Ανάλυση Αποτυχίας του Διαχωριστή Μεσαίας Γραμμής Κατά την Απόσυρση των Εντολών Υψηλής Τάσης

1. Αρχή Κλειδώματος των Μετατροπέων Διόδων υψηλής υπερβολικής τάσης
1.1 Λειτουργία των Μετατροπέων Διόδων
Οι μετατροπείς διόδοι υψηλής υπερβολικής τάσης (UHV) επιτυγχάνουν συνήθως τη μετατροπή του εναλλασσόμενου στροφούμενου ρεύματος (AC) σε έναν τροχούμενο ρεύμα (DC) και αντίστροφα, χρησιμοποιώντας διόδους thyristor ή διόδους με αμφίδρομη πύλη βιπόλης (IGBT). Ως παράδειγμα, οι διόδοι thyristor αποτελούνται από πολλαπλούς thyristors που είναι συνδεδεμένοι σε σειρά και παράλληλα. Ελέγχοντας την εναρξη (turn-on) και τη λήξη (turn-off) των thyristors, ο μετατροπέας διοδών ρυθμίζει και μετατρέπει το ηλεκτρικό ρεύμα. Κατά την κανονική λειτουργία, ο μετατροπέας διοδών μετατρέπει το AC σε DC ή DC σε AC σύμφωνα με ένα προκαθορισμένο χρονοδιάγραμμα και χρονισμό [1].

1.2 Αιτίες και Διαδικασία Κλειδώματος του Μετατροπέα Διόδων
Το κλείδωμα του μετατροπέα διόδων μπορεί να προκλαστεί από διάφορους παράγοντες, συμπεριλαμβανομένης της υπερτάσης, της υπερισχύουσας ροής, των αποτυχιών εσωτερικών συστατικών και των ανωμαλιών στο σύστημα ελέγχου και προστασίας. Όταν ανιχνεύονται τέτοιες ανωμαλίες, το σύστημα ελέγχου και προστασίας εκδίδει γρήγορα έναν ισχυρισμό κλειδώματος, τερματίζοντας την εναρξη (triggering) όλων των thyristors ή IGBT διόδων, έτσι ώστε να κλειδώνεται ο μετατροπέας διόδων.

Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας κλειδώματος, σημαντικές αλλαγές συμβαίνουν στους ηλεκτρικούς παράμετρους του συστήματος. Για παράδειγμα, στην πλευρά του ορθογωνίου, μετά το κλείδωμα του μετατροπέα διόδων, η ροή ρεύματος του AC μειώνεται γρήγορα. Ωστόσο, λόγω της γραμμικής εμπεδότητας, η ροή ρεύματος του DC δεν μειώνεται αμέσως σε μηδέν, αλλά συνεχίζει να ρέει μέσω διαδρομών όπως η ουδέτερη λωρίδα, δημιουργώντας μια ροή ρεύματος ελεύθερης περιστροφής. Σε αυτή τη στιγμή, ο διακόπτης της ουδέτερης λωρίδας πρέπει να λειτουργήσει γρήγορα για να διακόψει την ροή ρεύματος του DC και να προστατεύσει το σύστημα από ζημιές που προκαλούνται από υπερβολική ροή ρεύματος [2].

2. Συνθήκες Λειτουργίας του Διακόπτη Ουδέτερης Λωρίδας Κατά τη Διάρκεια Κλειδώματος του Μετατροπέα Διόδων
2.1 Αλλαγές στους Ηλεκτρικούς Παράμετρους
Όταν κλειδώνεται ο μετατροπέας διόδων, οι τάσεις και οι ροές ρεύματος στον διακόπτη της ουδέτερης λωρίδας υποστηρίζουν αιφνίδιες αλλαγές. Στην πλευρά του DC, καθώς ο κλειδωμένος μετατροπέας διόδων εμποδίζει την κανονική ροή ρεύματος, παρατηρείται υπερροή ρεύματος στην ουδέτερη λωρίδα και τα συναφή εξοπλισμό. Παράλληλα, λόγω των ενδοστροφικών μεταβατικών διεργασιών στο σύστημα, μπορεί να εμφανιστεί υπερτάση στον διακόπτη της ουδέτερης λωρίδας.

Για παράδειγμα, σε ένα συγκεκριμένο έργο μεταφοράς UHV DC, μετά το κλείδωμα του μετατροπέα διόδων, η ροή ρεύματος της ουδέτερης λωρίδας αυξήθηκε αμέσως σε 2-3 φορές την ροή ρεύματος της ονομαστικής τιμής, ενώ η τάση στον διακόπτη της ουδέτερης λωρίδας εμφάνισε σημαντικές διακυμάνσεις, κορυφώνοντας σε 1,5 φορές την κανονική λειτουργική τάση. Το Πίνακας 1 παρουσιάζει οπτικά τις αλλαγές των ηλεκτρικών παραμέτρων κατά τη διάρκεια του κλειδώματος του μετατροπέα διόδων.

Πίνακας 1: Αλλαγές των Ηλεκτρικών Παραμέτρων Κατά τη Διάρκεια Κλειδώματος του Μετατροπέα Διόδων σε Ένα Συγκεκριμένο Έργο Μεταφοράς UHV DC

2.2 Μεταβολές Τάσης
Όταν ο ανορθωτής βαλβίδα είναι αποκλεισμένος, ο διακόπτης ουδέτερου αγωγού πρέπει να αντέχει όχι μόνο ηλεκτρική τάση αλλά και μηχανική τάση. Η ηλεκτρική τάση προκύπτει κυρίως από υπερτάσεις και υπερρεύματα, τα οποία εντείνουν την ηλεκτρική διάβρωση των επαφών του διακόπτη και μειώνουν τη διάρκεια ζωής τους. Η μηχανική τάση προκύπτει κυρίως από τις δυνάμεις κρούσης που παράγονται από τον μηχανισμό λειτουργίας κατά το γρήγορο άνοιγμα και κλείσιμο, καθώς και από τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις που προκαλούνται από τις γρήγορες αλλαγές ρεύματος. Για παράδειγμα, σε συχνά γεγονότα αποκλεισμού ανορθωτή βαλβίδας, τα εξαρτήματα του μηχανισμού λειτουργίας του διακόπτη ουδέτερου αγωγού μπορεί να χαλαρώσουν ή να φθαρούν, με αρνητική επίδραση στην κανονική λειτουργία ανοίγματος και κλεισίματος [3].

3. Συνηθισμένοι Τύποι Βλαβών και Ανάλυση Αιτιών των Διακοπτών Ουδέτερου Αγωγού κατά τον Αποκλεισμό Βαλβίδας UHV Ανορθωτή
3.1 Αποτυχία Μόνωσης
3.1.1 Εμφάνιση Βλαβών
Η αποτυχία μόνωσης είναι ένας από τους πιο συνηθισμένους τύπους βλάβης για τους διακόπτες ουδέτερου αγωγού κατά τον αποκλεισμό της βαλβίδας ανορθωτή. Εμφανίζεται κυρίως ως γήρανση ή ζημιά των εσωτερικών υλικών μόνωσης, με αποτέλεσμα την υποβάθμιση της απόδοσης μόνωσης και την πρόκληση διάσπασης ή διάσπασης της μόνωσης. Για παράδειγμα, σε ορισμένα έργα μεταφοράς UHV DC με μακρά λειτουργία, έχουν εμφανιστεί ρωγμές και μόλυνση στην επιφάνεια των μονωτικών πορσελάνων εσωτερικά του διακόπτη ουδέτερου αγωγού, με σοβαρή υποβάθμιση της απόδοσης μόνωσης.

3.1.2 Ανάλυση Αιτιών
Οι αιτίες της αποτυχίας μόνωσης περιλαμβάνουν αρκετές πτυχές. Πρώτον, η παρατεταμένη λειτουργία υπό υψηλή τάση και μεγάλο ρεύμα προκαλεί σταδιακή γήρανση των υλικών μόνωσης, με μείωση της ικανότητας μόνωσης με την πάροδο του χρόνου. Δεύτερον, οι υπερτάσεις και τα υπερρεύματα που παράγονται κατά τον αποκλεισμό της βαλβίδας ανορθωτή επιβάλλουν σοβαρή τάση στα υλικά μόνωσης, επιταχύνοντας τη διαδικασία γήρανσης. Επιπλέον, δύσκολες συνθήκες λειτουργίας—όπως υψηλή υγρασία και έντονη ρύπανση—προκαλούν συσσώρευση ρύπων στις επιφάνειες μόνωσης, περαιτέρω υποβαθμίζοντας την απόδοση μόνωσης. Για παράδειγμα, σε ένα παράκτιο έργο μεταφοράς UHV DC με υψηλή υγρασία και αέρα πλούσιο σε αλάτι, δημιουργείται εύκολα αγώγιμο φιλμ στην επιφάνεια της μονωτικής πορσελάνης του διακόπτη ουδέτερου αγωγού, με σημαντική μείωση της αντοχής μόνωσης και συχνές βλάβες διάσπασης.

3.2 Αποτυχία Μηχανισμού Λειτουργίας
3.2.1 Εμφάνιση Βλαβών
Οι βλάβες του μηχανισμού λειτουργίας εμφανίζονται κυρίως ως ανώμαλοι χρόνοι ανοίγματος/κλεισίματος ή αποτυχία ανοίγματος/κλεισίματος (άρνηση λειτουργίας). Για παράδειγμα, κατά τον αποκλεισμό της βαλβίδας ανορθωτή, ο διακόπτης ουδέτερου αγωγού μπορεί να εμφανίζει υπερβολικά μεγάλους χρόνους ανοίγματος, αποτυγχάνοντας να διακόψει άμεσα το ρεύμα DC, ή μπορεί να αποτύχει να κλείσει σωστά, με αποτέλεσμα κακή επαφή.

3.2.2 Ανάλυση Αιτιών
Οι αιτίες των βλαβών του μηχανισμού λειτουργίας είναι πολύπλοκες. Αφενός, τα μηχανικά εξαρτήματα υφίστανται φθορά με την πάροδο του χρόνου λόγω συχνών λειτουργιών, υποφέροντας φθορά ή παραμόρφωση που επηρεάζει την απόδοση. Για παράδειγμα, τα ελατήρια του μηχανισμού μπορεί να χάσουν την ελαστικότητά τους λόγω κόπωσης, με αποτέλεσμα ανεπαρκή δύναμη ανοίγματος/κλεισίματος. Αφετέρου, βλάβες στο κύκλωμα ελέγχου—όπως η βλάβη του ρελέ ή η διακοπή των καλωδίων ελέγχου—μπορεί να εμποδίσουν τον μηχανισμό να λάβει ή να εκτελέσει σωστά τις εντολές. Επιπλέον, η ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή κατά τον αποκλεισμό της βαλβίδας ανορθωτή μπορεί να διαταράξει τα σήματα ελέγχου, προκαλώντας δυσλειτουργία ή άρνηση λειτουργίας. Για παράδειγμα, σε ένα συγκεκριμένο έργο μεταφοράς UHV DC, τα καλώδια ελέγχου που διέρχονταν κοντά σε αγωγούς υψηλού ρεύματος υπέστησαν ισχυρή μαγνητική παρεμβολή κατά τον αποκλεισμό της βαλβίδας, με αποτέλεσμα την άρνηση ανοίγματος του διακόπτη.

3.3 Αποτυχία Επαφών
3.3.1 Εμφάνιση Βλαβών
Οι βλάβες επαφών περιλαμβάνουν κυρίως διάβρωση επαφών, αύξηση της αντίστασης επαφής και συγκόλληση επαφών. Κατά τον αποκλεισμό της βαλβίδας ανορθωτή, όταν ο διακόπτης ουδέτερου αγωγού διακόπτει μεγάλα ρεύματα, δημιουργούνται υψηλής θερμοκρασίας τόξα, προκαλώντας διάβρωση της επιφάνειας των επαφών. Η παρατεταμένη διάβρωση οδηγεί σε ανομοιόμορφες επιφάνειες επαφής και υψηλότερη αντίσταση, με επίπτωση στην κανονική λειτουργία. Σε σοβαρές περιπτώσεις, οι επαφές μπορεί να συγκολληθούν, αποτρέποντας τον διακόπτη από το άνοιγμα.

3.3.2 Ανάλυση Αιτιών
Η κύρια αιτία της αποτυχίας των επαφών είναι το μεγάλο ρεύμα και το τόξο υψηλής θερμοκρασίας που παράγεται κατά τον αποκλεισμό της βαλβίδας ανορθωτή. Η ροή μεγάλου ρεύματος παράγει θέρμανση Joule, αυξάνοντας τη θερμοκρασία των επαφών, ενώ η έντονη θερμότητα του τόξου επιταχύνει τη διάβρωση. Επιπλέον, οι ιδιότητες του υλικού των επαφών και η ποιότητα κατασκευής επηρεάζουν την αντοχή στο τόξο. Οι επαφές που κατασκευάζονται από υλικά με κακή αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες ή τόξο, ή αυτές που παράγονται με κακές διαδικασίες, είναι πιο ευάλωτες στη διάβρωση. Για παράδειγμα, σε ένα έργο UHV DC, ο διακόπτης ουδέτερου αγωγού χρησιμοποιούσε επαφές με ανεπαρκή αντοχή στο τόξο· μετά από πολλά γεγονότα αποκλεισμού, προέκυψε σοβαρή διάβρωση, με σημαντική αύξηση της αντίστασης επαφής και διαταραχή της κανονικής λειτουργίας.

3.4 Αποτυχία Μετασχηματιστή Ρεύματος
3.4.1 Εμφάνιση Βλαβών
Οι βλάβες του μετασχηματιστή ρεύματος περιλαμβάνουν κυρίως ανοιχτά κυκλώματα στη δευτερεύουσα πλευρά, ζημιά μόνωσης των περιελίξεων και κορεσμό του πυρήνα. Κατά τον αποκλεισμό της βαλβίδας ανορθωτή, η απότομη αλλαγή του ρεύματος DC υποβά

Για να κατανοήσουμε καλύτερα την αναλογία κάθε είδους παραβίασης μεταξύ των παραβιάσεων του διαχωριστικού στροφαριού της ουδέτερης λωρίδας κατά την παρεμπόδιση του μετατροπέα βαλβίδας, αυτή η εργασία διεξήγαγε μια στατιστική ανάλυση δεδομένων παραβιάσεων από πολλά έργα υψηλής έντασης (UHV) ΜΗ, με αποτελέσματα που εμφανίζονται στο Πίνακα 2.

Πίνακας 2: Αναλογία Τύπων Παραβιάσεων Διαχωριστικού Στροφαριού Ουδέτερης Λωρίδας Κατά Την Παρεμπόδιση Βαλβίδας Μετατροπέα UHV

4. Μέτρα Πρόληψης και Αντιμετώπισης Βλαβών για τους Διακόπτες Ουδέτερου Αγωγού κατά την Αποκλεισία της Βαλβίδας Μετατροπέα ΥΨΤ
4.1 Μέτρα Πρόληψης Βλαβών
4.1.1 Βελτιστοποίηση Επιλογής και Σχεδιασμού Εξοπλισμού
Κατά τη φάση κατασκευής έργων μεταφοράς ΥΨΤ-DC, πρέπει να λαμβάνεται πλήρως υπόψη η επίδραση ασυνήθιστων συνθηκών, όπως η αποκλεισία βαλβίδας μετατροπέα, στους διακόπτες ουδέτερου αγωγού, και να βελτιώνεται αναλόγως η επιλογή και ο σχεδιασμός του εξοπλισμού. Πρέπει να επιλέγονται κρίσιμα εξαρτήματα—όπως διακόπτες με υψηλή μονωτική απόδοση, επαφές με εξαιρετική αντοχή στο τόξο, αξιόπιστοι μηχανισμοί λειτουργίας και μετασχηματιστές ρεύματος κατάλληλης ονομαστικής τιμής. Για παράδειγμα, μονωτικά πορσελάνινα μανίκια από προηγμένα υλικά και διεργασίες κατασκευής μπορούν να βελτιώσουν την αξιοπιστία της μόνωσης· τα υλικά επαφής με ισχυρή αντοχή στο τόξο επεκτείνουν τη διάρκεια ζωής των επαφών· και ένας καλά σχεδιασμένος μηχανισμός λειτουργίας εξασφαλίζει ακριβή και αξιόπιστο άνοιγμα/κλείσιμο υπό διάφορες συνθήκες λειτουργίας.

4.1.2 Ενίσχυση της Παρακολούθησης και Συντήρησης του Εξοπλισμού
Πρέπει να δημιουργηθεί ένα ολοκληρωμένο σύστημα παρακολούθησης εξοπλισμού για τη συνεχή παρακολούθηση των λειτουργικών παραμέτρων του διακόπτη ουδέτερου αγωγού, συμπεριλαμβανομένων ηλεκτρικών παραμέτρων, θερμοκρασίας, πίεσης, δόνησης και άλλων δεικτών κατάστασης. Μέσω ανάλυσης δεδομένων, μπορούν να εντοπιστούν εγκαίρως πιθανοί κίνδυνοι βλάβης. Για παράδειγμα, η χρήση θερμογραφίας υπερύθρων μπορεί να παρακολουθεί τη θερμοκρασία στις επαφές και τα σημεία σύνδεσης· οι ασυνήθιστες αυξήσεις θερμοκρασίας ενεργοποιούν άμεσες επιθεωρήσεις και διορθωτικές ενέργειες. Η συνεχής παρακολούθηση της αντίστασης μόνωσης και των μερικών εκκενώσεων βοηθά στην αξιολόγηση της κατάστασης μόνωσης. Επιπλέον, η τακτική συντήρηση—συμπεριλαμβανομένου του καθαρισμού, της λίπανσης και του σφίξιμου—πρέπει να ενισχυθεί για να διασφαλιστεί ότι ο εξοπλισμός παραμένει σε άριστη λειτουργική κατάσταση.

4.1.3 Βελτίωση της Ποιότητας του Λειτουργικού Περιβάλλοντος
Πρέπει να βελτιωθεί το λειτουργικό περιβάλλον του διακόπτη ουδέτερου αγωγού για να μειωθούν οι αρνητικές επιπτώσεις του περιβάλλοντος. Για παράδειγμα, μπορούν να εγκατασταθούν συστήματα καθαρισμού αέρα σε υποσταθμούς για να μειωθούν οι αιωρούμενες ρύπανση και τα διαβρωτικά αέρια· αποτελεσματικά μέτρα ελέγχου υγρασίας—όπως αφυγραντήρες—μπορούν να διατηρήσουν ξηρές συνθήκες γύρω από τον εξοπλισμό. Σε παράκτιες ή εντόνως βιομηχανικά ρυπασμένες περιοχές, μπορούν να εφαρμοστούν ειδικές προστατευτικές επεξεργασίες—όπως αντιδιαβρωτικά επιχρίσματα—για να ενισχυθεί η αντοχή του εξοπλισμού στην περιβαλλοντική φθορά.

4.2 Μέτρα Αντιμετώπισης Βλαβών
4.2.1 Εφαρμογή Τεχνολογιών Γρήγορης Διάγνωσης Βλαβών
Όταν ανιχνευθεί βλάβη στο διακόπτη ουδέτερου αγωγού, πρέπει να χρησιμοποιούνται τεχνολογίες γρήγορης διάγνωσης βλαβών για τον ακριβή εντοπισμό του τύπου βλάβης και της ριζικής αιτίας. Έξυπνα διαγνωστικά συστήματα, σε συνδυασμό με πραγματικά δεδομένα λειτουργίας και χαρακτηριστικά βλάβης, επιτρέπουν τον γρήγορο εντοπισμό βλαβών μέσω ανάλυσης δεδομένων και υπολογισμών βασισμένων σε μοντέλα. Για παράδειγμα, η συνεχής παρακολούθηση και ανάλυση των παραμέτρων ρεύματος και τάσης μπορεί να βοηθήσει στον προσδιορισμό εάν έχει συμβεί αποτυχία μόνωσης, ζημιά επαφής ή βλάβη μετασχηματιστή ρεύματος· η ανάλυση δόνησης μπορεί να αποκαλύψει μηχανικά προβλήματα στον μηχανισμό λειτουργίας.

4.2.2 Δημιουργία Λογικών Διαδικασιών Αντιμετώπισης Βλαβών
Πρέπει να αναπτυχθούν λεπτομερείς και λογικές διαδικασίες αντιμετώπισης βλαβών για να εξασφαλιστεί γρήγορη και αποτελεσματική αντίδραση όταν συμβούν βλάβες. Αυτές οι διαδικασίες πρέπει να περιλαμβάνουν αναφορά βλάβης, επιτόπια επιθεώρηση, διάγνωση βλάβης, σχεδιασμό επισκευής, εφαρμογή επισκευών, δοκιμές εξοπλισμού και επαλήθευση παραλαβής. Καθ’ όλη τη διάρκεια της διαδικασίας, είναι απαραίτητη η αυστηρή τήρηση των πρωτοκόλλων ασφαλείας για την προστασία του προσωπικού και του εξοπλισμού. Για παράδειγμα, όταν αντιμετωπίζονται βλάβες μόνωσης, πρέπει πρώτα να αποσυνδεθεί η τροφοδοσία και να αποφορτιστεί η αποθηκευμένη ενέργεια πριν από την επιθεώρηση και την επισκευή· μετά την αντικατάσταση εξαρτημάτων, απαιτούνται αυστηρές δοκιμές και έλεγχοι παραλαβής για να επιβεβαιωθεί ότι η απόδοση πληροί τα απαιτούμενα πρότυπα.

4.2.3 Εφεδρευτικός Εξοπλισμός και Σχέδια Αντιμετώπισης Έκτακτης Ανάγκης
Για να ελαχιστοποιηθεί η επίδραση των βλαβών των διακοπτών ουδέτερου αγωγού στη λειτουργία του συστήματος, πρέπει να υπάρχει διαθέσιμος εφεδρευτικός εξοπλισμός και να συντάσσονται ολοκληρωμένα σχέδια αντιμετώπισης έκτακτης ανάγκης. Σε περίπτωση σοβαρής βλάβης που δεν μπορεί να επισκευαστεί άμεσα, ο εφεδρευτικός εξοπλισμός μπορεί να εγκατασταθεί γρήγορα για να αποκατασταθεί η κανονική λειτουργία του συστήματος. Απαιτείται τακτική συντήρηση και δοκιμή του εφεδρευτικού εξοπλισμού για να διασφαλιστεί ότι παραμένει σε καλή κατάσταση ετοιμότητας. Το σχέδιο αντιμετώπισης έκτακτης ανάγκης πρέπει να καθορίζει τις διαδικασίες έκτακτης ανάγκης, τις ευθύνες του προσωπικού, τα πρωτόκολλα επικοινωνίας και άλλα βασικά στοιχεία για να εξασφαλιστεί η τακτική και αποτελεσματική διαχείριση της έκτακτης ανάγκης.

5.Συμπεράσματα
Κατά την αποκλεισία της βαλβίδας μετατροπέα ΥΨΤ, οι διακόπτες ουδέτερου αγωγού αντιμετωπίζουν πολλαπλούς κινδύνους βλαβών—όπως αποτυχία μόνωσης, βλάβη μηχανισμού λειτουργίας, ζημιά επαφής και βλάβες μετασχηματιστή ρεύματος—που όλοι μπορούν σημαντικά να επηρεάσουν την ασφαλή και σταθερή λειτουργία των συστημάτων μεταφοράς ΥΨΤ-DC. Μέσω της εξονυχιστικής ανάλυσης του μηχανισμού αποκλεισίας των βαλβίδων μετατροπέα και της λειτουργικής κατάστασης των διακοπτών ουδέτερου αγωγού υπό τέτοιες συνθήκες, έχουν εντοπιστεί ξεκάθαρα οι συνηθισμένοι τύποι βλαβών και οι αιτίες τους, με τη στήριξη λεπτομερών μελετών περιπτώσεων. Για την αποτελεσματική πρόληψη και αντιμετώπιση αυτών των βλαβών, πρέπει να εφαρμόζονται προληπτικά μέτρα στην επιλογή και σχεδιασμό εξοπλισμού, την παρακολούθηση και συντήρηση λειτουργίας και τη βελτίωση του περιβάλλοντος. Ταυτόχρονα, πρέπει να υιοθετούνται στρατηγικές αντιμετώπισης βλαβών—συμπεριλαμβανομένων τεχνολογιών γρήγορης διάγνωσης, τυποποιημένων διαδικασιών επισκευής και συστημάτων εφεδρείας—για να βελτιωθεί περαιτέρω η λειτουργική αξιοπιστία των συστημάτων μεταφοράς ΥΨΤ-DC.