تحلیل خطا در قطع کننده مدار باریکه نوتروال در زمان بلوک شدن ولتاژبردارهای فراولتراسپان

۱. اصل مسدود کردن ولتاژهای بسیار بالا در ونتیل‌های تبدیل‌کننده
۱.۱ اصل عملکرد ونتیل‌های تبدیل‌کننده
ونتیل‌های تبدیل‌کننده با ولتاژ بسیار بالا معمولاً از ونتیل‌های تایریستور یا ونتیل‌های ترانزیستور دوقطبی با عایق‌بندی (IGBT) برای تبدیل جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC) و برعکس استفاده می‌کنند. با در نظر گرفتن ونتیل تایریستور به عنوان مثال، آن شامل چندین تایریستور متصل به سری و موازی است. با کنترل خازن‌سازی (روشن شدن) و خاموش شدن تایریستورها، ونتیل جریان الکتریکی را تنظیم و تبدیل می‌کند. در حالت عملکرد معمول، ونتیل تبدیل‌کننده طبق دنباله و زمان‌بندی مشخص AC را به DC یا DC را به AC تبدیل می‌کند [۱].

۱.۲ دلایل و فرآیند مسدود کردن ونتیل تبدیل‌کننده
مسدود کردن ونتیل تبدیل‌کننده می‌تواند به دلایل مختلفی از جمله ولتاژ بیش از حد، جریان بیش از حد، خرابی قطعات داخلی و ناهماهنگی‌های در سیستم کنترل و محافظت ایجاد شود. هنگامی که چنین ناهماهنگی‌هایی تشخیص داده می‌شوند، سیستم کنترل و محافظت به سرعت دستور مسدود کردن صادر می‌کند و خازن‌سازی تمام تایریستورها یا ونتیل‌های IGBT را متوقف می‌کند، بنابراین ونتیل تبدیل‌کننده مسدود می‌شود.

در طول فرآیند مسدود کردن، تغییرات قابل توجهی در پارامترهای الکتریکی سیستم اتفاق می‌افتد. به عنوان مثال، در سمت مستطیل‌ساز، پس از مسدود شدن ونتیل تبدیل‌کننده، جریان سمت AC به سرعت کاهش می‌یابد. اما به دلیل القای خط، جریان سمت DC به صفر نمی‌رسد و به جای آن از طریق مسیرهایی مانند بارهای میانی، به صورت جریان آزاد ادامه می‌یابد. در این لحظه، مداربر قطع بارهای میانی باید به سرعت عمل کند تا جریان DC را قطع کند و تجهیزات سیستم را از آسیب‌های ناشی از جریان بیش از حد محافظت کند [۲].

۲. شرایط عملکرد مداربر بارهای میانی در زمان مسدود کردن ونتیل تبدیل‌کننده
۲.۱ تغییرات در پارامترهای الکتریکی
هنگامی که ونتیل تبدیل‌کننده مسدود می‌شود، ولتاژ و جریان روی مداربر بارهای میانی تغییرات شدیدی می‌کند. در سمت DC، از آنجا که ونتیل تبدیل‌کننده مسدود جریان عادی را مسدود می‌کند، جریان بیش از حد در بارهای میانی و تجهیزات مرتبط اتفاق می‌افتد. همچنین، به دلیل فرآیندهای موقت الکترومغناطیسی در سیستم، ممکن است ولتاژ بیش از حد در مداربر بارهای میانی ظاهر شود.

به عنوان مثال، در یک پروژه انتقال DC با ولتاژ بسیار بالا، پس از مسدود شدن ونتیل تبدیل‌کننده، جریان بارهای میانی به طور ناگهانی به ۲-۳ برابر جریان اسمی افزایش یافت و ولتاژ روی مداربر بارهای میانی نوسانات قابل توجهی داشت که به ۱.۵ برابر ولتاژ عملیاتی معمولی رسید. جدول ۱ تغییرات پارامترهای الکتریکی در زمان مسدود کردن ونتیل تبدیل‌کننده را به صورت تصویری نشان می‌دهد.

جدول ۱: تغییرات پارامترهای الکتریکی در زمان مسدود کردن ونتیل تبدیل‌کننده در یک پروژه انتقال DC با ولتاژ بسیار بالا

۲.۲ تغییرات تنش
وقتی که مبدل ولتاژ بلوک شده است، قطع‌کننده مدار میانبر باید نه تنها تنش الکتریکی بلکه تنش مکانیکی را هم تحمل کند. تنش الکتریکی عمدتاً از سرشارشدن ولتاژ و جریان بیش از حد ناشی می‌شود که فرسایش الکتریکی تماس‌های قطع‌کننده را تشدید و عمر آن‌ها را کاهش می‌دهد. تنش مکانیکی عمدتاً ناشی از نیروهای ضربه‌ای تولید شده توسط مکانیسم عملیاتی در عملیات باز و بسته شدن سریع و همچنین نیروهای الکترومغناطیسی ناشی از تغییرات سریع جریان است. به عنوان مثال، در حوادث بلوک شدن مبدل ولتاژ مکرر، قطعات مکانیسم عملیاتی قطع‌کننده مدار میانبر ممکن است آزاد یا خورد شوند و عملکرد باز و بسته شدن طبیعی آن را تحت تأثیر قرار دهند [۳].

۳. انواع شایع خرابی‌ها و تحلیل علل آن‌ها در قطع‌کننده‌های مدار میانبر در زمان بلوک شدن مبدل ولتاژ
۳.۱ خرابی عایق
۳.۱.۱ نمایانگر خرابی
خرابی عایق یکی از انواع خرابی شایع در قطع‌کننده‌های مدار میانبر در زمان بلوک شدن مبدل ولتاژ است. این خرابی عمدتاً به صورت پیری یا خسارت مواد عایق داخلی ظاهر می‌شود که منجر به کاهش عملکرد عایق و ایجاد جرقه یا شکست می‌شود. به عنوان مثال، در برخی پروژه‌های انتقال DC UHV با عملکرد طولانی‌مدت، آلودگی سطحی و ترک‌هایی روی بشکه‌های سرامیکی عایق داخل قطع‌کننده مدار میانبر ظاهر شده که عملکرد عایق را به شدت کاهش می‌دهد.

۳.۱.۲ تحلیل علل
دلایل خرابی عایق شامل چند جنبه است. ابتدا، عملکرد طولانی‌مدت در ولتاژ بالا و جریان زیاد مواد عایق را به تدریج پیر می‌کند و توان عایقی آن‌ها را با گذشت زمان کاهش می‌دهد. ثانیاً، سرشارشدن ولتاژ و جریان در زمان بلوک شدن مبدل ولتاژ تنش شدیدی را بر مواد عایق وارد می‌کند و فرآیند پیری را تسریع می‌کند. علاوه بر این، محیط‌های عملیاتی سخت‌پروار مانند رطوبت بالا و آلودگی سنگین باعث تجمع آلودگی‌ها روی سطح عایق می‌شود و عملکرد عایق را بیشتر کاهش می‌دهد. به عنوان مثال، در یک پروژه انتقال DC UHV ساحلی با رطوبت بالا و هوا حاوی نمک، لایه رسانا روی سطح بشکه‌های سرامیکی عایق قطع‌کننده مدار میانبر به راحتی تشکیل می‌شود و قدرت عایق را به شدت کاهش می‌دهد و خرابی‌های جرقه مکرر را ایجاد می‌کند.

۳.۲ خرابی مکانیسم عملیاتی
۳.۲.۱ نمایانگر خرابی
خرابی‌های مکانیسم عملیاتی عمدتاً به صورت زمان‌های باز/بسته شدن غیرطبیعی یا عدم باز/بسته شدن (عدم عملکرد) ظاهر می‌شود. به عنوان مثال، در زمان بلوک شدن مبدل ولتاژ، قطع‌کننده مدار میانبر ممکن است زمان باز شدن خیلی طولانی داشته باشد و نتواند جریان DC را به موقع قطع کند یا به درستی بسته نشود و تماس ضعیف داشته باشد.

۳.۲.۲ تحلیل علل
دلایل خرابی‌های مکانیسم عملیاتی پیچیده است. از یک سو، قطعات مکانیکی به دلیل عملکردهای مکرر با گذشت زمان فرسوده می‌شوند و از دیدگاه فرسودگی یا تغییر شکل عملکرد آن‌ها کاهش می‌یابد. به عنوان مثال، فنرهای مکانیسم ممکن است به دلیل خستگی الاستیسیته خود را از دست دهند و نیروی باز/بسته شدن کافی ایجاد نکنند. از سوی دیگر، خرابی‌های در مدار کنترلی مانند خرابی رله یا قطع شدن کابل‌های کنترلی ممکن است مانع دریافت یا اجرای دستورات صحیح توسط مکانیسم شود. علاوه بر این، تداخل الکترومغناطیسی در زمان بلوک شدن مبدل ولتاژ ممکن است سیگنال‌های کنترلی را اختلال دهد و موجب خرابی یا عدم عملکرد شود. به عنوان مثال، در یک پروژه انتقال DC UHV خاص، کابل‌های کنترلی که در نزدیکی میانبرهای جریان بالا قرار داشتند، در زمان بلوک شدن مبدل ولتاژ تداخل مغناطیسی قوی را تجربه کردند که منجر به عدم باز شدن قطع‌کننده شد.

۳.۳ خرابی تماس
۳.۳.۱ نمایانگر خرابی
خرابی‌های تماس عمدتاً شامل فرسایش تماس، افزایش مقاومت تماس و جوش تماس می‌شود. در زمان بلوک شدن مبدل ولتاژ، وقتی که قطع‌کننده مدار میانبر جریان‌های بزرگ را قطع می‌کند، قوس‌های دمای بالا تشکیل می‌شوند که منجر به فرسایش سطح تماس می‌شود. فرسایش طولانی‌مدت منجر به نامساوی سطح تماس و مقاومت بالاتر می‌شود که عملکرد طبیعی را مختل می‌کند. در شرایط وخیم، تماس‌ها ممکن است به هم جوشند و قطع‌کننده را از باز شدن بازدارند.

۳.۳.۲ تحلیل علل
علت اصلی خرابی تماس تولید جریان بزرگ و قوس دمای بالا در زمان بلوک شدن مبدل ولتاژ است. جریان بزرگ حرارت جول تولید می‌کند که دما تماس را افزایش می‌دهد، در حالی که حرارت شدید قوس فرسایش را تسریع می‌کند. علاوه بر این، خصوصیات مواد تماس و کیفیت تولید تأثیری بر مقاومت در برابر قوس دارند. تماس‌های ساخته شده از موادی با مقاومت ضعیف در برابر دمای بالا یا قوس یا تولید شده با فرآیندهای استاندارد پایین‌تر، بیشتر می‌توانند فرسوده شوند. به عنوان مثال، در یک پروژه UHV DC، قطع‌کننده مدار میانبر از تماس‌هایی با مقاومت قوس ناکافی استفاده کرد؛ پس از حوادث بلوک شدن مکرر، فرسایش شدیدی رخ داد که مقاومت تماس را به شدت افزایش داد و عملکرد طبیعی را مختل کرد.

۳.۴ خرابی ترانسفورماتور جریان
۳.۴.۱ نمایانگر خرابی
خرابی‌های ترانسفورماتور جریان عمدتاً شامل مدار دومی باز، خرابی عایق پیچشی و اشباع هسته می‌شود. در زمان بلوک شدن مبدل ولتاژ، تغییر ناگهانی جریان DC ترانسفورماتور جریان را تحت تنش قرار می‌دهد و آن را آسیب‌پذیر می‌کند. به عنوان مثال، مدار دومی باز می‌تواند ولتاژ خطرناک تولید کند که تجهیزات و افراد را در معرض خطر قرار دهد؛ خرابی عایق پیچشی می‌تواند باعث کوتاه‌شدن داخلی شود و دقت اندازه‌گیری را کاهش دهد؛ و اشباع هسته خطاهای اندازه‌گیری را افزایش می‌دهد و ممکن است باعث عملکرد نادرست محافظان شود.

۳.۴.۲ تحلیل علل
دلایل خرابی ترانسفورماتور جریان شامل موارد زیر است: اولاً، جریان بیش از حد در زمان بلوک شدن مبدل ولتاژ تنش حرارتی و الکترومغناطیسی زیادی را بر پیچش‌ها وارد می‌کند که ممکن است عایق را آسیب ببیند. ثانیاً، عملکرد عایق به طور طبیعی با گذشت زمان کاهش می‌یابد و ترانسفورماتورها در شرایط غیرعادی مانند بلوک شدن مبدل ولتاژ بیشتر آسیب‌پذیر می‌شوند. علاوه بر این، طراحی یا انتخاب نادرست مانند جریان اسمی یا کلاس دقت اشتباه می‌تواند باعث اشباع هسته در زمان حوادث بلوک شدن شود. به عنوان مثال، در یک پروژه UHV DC، جریان اسمی ترانسفورماتور جریان خیلی کم بود؛ در زمان بلوک شدن مبدل ولتاژ، هسته به سرعت اشباع شد و نتوانست جریان را به درستی اندازه‌گیری کند و باعث خرابی محافظان شد.

برای درک بهتر نسبت هر نوع خطا در میان شکست‌های برشکن خط اتصال میانی در زمان بلاک شدن ولتاژساز، این مقاله تحلیل آماری داده‌های خطا از چند پروژه انتقال سیم‌پیچ‌دار با ولتاژ بسیار بالا (UHV) را انجام داده است که نتایج آن در جدول 2 نشان داده شده است.

جدول 2: نسبت انواع خطاها در برشکن خط اتصال میانی در زمان بلاک شدن ولتاژساز UHV

۴. اقدامات پیشگیری و رفع خطا برای شکن‌های میانبر خنثی در زمان بلاک شدن ولتاژ‌ساز UHV
۴.۱ اقدامات پیشگیری
۴.۱.۱ بهینه‌سازی انتخاب و طراحی تجهیزات
در مرحله ساخت پروژه‌های انتقال DC با ولتاژ بسیار بالا، باید تأثیر شرایط ناهماهنگ مانند بلاک شدن ولتاژ‌ساز بر شکن‌های میانبر خنثی به طور کامل در نظر گرفته شود و انتخاب و طراحی تجهیزات به طور متناسب بهینه‌سازی شود. قطعات کلیدی مانند شکن‌های با عملکرد عایقی بالا، تماس‌های مقاوم در برابر آتش‌سوزی، مکانیسم‌های عملیاتی قابل اعتماد و تبدیل‌کننده‌های جریان مناسب باید انتخاب شوند. برای مثال، استفاده از لوله‌های عایقی سرامیکی ساخته شده از مواد عایقی پیشرفته و فرآیندهای تولید می‌تواند قابلیت اطمینان عایقی را افزایش دهد؛ مواد تماس با مقاومت بالا در برابر آتش‌سوزی عمر تماس را افزایش می‌دهند؛ و یک مکانیسم عملیاتی خوب طراحی شده تضمین می‌کند که باز/بسته شدن دقیق و قابل اعتماد در شرایط مختلف عملیاتی انجام شود.

۴.۱.۲ نظارت و نگهداری تقویت شده تجهیزات
باید یک سیستم نظارتی جامع برای نظارت مستمر بر پارامترهای عملیاتی شکن میانبر خنثی، از جمله پارامترهای الکتریکی، دما، فشار، ارتعاش و سایر نشانگرهای وضعیت، تأسیس شود. از طریق تحلیل داده‌ها، می‌توان ریسک‌های پتانسیل خطا را از زودتر شناسایی کرد. به عنوان مثال، می‌توان از ترموگرافی مادون قرمز برای نظارت بر دما در نقاط تماس و اتصال استفاده کرد؛ افزایش غیرعادی دما باعث انجام بازرسی‌ها و اقدامات اصلاحی به موقع می‌شود. نظارت آنلاین بر مقاومت عایقی و تخلیه جزئی کمک می‌کند تا وضعیت عایقی را ارزیابی کند. علاوه بر این، نگهداری روتین شامل تمیزکاری، چرب کردن و تنگ کردن باید تقویت شود تا تضمین شود که تجهیزات در حالت بهینه عملیاتی باقی بمانند.

۴.۱.۳ بهبود کیفیت محیط عملیاتی
محیط عملیاتی شکن میانبر خنثی باید بهبود یابد تا تأثیرات منفی محیطی را کاهش دهد. به عنوان مثال، می‌توان سیستم‌های پاک‌سازی هوا را در زیرстанیشن‌ها نصب کرد تا آلاینده‌های هوایی و گازهای خوردگی را کاهش دهد؛ اقدامات کنترل رطوبت مؤثر مانند خشک‌کن‌ها می‌توانند شرایط خشک را حول تجهیزات حفظ کنند. در مناطق ساحلی یا مناطق با آلودگی صنعتی سنگین، می‌توان درمان‌های محافظتی خاص مانند پوشش‌های ضد خوردگی را اعمال کرد تا مقاومت تجهیزات در برابر تخریب محیطی را افزایش دهد.

۴.۲ اقدامات رفع خطا
۴.۲.۱ استفاده از فناوری‌های تشخیص سریع خطا
وقتی که خطا در شکن میانبر خنثی شناسایی شود، باید از فناوری‌های تشخیص سریع خطا برای شناسایی دقیق نوع و علت اساسی خطا استفاده شود. سیستم‌های تشخیص هوشمند، با ترکیب داده‌های عملیاتی واقعی و مشخصات خطا، قادر به محل‌یابی سریع خطا از طریq تحلیل داده‌ها و محاسبات مبتنی بر مدل هستند. به عنوان مثال، نظارت و تحلیل زنده پارامترهای جریان و ولتاژ می‌تواند کمک کند تا تعیین شود آیا خرابی عایق، خسارت تماس یا خرابی تبدیل‌کننده جریان رخ داده است؛ تحلیل ارتعاش می‌تواند مشکلات مکانیکی در مکانیسم عملیاتی را نشان دهد.

۴.۲.۲ تدوین رویه‌های منطقی رفع خطا
باید رویه‌های دقیق و منطقی رفع خطا تدوین شود تا پاسخ سریع و مؤثر در صورت وقوع خرابی تضمین شود. این رویه‌ها باید شامل گزارش خطا، بازرسی محلی، تشخیص خطا، برنامه‌ریزی تعمیر، اجرای تعمیرات، تست تجهیزات و تأیید پذیرش باشد. طی این فرآیند، رعایت دقیق پروتکل‌های ایمنی برای حفاظت از کارکنان و تجهیزات ضروری است. به عنوان مثال، در رسیدگی به خرابی‌های عایقی، باید ابتدا برق قطع شود و انرژی ذخیره شده تخلیه شود قبل از بازرسی و تعمیر؛ پس از جایگزینی قطعات، تست‌های دقیق و تأیید پذیرش باید تأیید کنند که عملکرد معیارهای مورد نیاز را برآورده می‌کند.

۴.۲.۳ تجهیزات پشتیبان اضطراری و برنامه‌های پیش‌بینی
برای کاهش تأثیر خرابی‌های شکن میانبر خنثی بر عملکرد سیستم، باید تجهیزات پشتیبان اضطراری در دسترس باشند و برنامه‌های پیش‌بینی جامع تدوین شود. در صورت وقوع خرابی شدید که نمی‌تواند به سرعت تعمیر شود، می‌توان از تجهیزات پشتیبان برای بازگرداندن عملکرد عادی سیستم استفاده کرد. نگهداری و تست منظم تجهیزات پشتیبان ضروری است تا تضمین شود که در حالت آماده‌باش خوب باقی بمانند. برنامه پیش‌بینی باید رویه‌های پاسخ اضطراری، مسئولیت‌های کارکنان، پروتکل‌های ارتباطی و سایر عناصر کلیدی را مشخص کند تا پاسخ اضطراری به صورت منظم و کارآمد انجام شود.

۵. نتیجه‌گیری
در زمان بلاک شدن ولتاژ‌ساز UHV، شکن‌های میانبر خنثی با خطرات متعدد خطا مواجه می‌شوند، از جمله خرابی عایق، خرابی مکانیسم عملیاتی، خسارت تماس و خرابی تبدیل‌کننده جریان، که همه می‌توانند به طور قابل توجهی عملکرد ایمن و پایدار سیستم‌های انتقال DC با ولتاژ بسیار بالا را مختل کنند. با تحلیل دقیق مکانیسم بلاک شدن ولتاژ‌ساز و حالت عملیاتی شکن‌های میانبر خنثی در چنین شرایطی، انواع معمول خطا و علل آن‌ها به طور واضح شناسایی شده‌اند و با مطالعات موردی دقیق پشتیبانی می‌شوند. برای پیشگیری و رسیدگی مؤثر به این خطاها، باید اقدامات پیشگیری در انتخاب و طراحی تجهیزات، نظارت و نگهداری عملیاتی و بهبود محیط عملیاتی اجرا شود. همزمان، استراتژی‌های رفع خطا، از جمله فناوری‌های تشخیص سریع، رویه‌های تعمیر استاندارد و سیستم‌های پشتیبان اضطراری باید به کار گرفته شود تا عملکرد قابل اعتماد سیستم‌های انتقال DC با ولتاژ بسیار بالا بیشتر افزایش یابد.