تحلیل خطا در قطع کننده مدار بار مرکزی در زمان بلاک شدن ولتاژهای تبدیل دهنده فراولتراسパンキー

۱. اصل مسدود کردن دریچه‌های تبدیل‌کننده فشار بسیار بالا
۱.۱ اصل کار دریچه‌های تبدیل‌کننده
دریچه‌های تبدیل‌کننده فشار بسیار بالا معمولاً از دریچه‌های تریستوری یا دریچه‌های ترانزیستور دو قطبی با عایق‌بندی (IGBT) برای تبدیل جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC) و برعکس استفاده می‌کنند. با توجه به نمونه دریچه تریستوری، آن شامل چندین تریستور متصل به صورت سری و موازی است. با کنترل تحریک (روشن شدن) و خاموش شدن تریستورها، دریچه جریان الکتریکی را تنظیم و تبدیل می‌کند. در طول عملکرد معمولی، دریچه تبدیل‌کننده جریان AC را به DC یا DC را به AC بر اساس یک دنباله تحریک پیش‌تعیین شده و زمان‌بندی [۱] تبدیل می‌کند.

۱.۲ دلایل و فرآیند مسدود شدن دریچه تبدیل‌کننده
مسدود شدن دریچه تبدیل‌کننده می‌تواند توسط عوامل مختلفی از جمله فشار بیش از حد، جریان بیش از حد، خرابی اجزای داخلی و ناهماهنگی‌های در سیستم کنترل و حفاظت تحریک شود. هنگامی که چنین ناهماهنگی‌هایی تشخیص داده می‌شوند، سیستم کنترل و حفاظت به سرعت دستور مسدود کردن صادر می‌کند، تحریک تمام تریستورها یا دریچه‌های IGBT را متوقف می‌کند و در نتیجه دریچه تبدیل‌کننده را مسدود می‌کند.

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

۲. شرایط کاری مداربر قطع کننده میله خنثی در زمان مسدود شدن دریچه تبدیل‌کننده
۲.۱ تغییرات در پارامترهای الکتریکی
وقتی دریچه تبدیل‌کننده مسدود می‌شود، ولتاژ و جریان روی مداربر قطع کننده میله خنثی تغییرات شدیدی می‌کند. در سمت DC، چون دریچه تبدیل‌کننده مسدود جریان عادی را جلوگیری می‌کند، جریان بیش از حد در میله خنثی و تجهیزات مرتبط رخ می‌دهد. همزمان، به دلیل فرآیندهای موقت الکترومغناطیسی در سیستم، ممکن است ولتاژ بیش از حد روی مداربر قطع کننده میله خنثی ظاهر شود.

به عنوان مثال، در یک پروژه انتقال DC فشار بسیار بالا مشخص، پس از مسدود شدن دریچه تبدیل‌کننده، جریان میله خنثی به طور فوری به ۲-۳ برابر جریان اسمی رسید و ولتاژ روی مداربر قطع کننده میله خنثی نوسانات قابل توجهی داشت و به ۱.۵ برابر ولتاژ عملیاتی معمولی رسید. جدول ۱ تغییرات پارامترهای الکتریکی در زمان مسدود شدن دریچه تبدیل‌کننده را به صورت بصری نشان می‌دهد.

جدول ۱: تغییرات پارامترهای الکتریکی در زمان مسدود شدن دریچه تبدیل‌کننده در یک پروژه انتقال DC فشار بسیار بالا مشخص

۲.۲ تغییرات تنش
وقتی که مبدل ولتاژ بلوک شده است، دستگاه قطع اتصال مدار بار خنثی 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 فرسودگی الکتریکی تماس‌های قطع کننده را تشدید و عمر آن‌ها را کوتاه می‌کند. تنش مکانیکی عمدتاً از نیروهای ضربه‌ای ناشی از مکانیسم عملیاتی در عملیات باز و بسته شدن سریع و همچنین نیروهای الکترومغناطیسی ناشی از تغییرات سریع جریان ناشی می‌شود. به عنوان مثال، در حوادث بلوک شدن مبدل ولتاژ مکرر، قطعات مکانیسم عملیاتی قطع کننده مدار بار خنثی ممکن است آزاد یا فرسوده شوند و عملکرد باز و بسته شدن طبیعی آن را تحت تأثیر قرار دهند [۳].

۳. انواع مشترک خرابی‌ها و تحلیل دلایل آن‌ها در قطع کننده‌های مدار بار خنثی در زمان بلوک شدن مبدل ولتاژ UHV
۳.۱ خرابی عایق‌بندی
۳.۱.۱ نمایانگر خرابی‌ها
خرابی عایق‌بندی یکی از انواع خرابی‌های بیشتر مشترک در قطع کننده‌های مدار بار خنثی در زمان بلوک شدن مبدل ولتاژ است. این خرابی عمدتاً به صورت فرسودگی یا آسیب به مواد عایق‌بندی داخلی ظاهر می‌شود که منجر به کاهش عملکرد عایق‌بندی و ایجاد پرش یا خرابی می‌شود. به عنوان مثال، در برخی پروژه‌های انتقال DC UHV با عملکرد طولانی، آلودگی سطحی و ترک‌ها در روکش‌های سرامیکی عایق‌بندی داخل قطع کننده مدار بار خنثی ظاهر شده‌اند که به طور شدید عملکرد عایق‌بندی را کاهش می‌دهد.

۳.۱.۲ تحلیل دلایل
دلایل خرابی عایق‌بندی شامل چند جنبه است. ابتدا، عملکرد طولانی در ولتاژ و جریان بالا به تدریج مواد عایق‌بندی را فرسوده می‌کند و توانایی عایق‌بندی آن‌ها را در طول زمان کاهش می‌دهد. ثانیاً، سرشارشدن ولتاژ و جریان در زمان بلوک شدن مبدل ولتاژ تنش شدیدی را بر مواد عایق‌بندی وارد می‌کند و فرآیند فرسودگی را تسریع می‌کند. علاوه بر این، محیط‌های عملیاتی سخت‌گیرانه‌ای مانند رطوبت بالا و آلودگی سنگین، سطوح عایق‌بندی را آلوده می‌کنند و عملکرد عایق‌بندی را بیشتر کاهش می‌دهند. به عنوان مثال، در یک پروژه انتقال DC UHV ساحلی با رطوبت و هوای حاوی نمک بالا، فیلم رسانا روی سطح روکش‌های سرامیکی عایق‌بندی قطع کننده مدار بار خنثی تشکیل می‌شود که قدرت عایق‌بندی را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد و خرابی‌های پرش مکرر را ایجاد می‌کند.

۳.۲ خرابی مکانیسم عملیاتی
۳.۲.۱ نمایانگر خرابی‌ها
خرابی‌های مکانیسم عملیاتی عمدتاً به صورت زمان‌های باز/بسته شدن غیرعادی یا عدم توانایی باز/بسته شدن (عدم عملکرد) ظاهر می‌شوند. به عنوان مثال، در زمان بلوک شدن مبدل ولتاژ، قطع کننده مدار بار خنثی ممکن است زمان باز شدن بسیار طولانی داشته باشد و قادر به قطع جریان DC به طور پromptly نباشد یا نتواند به درستی بسته شود که منجر به تماس ضعیف می‌شود.

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

۳.۳ خرابی تماس‌ها
۳.۳.۱ نمایانگر خرابی‌ها
خرابی‌های تماس عمدتاً شامل فرسودگی تماس، افزایش مقاومت تماس و جوشکاری تماس می‌شود. در زمان بلوک شدن مبدل ولتاژ، وقتی که قطع کننده مدار بار خنثی جریان‌های بزرگ را قطع می‌کند، قوس‌های دما بالا تشکیل می‌شوند که منجر به فرسودگی سطح تماس می‌شود. فرسودگی طولانی مدت منجر به نامساوی سطح تماس و مقاومت بیشتر می‌شود که عملکرد طبیعی را تحت تأثیر قرار می‌دهد. در موارد شدید، تماس‌ها ممکن است به هم جوشکاری شوند و از باز شدن قطع کننده جلوگیری کنند.

۳.۳.۲ تحلیل دلایل
دلیل اصلی خرابی تماس‌ها، جریان بزرگ و قوس دما بالا در زمان بلوک شدن مبدل ولتاژ است. جریان بزرگ گرمای جولی ایجاد می‌کند که دما تماس را افزایش می‌دهد، در حالی که گرما شدید قوس فرسودگی را تسریع می‌کند. علاوه بر این، خصوصیات مواد تماس و کیفیت تولید نیز مقاومت در برابر قوس را تحت تأثیر قرار می‌دهند. تماس‌هایی که از مواد با مقاومت ضعیف در برابر دما یا قوس ساخته شده‌اند یا با فرآیندهای کم کیفیت تولید شده‌اند، بیشتر در معرض فرسودگی قرار می‌گیرند. به عنوان مثال، در یک پروژه DC UHV، قطع کننده مدار بار خنثی از تماس‌هایی با مقاومت ضعیف در برابر قوس استفاده کرد؛ پس از چندین حادثه بلوک شدن، فرسودگی شدیدی رخ داد که مقاومت تماس را به طور قابل توجهی افزایش داد و عملکرد طبیعی را اختلال داد.

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

۳.۴.۲ تحلیل دلایل
دلایل خرابی ترانسفورماتور جریان شامل موارد زیر است: اولاً، جریان بیش از حد در زمان بلوک شدن مبدل ولتاژ تنش حرارتی و الکترومغناطیسی بالا را بر پیچش‌ها وارد می‌کند که ممکن است عایق‌بندی را آسیب ببیند. ثانیاً، عملکرد عایق‌بندی به طور طبیعی با گذشت زمان کاهش می‌یابد و ترانسفورماتورها در شرایط غیرطبیعی مانند بلوک شدن ولتاژ مستعد خرابی می‌شوند. علاوه بر این، طراحی یا انتخاب نادرست مانند جریان اسمی یا کلاس دقت نادرست می‌تواند منجر به اشباع هسته در زمان بلوک شدن شود. به عنوان مثال، در یک پروژه DC UHV خاص، جریان اسمی ترانسفورماتور جریان خیلی کم بود؛ در زمان بلوک شدن ولتاژ، هسته به سرعت اشباع شد و قادر به اندازه‌گیری دقیق جریان نبود و باعث خرابی محافظان شد.

برای درک بهتر نسبت هر نوع خطا در میان خرابی‌های شیر برش ترانزیستور اصلی در زمان قطع کنترل‌کننده ولتاژ UHV، این مقاله تحلیل آماری داده‌های خطا از چند پروژه انتقال DC UHV را انجام داده است، با نتایج نشان داده شده در جدول 2.

جدول 2: نسبت انواع خطا در شیر برش ترانزیستور اصلی در زمان قطع کنترل‌کننده ولتاژ UHV

۴. اقدامات پیشگیری و رفع عیب 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. باید اجزای کلیدی مانند شکن‌های با عملکرد دی‌الکتریک بالا، تماس‌های مقاوم در برابر قوس الکتریکی، مکانیزم‌های عملیاتی قابل اطمینان و ترانسفورماتورهای جریان با نرخ مناسب انتخاب شوند. به عنوان مثال، استفاده از لوله‌های سرامیکی عایقی ساخته شده از مواد عایقی پیشرفته و فرآیندهای تولید می‌تواند قابلیت اعتماد عایقی را افزایش دهد؛ مواد تماس با مقاومت قوی در برابر قوس الکتریکی عمر تماس را افزایش می‌دهند؛ و یک مکانیزم عملیاتی خوب طراحی شده اطمینان می‌دهد که در شرایط مختلف عملیاتی باز/بسته شدن دقیق و قابل اعتماد باشد.

۴.۱.۲ نظارت و نگهداری تجهیزات بهبود یافته
باید یک سیستم نظارت تجهیزات جامع برای نظارت مستمر بر پارامترهای عملیاتی شکن میانبر خنثی، شامل پارامترهای الکتریکی، دما، فشار، ارتعاش و سایر شاخص‌های وضعیت، تأسیس شود. از طریق تحلیل داده‌ها، می‌توان ریسک‌های پتانسیل عیب را به زودی شناسایی کرد. به عنوان مثال، می‌توان از ترموگرافی فروسرخ 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 دیسچارژ جزئی به ارزیابی وضعیت عایقی کمک می‌کند. همچنین، باید نگهداری معمولی شامل تمیز کردن، روغن کردن و محکم کردن تقویت شود تا تضمین شود که تجهیزات در شرایط بهینه عملیاتی باقی بمانند.

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

۴.۲ اقدامات رفع عیب
۴.۲.۱ استفاده از فناوری‌های تشخیص سریع عیب
وقتی که عیبی در شکن میانبر خنثی شناسایی شود، باید از فناوری‌های تشخیص سریع عیب برای شناسایی دقیق نوع و علت عیب استفاده شود. سیستم‌های تشخیص هوشمند، با ترکیب داده‌های عملیاتی زنده و مشخصات عیب، قادر به محل‌یابی سریع عیب از طریq تحلیل داده‌ها و محاسبات مبتنی بر مدل هستند. به عنوان مثال، نظارت و تحلیل زنده پارامترهای جریان و ولتاژ می‌تواند به تعیین اینکه آیا شکست عایقی، آسیب تماس یا خرابی ترانسفورماتور جریان رخ داده است کمک کند؛ تحلیل ارتعاش می‌تواند مشکلات مکانیکی در مکانیزم عملیاتی را آشکار کند.

۴.۲.۲ تدوین روال‌های منطقی رفع عیب
روال‌های دقیق و منطقی رفع عیب باید توسعه یابند تا پاسخ سریع و موثر در زمان وقوع خرابی‌ها تضمین شود. این روال‌ها باید شامل گزارش دهی عیب، بازرسی محلی، تشخیص عیب، برنامه‌ریزی تعمیر، اجرای تعمیرات، تست تجهیزات و تأیید قبولی باشند. در طول این فرآیند، رعایت دقیق پروتکل‌های ایمنی برای حفاظت از کارکنان و تجهیزات ضروری است. به عنوان مثال، وقتی که با عیب‌های عایقی مواجه هستیم، باید ابتدا برق قطع شود و انرژی ذخیره شده خارج شود قبل از بازرسی و تعمیر؛ پس از جایگزینی قطعات، تست‌های دقیق و بررسی‌های تأیید 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، تجهیزات پشتیبان اضطراری باید در دسترس باشند و برنامه‌های پیش‌بینی جامع تدوین شوند. در صورت وقوع عیب شدید که نمی‌تواند به سرعت تعمیر شود، می‌توان از تجهیزات پشتیبان برای بازگرداندن عملکرد نرمال سیستم استفاده کرد. نگهداری و تست منظم تجهیزات پشتیبان ضروری است تا تضمین شود که در شرایط خوب آماده 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 ریسک‌های متعدد عیب مواجه هستند، از جمله شکست عایقی، خرابی مکانیزم عملیاتی، آسیب تماس و خرابی ترانسفورماتور جریان، که همه این‌ها می‌توانند به طور قابل توجهی عملکرد ایمن و پایدار سیستم‌های انتقال DC با ولتاژ بسیار بالا را تحت تأثیر قرار دهند. با تحلیل دقیق مکانیسم بلاک شدن ولتاژ‌ساز و وضعیت عملیاتی شکن‌های میانبر خنثی در چنین شرایطی، انواع عیب‌های معمول و علل آن‌ها به طور واضح شناسایی شده‌اند که با مطالعات موردی دقیق پشتیبانی می‌شود. برای پیشگیری و رفع مؤثر این عیب‌ها، باید اقدامات پیشگیرانه در انتخاب و طراحی تجهیزات، نظارت و نگهداری عملیاتی و بهبود محیط عملیاتی اتخاذ شود. همزمان، استراتژی‌های رفع عیب، از جمله فناوری‌های تشخیص سریع، رویه‌های تعمیر استاندارد و سیستم‌های پشتیبان اضطراری باید به کار گرفته شوند تا عملکرد قابل اعتماد سیستم‌های انتقال DC با ولتاژ بسیار بالا بیشتر افزایش یابد.