Analyse des défauts de l'interupteur de la barre neutre pendant le blocage des valves de convertisseur à ultra-haute tension

1.Principe de blocage des valves convertisseuses à très haute tension
1.1 Principe de fonctionnement des valves convertisseuses
Les valves convertisseuses à très haute tension (UHV) utilisent généralement des valves thyristor ou des valves à transistors bipolaires isolés par grille (IGBT) pour convertir le courant alternatif (CA) en courant continu (CC) et vice versa. En prenant l'exemple de la valve thyristor, elle est composée de plusieurs thyristors connectés en série et en parallèle. En contrôlant la mise en marche (déclenchement) et l'arrêt des thyristors, la valve régule et convertit le courant électrique. Lors d'un fonctionnement normal, la valve convertisseuse convertit le CA en CC ou le CC en CA selon une séquence et un timing de déclenchement prédéfinis [1].

1.2 Causes et processus de blocage des valves convertisseuses
Le blocage des valves convertisseuses peut être déclenché par divers facteurs, y compris les surtensions, les surintensités, les pannes internes des composants et les anomalies dans le système de commande et de protection. Lorsque de telles anomalies sont détectées, le système de commande et de protection émet rapidement une commande de blocage, cessant le déclenchement de tous les thyristors ou valves IGBT, ce qui bloque la valve convertisseuse.

Au cours du processus de blocage, des changements importants se produisent dans les paramètres électriques du système. Par exemple, du côté redresseur, après le blocage de la valve convertisseuse, le courant du côté CA diminue rapidement. Cependant, en raison de l'inductance de ligne, le courant du côté CC ne tombe pas immédiatement à zéro et continue à circuler par des voies telles que la barre neutre, formant un courant de roue libre. À ce moment, le disjoncteur de la barre neutre doit opérer rapidement pour interrompre le courant CC et protéger l'équipement du système contre les dommages causés par un courant excessif [2].

2.Conditions de fonctionnement du disjoncteur de la barre neutre lors du blocage de la valve convertisseuse
2.1 Changements des paramètres électriques
Lorsque la valve convertisseuse est bloquée, la tension et le courant traversant le disjoncteur de la barre neutre subissent des changements drastiques. Du côté CC, puisque la valve convertisseuse bloquée empêche le flux de courant normal, un surcourant se produit dans la barre neutre et les équipements associés. De plus, en raison des processus transitoires électromagnétiques dans le système, une surtension peut apparaître à travers le disjoncteur de la barre neutre.

Par exemple, dans un certain projet de transmission de courant continu à très haute tension, après le blocage de la valve convertisseuse, le courant de la barre neutre a instantanément augmenté à 2-3 fois le courant nominal, et la tension à travers le disjoncteur de la barre neutre a montré des fluctuations significatives, atteignant 1,5 fois la tension de fonctionnement normale. Le tableau 1 illustre visuellement les changements des paramètres électriques lors du blocage de la valve convertisseuse.

Tableau 1 : Changements des paramètres électriques lors du blocage de la valve convertisseuse dans un certain projet de transmission de courant continu à très haute tension

2.2 Variations de contraintes
Lorsque la valve du convertisseur est bloquée, le disjoncteur de la barre neutre doit résister non seulement aux contraintes électriques mais aussi aux contraintes mécaniques. Les contraintes électriques proviennent principalement des surtensions et des surintensités, qui intensifient l'érosion électrique des contacts du disjoncteur et raccourcissent leur durée de vie. Les contraintes mécaniques proviennent principalement des forces d'impact générées par le mécanisme de fonctionnement lors des opérations rapides d'ouverture et de fermeture, ainsi que des forces électromagnétiques causées par des changements rapides de courant. Par exemple, en cas de blocages fréquents de la valve du convertisseur, les composants du mécanisme de fonctionnement du disjoncteur de la barre neutre peuvent se desserrer ou s'user, affectant négativement sa performance normale d'ouverture et de fermeture [3].

3. Types de pannes courantes et analyse des causes des disjoncteurs de la barre neutre lors du blocage de la valve du convertisseur
3.1 Défaillance d'isolation
3.1.1 Manifestations de la panne
La défaillance d'isolation est l'un des types de pannes plus courants pour les disjoncteurs de la barre neutre lors du blocage de la valve du convertisseur. Elle se manifeste principalement par le vieillissement ou l'endommagement des matériaux d'isolation internes, entraînant une dégradation des performances d'isolation et aboutissant à des flashovers ou des ruptures. Par exemple, dans certains projets de transmission continue à très haute tension (THT) en fonctionnement depuis longtemps, des contaminations de surface et des fissures sont apparues sur les isolateurs en porcelaine à l'intérieur du disjoncteur de la barre neutre, compromettant gravement les performances d'isolation.

3.1.2 Analyse des causes
Les causes de la défaillance d'isolation comprennent plusieurs aspects. Premièrement, un fonctionnement prolongé sous haute tension et grand courant fait vieillir progressivement les matériaux d'isolation, réduisant leur capacité d'isolation au fil du temps. Deuxièmement, les surtensions et surintensités générées lors du blocage de la valve du convertisseur imposent des contraintes sévères aux matériaux d'isolation, accélérant le processus de vieillissement. En outre, des conditions d'exploitation difficiles, telles que l'humidité élevée et la pollution intense, font accumuler des contaminants sur les surfaces d'isolation, dégradant davantage les performances d'isolation. Par exemple, dans un projet de transmission THT côtier avec une humidité élevée et de l'air chargé de sel, un film conducteur se forme facilement à la surface des isolateurs en porcelaine du disjoncteur de la barre neutre, réduisant considérablement la résistance d'isolation et provoquant des pannes de flashover fréquentes.

3.2 Défaillance du mécanisme de fonctionnement
3.2.1 Manifestations de la panne
Les défaillances du mécanisme de fonctionnement se manifestent principalement par des temps d'ouverture/fermeture anormaux ou par un refus de s'ouvrir/fermer. Par exemple, lors du blocage de la valve du convertisseur, le disjoncteur de la barre neutre peut présenter des temps d'ouverture excessivement longs, ne parvenant pas à interrompre le courant continu rapidement, ou peut ne pas se fermer correctement, entraînant un mauvais contact.

3.2.2 Analyse des causes
Les causes des défaillances du mécanisme de fonctionnement sont complexes. D'une part, les composants mécaniques se dégradent au fil du temps en raison des opérations fréquentes, subissant un usure ou une déformation qui altère leurs performances. Par exemple, les ressorts du mécanisme peuvent perdre leur élasticité en raison de la fatigue, entraînant une force d'ouverture/fermeture insuffisante. D'autre part, les pannes du circuit de commande, telles que la défaillance d'un relais ou la rupture des câbles de commande, peuvent empêcher le mécanisme de recevoir ou d'exécuter correctement les commandes. De plus, l'interférence électromagnétique lors du blocage de la valve du convertisseur peut perturber les signaux de commande, provoquant des dysfonctionnements ou un refus de fonctionner. Par exemple, dans un certain projet de transmission THT, les câbles de commande situés près des barres de courant élevé ont subi une forte interférence magnétique lors du blocage de la valve, entraînant un refus d'ouverture du disjoncteur.

3.3 Défaillance des contacts
3.3.1 Manifestations de la panne
Les défaillances des contacts comprennent principalement l'érosion des contacts, l'augmentation de la résistance de contact et la soudure des contacts. Lors du blocage de la valve du convertisseur, lorsque le disjoncteur de la barre neutre interrompt de grands courants, des arcs à haute température se forment, causant l'érosion de la surface des contacts. Une érosion prolongée conduit à des surfaces de contact inégales et à une résistance plus élevée, perturbant le fonctionnement normal. Dans les cas graves, les contacts peuvent se souder, empêchant le disjoncteur de s'ouvrir.

3.3.2 Analyse des causes
La cause principale des défaillances des contacts est le grand courant et l'arc à haute température générés lors du blocage de la valve du convertisseur. Le passage d'un grand courant produit un chauffage Joule, augmentant la température des contacts, tandis que la chaleur intense de l'arc accélère l'érosion. De plus, les propriétés des matériaux de contact et la qualité de fabrication affectent la résistance à l'arc. Les contacts fabriqués avec des matériaux ayant une faible résistance à haute température ou à l'arc, ou ceux produits avec des procédés inférieurs, sont plus susceptibles d'être érodés. Par exemple, dans un projet THT, le disjoncteur de la barre neutre utilisait des contacts avec une résistance à l'arc insuffisante ; après plusieurs événements de blocage, une érosion sévère s'est produite, augmentant considérablement la résistance de contact et perturbant le fonctionnement normal.

3.4 Défaillance du transformateur de courant
3.4.1 Manifestations de la panne
Les défaillances du transformateur de courant comprennent principalement les circuits ouverts côté secondaire, l'endommagement de l'isolation des bobinages et la saturation du noyau. Lors du blocage de la valve du convertisseur, le changement brutal du courant continu soumet le transformateur de courant à des contraintes importantes, le rendant susceptible de défaillir. Par exemple, un circuit ouvert côté secondaire peut générer des tensions dangereusement élevées, mettant en danger les équipements et le personnel ; l'endommagement de l'isolation des bobinages peut causer des courts-circuits internes, dégradant la précision de mesure ; et la saturation du noyau augmente les erreurs de mesure, pouvant déclencher des actions de protection incorrectes.

3.4.2 Analyse des causes
Les causes des défaillances du transformateur de courant comprennent les éléments suivants : Premièrement, le surcourant lors du blocage de la valve du convertisseur soumet les bobinages à des contraintes thermiques et électromagnétiques élevées, pouvant endommager l'isolation. Deuxièmement, les performances d'isolation se dégradent naturellement au fil du temps, rendant les transformateurs plus vulnérables aux défaillances dans des conditions anormales comme le blocage de la valve. En outre, une conception ou une sélection inappropriée, telle qu'un courant nominal ou une classe de précision incorrecte, peut entraîner une saturation du noyau lors des événements de blocage. Par exemple, dans un projet THT, le courant nominal du transformateur de courant était trop bas ; lors du blocage de la valve, le noyau s'est rapidement saturé, ne mesurant pas correctement le courant et provoquant des dysfonctionnements des relais de protection.

Pour mieux comprendre la proportion de chaque type de défaut parmi les pannes des disjoncteurs de barre neutre lors du blocage des valves convertisseurs, cet article a mené une analyse statistique des données de défaillance provenant de plusieurs projets de transmission UHV DC, avec les résultats présentés dans le Tableau 2.

Tableau 2 : Proportion des types de défauts des disjoncteurs de barre neutre lors du blocage des valves convertisseurs UHV

4.Mesures de prévention et de gestion des pannes pour les disjoncteurs de barre neutre pendant le blocage des valves convertisseurs en tension extrêmement haute
4.1 Mesures de prévention des pannes
4.1.1 Optimisation de la sélection et de la conception des équipements
Lors de la phase de construction des projets de transmission directe en tension extrêmement haute (UHV), l'impact des conditions anormales telles que le blocage des valves convertisseurs sur les disjoncteurs de barre neutre doit être pleinement pris en compte, et la sélection et la conception des équipements doivent être optimisées en conséquence. Des composants clés tels que des disjoncteurs avec une performance d'isolation élevée, des contacts résistants à l'arc, des mécanismes de fonctionnement fiables et des transformateurs de courant adéquatement dimensionnés doivent être sélectionnés. Par exemple, les isolateurs en porcelaine fabriqués à partir de matériaux d'isolation avancés et de procédés de fabrication peuvent améliorer la fiabilité de l'isolation ; les matériaux de contact dotés d'une forte résistance à l'arc prolongent la durée de vie des contacts ; et un mécanisme de fonctionnement bien conçu garantit un ouverture/fermeture précis et fiable dans diverses conditions de fonctionnement.

4.1.2 Renforcement de la surveillance et de la maintenance des équipements
Un système de surveillance des équipements complet doit être établi pour surveiller en continu les paramètres opérationnels du disjoncteur de barre neutre, y compris les paramètres électriques, la température, la pression, les vibrations et d'autres indicateurs d'état. Grâce à l'analyse des données, les risques potentiels de panne peuvent être identifiés tôt. Par exemple, la thermographie infrarouge peut être utilisée pour surveiller les températures aux contacts et aux points de connexion ; les hausses de température anormales déclenchent des inspections et des actions correctives en temps opportun. La surveillance en ligne de la résistance d'isolation et des décharges partielles aide à évaluer l'état de l'isolation. De plus, l'entretien régulier, y compris le nettoyage, la lubrification et le serrage, doit être renforcé pour assurer que l'équipement reste en condition optimale de fonctionnement.

4.1.3 Amélioration de la qualité de l'environnement de fonctionnement
L'environnement de fonctionnement du disjoncteur de barre neutre doit être amélioré pour atténuer les impacts environnementaux négatifs. Par exemple, des systèmes de purification de l'air peuvent être installés dans les postes de transformation pour réduire les contaminants atmosphériques et les gaz corrosifs ; des mesures efficaces de contrôle de l'humidité, telles que des déshumidificateurs, peuvent maintenir des conditions sèches autour de l'équipement. Dans les zones côtières ou fortement polluées par l'industrie, des traitements de protection spéciaux, tels que des revêtements anticorrosion, peuvent être appliqués pour renforcer la résistance de l'équipement à la dégradation environnementale.

4.2 Mesures de gestion des pannes
4.2.1 Application des technologies de diagnostic rapide des pannes
Lorsqu'une panne est détectée dans le disjoncteur de barre neutre, des technologies de diagnostic rapide des pannes doivent être utilisées pour identifier précisément le type de panne et sa cause racine. Les systèmes de diagnostic intelligents, combinés aux données opérationnelles en temps réel et aux caractéristiques des pannes, permettent une localisation rapide des pannes grâce à l'analyse des données et aux calculs basés sur des modèles. Par exemple, la surveillance et l'analyse en temps réel des paramètres de courant et de tension peuvent aider à déterminer si une panne d'isolation, une défaillance des contacts ou une panne du transformateur de courant s'est produite ; l'analyse des vibrations peut révéler des problèmes mécaniques dans le mécanisme de fonctionnement.

4.2.2 Établissement de procédures rationnelles de gestion des pannes
Des procédures détaillées et rationnelles de gestion des pannes doivent être élaborées pour assurer une réponse rapide et efficace en cas de défaillance. Ces procédures doivent inclure la déclaration de la panne, l'inspection sur site, le diagnostic de la panne, la planification des réparations, la mise en œuvre des réparations, les tests de l'équipement et la vérification d'acceptation. Tout au long du processus, il est essentiel de respecter strictement les protocoles de sécurité pour protéger le personnel et l'équipement. Par exemple, lors de la prise en charge des pannes d'isolation, l'alimentation électrique doit d'abord être coupée et l'énergie stockée déchargée avant l'inspection et la réparation ; après le remplacement des composants, des tests rigoureux et des vérifications d'acceptation doivent confirmer que la performance répond aux normes requises.

4.2.3 Équipements de secours d'urgence et plans de contingence
Pour minimiser l'impact des pannes des disjoncteurs de barre neutre sur le fonctionnement du système, des équipements de secours d'urgence doivent être disponibles, et des plans de contingence complets doivent être élaborés. En cas de panne grave qui ne peut pas être réparée rapidement, les équipements de secours peuvent être déployés rapidement pour restaurer le fonctionnement normal du système. Une maintenance et des tests réguliers des équipements de secours sont nécessaires pour s'assurer qu'ils restent en bon état de veille. Le plan de contingence doit spécifier les procédures de réponse d'urgence, les responsabilités du personnel, les protocoles de communication et d'autres éléments clés pour permettre une gestion d'urgence ordonnée et efficace.

5.Conclusion
Lors du blocage des valves convertisseurs en tension extrêmement haute, les disjoncteurs de barre neutre font face à plusieurs risques de pannes, y compris la panne d'isolation, la défaillance du mécanisme de fonctionnement, l'endommagement des contacts et les pannes des transformateurs de courant, tous ces facteurs pouvant compromettre considérablement le fonctionnement sûr et stable des systèmes de transmission directe en tension extrêmement haute. En analysant en profondeur le mécanisme de blocage des valves convertisseurs et l'état opérationnel des disjoncteurs de barre neutre dans de telles conditions, les types de pannes courantes et leurs causes ont été clairement identifiés, appuyés par des études de cas détaillées. Pour prévenir et gérer efficacement ces pannes, des mesures préventives doivent être mises en œuvre dans la sélection et la conception des équipements, la surveillance opérationnelle et la maintenance, ainsi que l'amélioration de l'environnement. Simultanément, des stratégies de gestion des pannes, y compris les technologies de diagnostic rapide, les procédures de réparation standardisées et les systèmes de secours d'urgence, doivent être adoptées pour renforcer davantage la fiabilité opérationnelle des systèmes de transmission directe en tension extrêmement haute.