Ultra-high-voltage-muuntimiehien kytkentäventtiilien estymisen aikana tapahtuvan neutraalijohdon sulakepäähdyksen vika-analyysi

1. Ultrahigh-voltage-muuntimitaloiden esto-periaate
1.1 Muuntimitaloiden toimintaperiaate
Ultrahigh-voltage (UHV) -muuntimitalot käyttävät yleensä thyristorivalvoja- tai eristettyportaisen bipolaaritransistorin (IGBT) valvoja-tekniikkaa vaihtovirtaa (AC) suoraan virtaan (DC) ja päinvastoin muuntamiseen. Thyristorivalvoja on esimerkkinä monien sarjassa ja rinnakkain kytkettyjen thyristoreiden muodostama kokonaisuus. Thyristoreiden kytkemällä (käynnistämällä) ja sammuttamalla valvoja säätelee ja muuntaa sähkövirran. Normaalissa toiminnassa muuntimivalvoja muuttaa AC:n DC:ksi tai DC:n AC:ksi määritellyn kytkemisjonon ja ajoituksen mukaan [1].

1.2 Muuntimivalvon esto-aiheuttajat ja -prosessi
Muuntimivalvon esto voidaan aiheuttaa useilla tekijöillä, kuten liian korkealla jännitteellä, liian suurella virralla, sisäisten komponenttien vioilla ja ohjaus- ja suojajärjestelmän poikkeamilla. Kun tällaiset epäkohtat havaitaan, ohjaus- ja suojajärjestelmä lähettää nopeasti estokomennon, joka keskeyttää kaikkien thyristoreiden tai IGBT-valvojen kytkemisen, mikä johtaa muuntimivalvon estoon.

Esto-prosessissa järjestelmän sähköiset parametrit muuttuvat merkittävästi. Esimerkiksi suorituspuolella, kun muuntimivalvo on estetty, vaihtovirtajännite laskee nopeasti. Kuitenkin, johtohenkiloituneisuuden vuoksi, suoravirtajannite ei välittömästi nollaantuisi, vaan se jatkaa kulkiessaan reittejä, kuten neutraalijohdon, muodostaen vapaaajoavan virran. Tällöin neutraalijohdon katkaisimen on toimittava nopeasti keskeyttääksesi suoravirtajanniten ja suojelemasta järjestelmän laitteita liian suurelta jannitelta aiheutuvilta vahingoilta [2].

2. Neutraalijohdon katkaisimen toimintaolosuhteet muuntimivalvon esto-aikana
2.1 Sähköisten parametrien muutokset
Kun muuntimivalvo on estetty, neutraalijohdon katkaisimen läpi kulkevan jännitteen ja virran arvot muuttuvat drastisesti. Suoravirtapuolella, koska estetty muuntimivalvo estää normaalin virran kuljetuksen, tapahtuu liian suuri virran neutraalijohdossa ja siihen liittyvissä laitteissa. Samalla, järjestelmän sähkömagneettisten tilapäisprosessien vuoksi, neutraalijohdon katkaisimen läpi voi ilmetä liian korkea jännite.

Esimerkiksi tietyssä UHV-suurjännitejakauman projektissa, muuntimivalvon esto jälkeen, neutraalijohdon virran arvo nousi välittömästi 2–3 kertaiseksi verrattuna nimelliseen arvoonsa, ja neutraalijohdon katkaisimen läpi kulkeva jännite näytti huomattavia heilahteluja, saavuttaen 1,5 kertaisen normaalin toiminnan jännitteen. Taulukko 1 havainnollistaa muuntimivalvon esto-aikana tapahtuvia sähköisten parametrien muutoksia.

Taulukko 1: Tietyn UHV-suurjännitejakauman projektissa tapahtuneet sähköisten parametrien muutokset muuntimivalvon esto-aikana

2.2 Jännityksen vaihtelut
Kun muuntovaikutin on blokattu, neutraalijohdon sulake on kyettävä kestämään paitsi sähköisiä myös mekaanisia jännitteitä. Sähköiset jännitteet johtuvat pääasiassa ylikirjoista ja ylivirtauksista, jotka lisäävät sähköistä kuluttumista sulakkeen kosketuksissa ja lyhentävät niiden käyttöikää. Mekaaniset jännitteet johtuvat pääasiassa vaikutusvoimista, jotka tuotantomekanismi aiheuttaa nopeissa avaus- ja sulkemistoiminnoissa, sekä sähkömagneettisista voimista, jotka aiheutuvat nopeista virtamurroksista. Esimerkiksi useissa muuntovaikutinblokkauksissa neutraalijohdon sulakkeen toimintamekanismin komponentit saattavat löistyä tai kulua, mikä vaikuttaa haitallisesti sen normaaliin avautumiseen ja sulkemiseen [3].

3.Yleiset vikoilmatyypit ja niiden syyanalyysi neutraalijohdon sulakkeissa UHV-muuntovaikutinblokkauksessa
3.1 Eritysuhka
3.1.1 Vian oireet
Eritysuhka on yksi yleisimmistä vikoilmatyypeistä neutraalijohdon sulakkeissa muuntovaikutinblokkauksessa. Se ilmenee pääasiassa sisäisten eristysmateriaalien vanhenemisena tai vaurioitumisena, mikä heikentää eristystehoa ja johtaa valojen loikkien läpimurtoihin. Esimerkiksi joissakin pitkäaikaisissa UHV-DC-siirtohankkeissa neutraalijohdon sulakkeen eristyskeramiikkokuljetusten pinnalla on ilmaantunut pilaantuminen ja reikiä, mikä on vakavasti heikentänyt eristystehoa.

3.1.2 Syyanalyysi
Eritysuhkan syynä ovat useita tekijöitä. Ensinnäkin, pitkäaikainen toiminta korkeassa jännitteessä ja suuressa virtassa vanhentaa ajan mittaan eristysmateriaaleja, mikä vähentää niiden eristystehoa. Toiseksi, muuntovaikutinblokkauksessa aiheutuvat ylikirjat ja ylivirtaukset aiheuttavat vakavia jännitteitä eristysmateriaaleille, nopeuttaen vanhenemisprosessia. Lisäksi, kovat toimoluvut, kuten korkea kosteus ja runsas saaste, aiheuttavat eristypinnoille pilaantumisen, mikä edelleen heikentää eristystehoa. Esimerkiksi rannikon lähellä sijaitsevassa UHV-DC-siirtohankkeessa, jossa on korkea kosteus ja suolinen ilmasto, neutraalijohdon sulakkeen eristyskeramiikan pinnalle helposti muodostuu johtava elohiekka, mikä merkittävästi vähentää eristystehoa ja aiheuttaa yleisiä valojen loikkien läpimurtoja.

3.2 Toimintamekanismin vika
3.2.1 Vian oireet
Toimintamekanismin vian oireina ovat poikkeavat avaus/sulkemisaikajaksot tai avautumisen/sulkemisen epäonnistuminen (kieltäytyminen toimimasta). Esimerkiksi muuntovaikutinblokkauksessa neutraalijohdon sulake voi näyttää liian pitkän avausajan, mikä estää DC-virta-keskeyttämisen nopeasti, tai se voi epäonnistua sulkeutumisessa, mikä johtaa huonoon kosketukseen.

3.2.2 Syyanalyysi
Toimintamekanismin vian syynä ovat monimutkaiset tekijät. Toisaalta, mekaaniset komponentit heikentyvät ajan myötä useissa toiminnoissa, mikä johtaa kuluvuuteen tai muotoonmuutoksiin, jotka heikentävät suorituskykyä. Esimerkiksi mekanismin kevytmetallit voivat menettää venymiskykyänsä väsymisen vuoksi, mikä johtaa riittämättömään avaus/sulkemisvoimaan. Toisaalta, ohjauskierrossa esiintyvät vikat, kuten relen vika tai katkennut ohjauskabeli, voivat estää mekanismin vastaanottamasta tai suorittamasta komentoja oikein. Lisäksi, muuntovaikutinblokkauksessa aiheutuva sähkömagneettinen häiriö voi häiritä ohjaussignaaleja, mikä aiheuttaa vikatoimintoja tai kieltäytymisen toimimasta. Esimerkiksi tietyssä UHV-DC-siirtohankkeessa ohjauskabeleja, jotka kulkevat lähellä suuria virtajohtoja, aiheutui vahva magneettinen häiriö muuntovaikutinblokkauksessa, mikä johti sulkimen kieltäytymiseen avautua.

3.3 Kosketusvirhe
3.3.1 Vian oireet
Kosketusvirheet sisältävät pääasiassa kosketuksen kuluttumisen, kosketusresistanssin kasvaminen ja kosketusten tulehduttamisen. Muuntovaikutinblokkauksessa, kun neutraalijohdon sulake keskeyttää suuret virtat, muodostuvat korkealämpöiset kaaret, jotka aiheuttavat kosketuspinnan kuluttumisen. Pidetty kuluttuminen johtaa epätasaiseen kosketuspintaan ja korkeampaan resistanssiin, mikä heikentää normaalia toimintaa. Vaikeissa tapauksissa kosketukset voivat tulehduttautua, mikä estää sulakkeen avaamisen.

3.3.2 Syyanalyysi
Kosketusvirheen pääsyy on suuri virta ja korkealämpöinen kaari, jotka muodostuvat muuntovaikutinblokkauksessa. Suuren virran virtaaminen tuottaa Joulen lämmityksen, mikä nostaa kosketuksen lämpötilaa, kun taas kaaren voimakas lämpö nopeuttaa kuluttumista. Lisäksi kosketusmateriaalin ominaisuudet ja valmistuslaatu vaikuttavat kaariresistenssiin. Kosketukset, jotka on tehty materiaaleista, joilla on heikko korkealämpöinen tai kaariresistenssi, tai jotka on valmistettu alhaisilla standardilla, ovat alttiimpia kuluttumiselle. Esimerkiksi tietyssä UHV-DC-hankkeessa neutraalijohdon sulake käytti kosketuksia, joilla oli riittämätön kaariresistenssi; useiden blokkauksen jälkeen tapahtui vakava kuluttuminen, mikä merkittävästi nosti kosketusresistanssin ja häiriöi normaalia toimintaa.

3.4 Virtasensorin vika
3.4.1 Vian oireet
Virtasensorin vian oireina ovat pääasiassa toissijainen avoin piiri, pyyhkeiden eritysuhka ja ydinmagnetiisen satuksen ylitys. Muuntovaikutinblokkauksessa DC-virran nopea muutos aiheuttaa virtasensorille merkittäviä jännitteitä, mikä tekee siitä alttiimman vikaan. Esimerkiksi avoin toissijainen piiri voi tuottaa vaarallisen korkeita jännitteitä, mikä uhkaa laitteita ja henkilöstöä; pyyhkeiden eritysuhka voi aiheuttaa sisäisiä lyhytkierreitä, mikä heikentää mittaustarkkuutta; ja ydinmagnetiisen satuksen ylitys lisää mittaustarkkuuden virheitä, mikä voi aiheuttaa väärät suojausreaktion aktivoinnin.

3.4.2 Syyanalyysi
Virtasensorin vian syynä ovat seuraavat: Ensinnäkin, muuntovaikutinblokkauksessa aiheutuva ylivirtaus aiheuttaa pyyhkeille korkeita lämpö- ja sähkömagneettisia jännitteitä, mikä voi vahingoittaa eritystä. Toiseksi, erityksen suorituskyky heikkenee ajan myötä, mikä tekee virtasensorista alttiimman vikaan poikkeuksellisissa olosuhteissa, kuten muuntovaikutinblokkauksessa. Lisäksi, väärä suunnittelu tai valinta, kuten väärä niminoitu virta tai tarkkuusluokka, voi johtaa ydinmagnetiisen satuksen ylitykseen blokkauksessa. Esimerkiksi tietyssä UHV-DC-hankkeessa virtasensorin niminoitu virta oli liian pieni; muuntovaikutinblokkauksessa ydinmagnetiinen satuminen tapahtui nopeasti, mikä esti virtan mittaamisen tarkasti ja aiheutti suojausrelaiden vikaan toimimisen.

Tässä artikkelissa on tehty tilastollinen analyysi useiden UHV DC-siirtohankkeiden vika-aineistosta, jotta voitaisiin ymmärtää paremmin neutraalijohdentason sulakevian eri vika-tyypit muunninvaiheen lohduttamisen aikana. Tulokset on esitetty taulukossa 2.

Taulukko 2: Neutraalijohdentason sulakkeiden vika-tyypit UHV-muunninvaiheen lohduttamisen aikana

4.Vianmääritys- ja käsittelytoimenpiteet neutraalijohdon sulakepäästöille UHV-muuntimivalvonnan aikana
4.1 Vian ennaltaehkäisytoimenpiteet
4.1.1 Laitevalintojen ja -suunnittelun optimointi
UHV-yksisuuntaisen jänniteen siirtoprojektien rakennusvaiheessa on huomioitava täysin muuntimivalvonnan kaltaisten epänormaalien olosuhteiden vaikutukset neutraalijohdon sulakepäästöihin, ja laitevalintoja ja -suunnittelua on optimoitava vastaavasti. Valittavaksi on otettava keskeisiä komponentteja, kuten korkean eristeysohjelman suorittavia sulkia, hyviä kaarujen vastustavia yhteyksiä, luotettavia toimintamekanismeja ja sopivasti arvioituja kulutusmuuntimia. Esimerkiksi edistyneistä eristeysmateriaaleista ja valmistusprosesseista valmistetut eristyskeramiikkuputket voivat parantaa eristeyksen luotettavuutta; vahvojen kaarujen vastustavien yhteyksien materiaalit pidentävät yhteyksien käyttöikää; ja hyvin suunniteltu toimintamekanismi taataa tarkkaa ja luotettavaa avaamista/sulautumista eri toimintatilanteissa.

4.1.2 Laitevalvonnan ja -huollon vahvistaminen
Pitäisi perustaa kattava laitevalvontajärjestelmä, joka seuraa jatkuvasti neutraalijohdon sulakepäästön toiminta-parametreja, mukaan lukien sähköiset parametrit, lämpötila, paine, värähtely ja muut tilaindikaattorit. Datan analysoinnin avulla voidaan tunnistaa varhaisessa vaiheessa potentiaaliset vian riskit. Esimerkiksi infrapunaspektrografiaa voidaan käyttää yhteyksien ja liitoskohtien lämpötilan seurantaan; poikkeuksellinen lämpötilan nousu aiheuttaa ajankohtaista tarkastusta ja korjaustoimenpiteitä. Sähköeristyksen vastuksen ja osittaispurkauksen sähköisessä valvonnassa voidaan arvioida eristymisen tila. Lisäksi säännöllistä huoltoa, kuten puhdistusta, silittämistä ja kiristämistä, pitäisi vahvistaa, jotta varustus pysyisi optimaalisessa toimintatilassa.

4.1.3 Toimintaympäristön laadun parantaminen
Neutraalijohdon sulakepäästön toimintaympäristöä pitäisi parantaa, jotta vähennetään haitallisten ympäristövaikutusten vaikutusta. Esimerkiksi ilmanpuhdistusjärjestelmiä voidaan asentaa alueverkoissa, jotta vähennetään ilmaan levittyviä kontaminoivia ja korroosioa aiheuttavia kaasuja; tehokkaat kosteuden hallintatoimet, kuten kuivaimet, voivat ylläpitää kuivaa olosuhtea varustuksen ympärillä. Rannikkoalueilla tai raskaasti teollisuudella saastuneilla alueilla erityisiä suojatoimia, kuten anti-korroosiopeitteitä, voidaan käyttää parantamaan varustuksen vastustuskykyä ympäristöongelmien aiheuttamaan heikkenemiseen.

4.2 Vian käsittelytoimenpiteet
4.2.1 Nopeiden vian diagnostiikan teknologioiden soveltaminen
Kun havaitaan vika neutraalijohdon sulakepäästössä, nopeita vian diagnostiikan tekniikoita tulisi käyttää vian tyyppin ja syyn tarkkaan tunnistamiseen. Älykkäät diagnostiikkajärjestelmät, yhdistettynä reaaliaikaiseen toimintatietoon ja vian ominaispiirteisiin, mahdollistavat nopean vian paikantamisen datan analysoinnin ja mallipohjaisen laskennan avulla. Esimerkiksi reaaliaikainen seuranta ja analyysi sähkövirran ja jännitteen parametreista auttavat määrittämään, onko tapahtunut eristyksen epäonnistuminen, yhteyden vaurioituminen tai kulutusmuuntimen toiminnan häiriintyminen; värähtelyn analyysi paljastaa mekaanisia ongelmia toimintamekanismissa.

4.2.2 Järkevien vian käsittelymenetelmien luominen
Yksityiskohtaisia ja järkeviä vian käsittelymenetelmiä tulisi kehittää varmistaaksemme nopean ja tehokkaan reagoinnin, kun sattuu vika. Nämä menetelmät tulisi sisältää vian raportoimisen, paikan päällä olevan tarkastuksen, vian diagnostiikan, korjauksen suunnittelun, korjauksen toteuttamisen, varustuksen testaamisen ja hyväksynnän vahvistamisen. Koko prosessin ajan on noudatettava tiukasti turvallisuusprotokollia henkilöstön ja varustuksen suojelemiseksi. Esimerkiksi eristyksen vian käsittelyssä on ensin katkaistava virta ja vapautettava tallennettu energia ennen tarkastusta ja korjausta; komponentin korvaamisen jälkeen on tehtävä ankarat testit ja hyväksyntätarkastukset, jotta vahvistetaan, että suorituskyky vastaa vaadittuja standardeja.

4.2.3 hätävaruste ja varauduttamissuunnitelmat
Minimoitakseen neutraalijohdon sulakepäästön vian vaikutuksen järjestelmän toimintaan, hätävarusteja tulisi olla saatavilla, ja laajat varauduttamissuunnitelmat tulisi laatia. Severe vian tapauksessa, jota ei voida nopeasti korjata, hätävarusteja voidaan nopeasti käyttää normaalin järjestelmän toiminnan palauttamiseksi. Hätävarusteen säännöllinen ylläpito ja testaus ovat tarpeen sen varmistamiseksi, että se on hyvässä varustilaan. Varauduttamissuunnitelma tulisi määrittää hätätoimintamenetelmät, henkilöstön vastuut, viestintäprotokollit ja muut avaintekijät, jotta hätätoiminta olisi järjestetty ja tehokasta.

5.Johdanto
UHV-muuntimivalvonnan aikana neutraalijohdon sulakepäästöt kohtaavat useita vian riskejä, mukaan lukien eristysvika, toimintamekanismin vika, yhteyden vaurioituminen ja kulutusmuuntimen vika, jotka kaikki voivat merkittävästi heikentää UHV-yksisuuntaisen jänniteen siirtojärjestelmien turvallista ja vakautettua toimintaa. Muuntimivalvonnan estymismekanismi ja neutraalijohdon sulakepäästön toimintatila sellaisissa olosuhteissa on tarkasteltu perusteellisesti, ja yleiset vian tyypit ja niiden syyt on selitetty yksityiskohtaisilla tapaustutkimuksilla. Vian tehokkaaksi ennaltaehkäisemiseksi ja käsittelyksi tulisi toteuttaa ennaltaehkäisyt toimenpiteet laitevalintoissa ja -suunnittelussa, toiminnan valvonnassa ja -huollossa sekä ympäristön parantamisessa. Samalla vian käsittelystrategioita, kuten nopeita diagnostiikkateknologioita, standardoituja korjausmenettelyjä ja hätävarustejärjestelmiä, tulisi omaksua lisäämään UHV-yksisuuntaisen jänniteen siirtojärjestelmien toiminnan luotettavuutta.