komponenten aufgrund häufiger Operationen mit der Zeit, was zu Verschleiß oder Verformungen führt, die die Leistung beeinträchtigen. So können Federn im Mechanismus aufgrund von Ermüdung ihre Elastizität verlieren, was zu unzureichender Öffnungs- und Schließkraft führt. Andererseits können Störungen im Steuerkreis, wie Relaisversagen oder kaputte Steuerkabel, dazu führen, dass der Mechanismus Befehle nicht korrekt empfängt oder ausführt. Darüber hinaus kann elektromagnetische Störung während der Blockierung des Umrichters Steuersignale stören, was zu Fehlfunktionen oder Verweigerungen führt. Beispielsweise wurden in einem bestimmten UHV-Gleichstromübertragungsprojekt Steuerkabel, die in der Nähe von Hochstromleitern verlegt waren, während der Blockierung durch starke magnetische Störungen beeinträchtigt, was zur Verweigerung des Schalters führte.

3.3 Kontaktversagen
3.3.1 Fehlererscheinungen
Kontaktversagen umfasst hauptsächlich Kontaktverwitterung, erhöhten Kontaktwiderstand und Kontaktschweißen. Während der Blockierung des Umrichters, wenn der Neutralleiterschalter große Ströme unterbricht, bilden sich Hochtemperaturbögen, die die Kontaktoberflächen verwittern. Eine langanhaltende Verwitterung führt zu ungleichmäßigen Kontaktoberflächen und höherem Widerstand, was den normalen Betrieb beeinträchtigt. In schweren Fällen können die Kontakte miteinander verschweißen, was das Öffnen des Schalters verhindert.

3.3.2 Ursachenanalyse
Die Hauptursache für Kontaktversagen ist der große Strom und der Hochtemperaturbogen, der während der Blockierung des Umrichters entsteht. Der große Stromfluss produziert Joulesche Wärme, die die Kontaktemperaturen ansteigen lässt, während die intensive Hitze des Bogens die Verwitterung beschleunigt. Zusätzlich beeinflussen die Eigenschaften und die Herstellungsqualität der Kontaktmaterialien die Bogendichte. Kontakte, die aus Materialien hergestellt sind, die eine geringe Hochtemperatur- oder Bogendichte aufweisen, oder die mit minderwertigen Prozessen hergestellt werden, sind anfälliger für Verwitterung. Beispielsweise wurde in einem UHV-Gleichstromprojekt ein Neutralleiterschalter mit Kontakten eingesetzt, die eine unzureichende Bogendichte aufwiesen; nach mehreren Blockierereignissen trat eine schwere Verwitterung auf, was den Kontaktwiderstand erheblich erhöhte und den normalen Betrieb störte.

3.4 Transformatorenversagen
3.4.1 Fehlererscheinungen
Transformatorenversagen umfasst hauptsächlich offene Sekundärkreise, Wickelisolierschäden und Kernsättigung. Während der Blockierung des Umrichters setzt die abrupte Änderung des Gleichstroms den Stromtransformator stark unter Spannung, was ihn anfällig für Versagen macht. Beispielsweise kann ein offener Sekundärkreis gefährlich hohe Spannungen erzeugen, die Geräte und Personen gefährden; Wickelisolierschäden können zu internen Kurzschlüssen führen, die die Messgenauigkeit beeinträchtigen; und die Kernsättigung erhöht die Messfehler, was möglicherweise zu falschen Schutzaktionen führt.

3.4.2 Ursachenanalyse
Ursachen für Transformatorenversagen umfassen Folgendes: Erstens setzt der Überstrom während der Blockierung des Umrichters die Wicklungen unter hohe thermische und elektromagnetische Belastungen, was die Isolierung schädigen kann. Zweitens verschlechtert sich die Isolierleistung natürlicherweise mit der Zeit, was die Transformatoranfälligkeit für Versagen unter abnormalen Bedingungen wie der Blockierung erhöht. Darüber hinaus kann eine fehlerhafte Konstruktion oder Auswahl, wie z. B. ein falscher Nennstrom oder Genauigkeitsklasse, zu einer Kernsättigung während der Blockierung führen. Beispielsweise war in einem UHV-Gleichstromprojekt der Nennstrom des Stromtransformators zu niedrig; während der Blockierung sättigte sich der Kern schnell, vermochte den Strom nicht genau zu messen und führte zu Fehlfunktionen der Schutzrelais.

Um das Verhältnis der einzelnen Fehlerarten bei Ausfällen von Neutralleiterschaltkreisen während des Blockierens von Umrichterventilen besser zu verstehen, wurde in dieser Arbeit eine statistische Analyse von Fehlern aus mehreren UHV-Gleichstromübertragungsprojekten durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2: Anteil der Fehlerarten von Neutralleiterschaltkreisen während des Blockierens von UHV-Umrichterventilen

4.Maßnahmen zur Verhinderung und Behandlung von Fehlern an Neutralleitungs-Schaltgeräten während der Blockierung von UHV-Umrichterventilen
4.1 Maßnahmen zur Fehlerverhinderung
4.1.1 Optimierung der Ausrüstungsauswahl und -gestaltung
Während der Bauphase von UHV-Gleichstromübertragungsprojekten sollten die Auswirkungen ungewöhnlicher Bedingungen wie die Blockierung von Umrichterventilen auf Neutralleitungs-Schaltgeräte vollständig berücksichtigt werden, und die Ausrüstungsauswahl und -gestaltung sollten entsprechend optimiert werden. Wichtige Komponenten—wie Schaltgeräte mit hoher Isolierleistung, kontaktmaterialien mit ausgezeichneter Bogenwiderstandsfähigkeit, zuverlässige Betriebsmechanismen und geeignet dimensionierte Stromwandler—sollten ausgewählt werden. Zum Beispiel können Isolatorkeramikrohre aus fortschrittlichen Isoliermaterialien und Herstellungsprozessen die Isolierzuverlässigkeit erhöhen; Kontaktmaterialien mit starker Bogenwiderstandsfähigkeit verlängern die Lebensdauer der Kontakte; und ein gut gestalteter Betriebsmechanismus gewährleistet eine präzise und zuverlässige Öffnung/Schließung unter verschiedenen Betriebsbedingungen.

4.1.2 Verbesserung der Ausrüstungsüberwachung und -wartung
Ein umfassendes Ausrüstungsüberwachungssystem sollte eingerichtet werden, um die Betriebsparameter des Neutralleitungs-Schaltgeräts kontinuierlich zu überwachen, einschließlich elektrischer Parameter, Temperatur, Druck, Vibration und anderer Statusindikatoren. Durch Datenanalyse können potenzielle Fehlerrisiken frühzeitig erkannt werden. Beispielsweise kann Infrarot-Thermografie verwendet werden, um Temperaturen an Kontakten und Verbindungspunkten zu überwachen; abnorme Temperaturanstiege lösen zeitnahe Inspektionen und Korrekturmaßnahmen aus. Die Online-Überwachung der Isolationswiderstände und partiellen Entladungen hilft, den Isolationszustand zu bewerten. Darüber hinaus sollten routinemäßige Wartungsmaßnahmen—einschließlich Reinigung, Schmierung und Festziehen—verstärkt werden, um sicherzustellen, dass die Ausrüstung in optimalen Betriebszustand bleibt.

4.1.3 Verbesserung der Betriebsumgebung
Die Betriebsumgebung des Neutralleitungs-Schaltgeräts sollte verbessert werden, um negative Umweltauswirkungen zu mildern. Zum Beispiel können Luftreinigungssysteme in Umspannwerken installiert werden, um luftgetragene Verunreinigungen und korrosive Gase zu reduzieren; effektive Feuchtigkeitskontrollmaßnahmen—wie Entfeuchter—können trockene Bedingungen um die Ausrüstung herum aufrechterhalten. In Küstengebieten oder stark industriell verschmutzten Gebieten können spezielle Schutzbehandlungen—wie Korrosionsschutzbeschichtungen—angewendet werden, um den Widerstand der Ausrüstung gegen Umweltverschleiß zu erhöhen.

4.2 Maßnahmen zur Fehlerbehandlung
4.2.1 Anwendung schneller Fehlerdiagnosetechnologien
Wenn ein Fehler am Neutralleitungs-Schaltgerät festgestellt wird, sollten schnelle Fehlerdiagnosetechnologien eingesetzt werden, um den Fehlertyp und die Ursache genau zu identifizieren. Intelligente Diagnosesysteme, kombiniert mit Echtzeit-Betriebsdaten und Fehlercharakteristika, ermöglichen durch Datenanalyse und modellbasierte Berechnungen eine schnelle Fehlerlokalisation. Zum Beispiel kann die Echtzeitüberwachung und Analyse von Strom- und Spannungsparametern helfen, festzustellen, ob es zu einer Isolierstoffversagen, Kontaktbeschädigung oder einem Defekt des Stromwandlers gekommen ist; Vibrationsanalyse kann mechanische Probleme im Betriebsmechanismus offenbaren.

4.2.2 Aufbau rationaler Fehlerbehandlungsverfahren
Detaillierte und rationale Fehlerbehandlungsverfahren sollten entwickelt werden, um bei Fehlern eine schnelle und effektive Reaktion zu gewährleisten. Diese Verfahren sollten die Meldung von Fehlern, die Ortsterminschau, die Fehlerdiagnose, die Planung von Reparaturen, die Durchführung von Reparaturen, die Ausrüstungstests und die Abnahmeprüfung umfassen. Während des gesamten Prozesses ist es entscheidend, Sicherheitsprotokolle streng einzuhalten, um das Personal und die Ausrüstung zu schützen. Zum Beispiel muss bei der Behandlung von Isolierstofffehlern zunächst die Stromversorgung getrennt und die gespeicherte Energie abgegeben werden, bevor eine Inspektion und Reparatur durchgeführt werden kann; nach dem Austausch von Komponenten müssen strenge Tests und Abnahmeprüfungen bestätigen, dass die Leistung den erforderlichen Standards entspricht.

4.2.3 Notfall-Ersatzgeräte und Notfallpläne
Um die Auswirkungen von Fehlern an Neutralleitungs-Schaltgeräten auf den Systembetrieb zu minimieren, sollten Notfall-Ersatzgeräte verfügbar sein und umfassende Notfallpläne erstellt werden. Im Falle eines schweren Fehlers, der nicht schnell repariert werden kann, können Ersatzgeräte schnell eingesetzt werden, um den normalen Systembetrieb wiederherzustellen. Regelmäßige Wartung und Prüfung der Ersatzgeräte sind notwendig, um sicherzustellen, dass sie in gutem Standby-Zustand bleiben. Der Notfallplan sollte Notfallreaktionsverfahren, personelle Verantwortlichkeiten, Kommunikationsprotokolle und andere Schlussellemente angeben, um eine geordnete und effiziente Notfallbehandlung zu ermöglichen.

5.Schlussfolgerung
Während der Blockierung von UHV-Umrichterventilen stehen Neutralleitungs-Schaltgeräte mehreren Fehlerrisiken gegenüber—einschließlich Isolierstoffversagen, Fehlfunktionen des Betriebsmechanismus, Kontaktbeschädigungen und Stromwandlerdefekte—die alle den sicheren und stabilen Betrieb von UHV-Gleichstromübertragungssystemen erheblich beeinträchtigen können. Durch eine gründliche Analyse des Blockiermechanismus der Umrichterventile und des Betriebszustands der Neutralleitungs-Schaltgeräte unter solchen Bedingungen wurden gängige Fehlertypen und deren Ursachen klar identifiziert, unterstützt durch detaillierte Fallstudien. Um diese Fehler wirksam zu verhindern und zu behandeln, sollten präventive Maßnahmen in der Ausrüstungsauswahl und -gestaltung, der Betriebsüberwachung und -wartung sowie der Umweltverbesserung implementiert werden. Gleichzeitig sollten Fehlerbehandlungsstrategien—einschließlich schneller Diagnosetechnologien, standardisierter Reparaturverfahren und Notfall-Systeme—eingeführt werden, um die Betriebszuverlässigkeit von UHV-Gleichstromübertragungssystemen weiter zu verbessern.