Análise de fallos do interruptor da barra neutra durante o bloqueo das válvulas conversoras de ultra-alta tensión

1.Principio de bloqueo dos válvulas conversoras de ultra alta tensión
1.1 Principio de funcionamento das válvulas conversoras
As válvulas conversoras de ultra alta tensión (UHV) adoitan empregar válvulas de tiristores ou válvulas de transistores bipolares de aislamento por porta (IGBT) para converter corrente alternativa (AC) en corrente continua (DC) e viceversa. Tomando como exemplo a válvula de tiristor, esta consiste en múltiples tiristores conectados en serie e paralelo. Controlando a activación (conmutación) e desactivación dos tiristores, a válvula regula e converte a corrente eléctrica. Durante o funcionamento normal, a válvula conversora converte AC en DC ou DC en AC segundo unha secuencia de disparo e tempo predefinidos [1].

1.2 Causas e proceso do bloqueo da válvula conversora
O bloqueo da válvula conversora pode ser provocado por diversos factores, incluíndo sobretensión, sobrecorrente, fallos nos componentes internos e anormalidades no sistema de control e protección. Cando se detectan tales anomalias, o sistema de control e protección emite rapidamente unha orde de bloqueo, cesando a activación de todos os tiristores ou válvulas IGBT, bloqueando así a válvula conversora.

Durante o proceso de bloqueo, ocorren cambios significativos nos parámetros eléctricos do sistema. Por exemplo, no lado rectificador, despois de que a válvula conversora é bloqueada, a corrente do lado AC diminúe rapidamente. No entanto, debido á inductancia da liña, a corrente do lado DC non cai inmediatamente a cero e, en cambio, continúa circulando a través de camiños como a barra neutra, formando unha corrente de rueda libre. Nese momento, o interruptor da barra neutra debe operar rapidamente para interromper a corrente DC e protexer o equipo do sistema de danos causados pola corrente excesiva [2].

2.Condicións de funcionamento do interruptor da barra neutra durante o bloqueo da válvula conversora
2.1 Cambios nos parámetros eléctricos
Cando a válvula conversora está bloqueada, a tensión e a corrente a través do interruptor da barra neutra experimentan cambios drásticos. No lado DC, xa que a válvula conversora bloqueada impide o flujo de corrente normal, ocorre sobrecorrente na barra neutra e no equipamento asociado. Ao mesmo tempo, debido aos procesos transitórios electromagnéticos no sistema, pode aparecer sobretensión a través do interruptor da barra neutra.

Por exemplo, nun determinado proxecto de transmisión DC de ultra alta tensión, despois do bloqueo da válvula conversora, a corrente da barra neutra aumentou instantaneamente a 2-3 veces a corrente nominal, e a tensión a través do interruptor da barra neutra mostrou fluctuacións significativas, alcanzando un pico de 1,5 veces a tensión de funcionamento normal. A Táboa 1 ilustra visualmente os cambios nos parámetros eléctricos durante o bloqueo da válvula conversora.

Táboa 1: Cambios nos parámetros eléctricos durante o bloqueo da válvula conversora nun determinado proxecto de transmisión DC de ultra alta tensión

2.2 Variacións de estrés
Cando o valvula do conversor está bloqueado, o interruptor da barra neutra debe resistir non só o estrés eléctrico, senón tamén o mecánico. O estrés eléctrico provén principalmente de sobretensións e sobrecorrentes, que intensifican a erosión eléctrica dos contactos do interruptor e acortan a súa vida útil. O estrés mecánico resulta principalmente das forzas de impacto xeradas polo mecanismo de funcionamento durante as operacións rápidas de apertura e pechado, así como das forzas electromagnéticas causadas por cambios rápidos de corrente. Por exemplo, en eventos frecuentes de bloqueo do valvula do conversor, os compoñentes do mecanismo de funcionamento do interruptor da barra neutra poden afrouxarse ou desgastarse, afectando adversamente o seu rendemento normal de apertura e pechado [3].

3. Tipos comúns de fallos e análise de causas dos interruptores da barra neutra durante o bloqueo do valvula do conversor
3.1 Fallo de aislamento
3.1.1 Manifestacións do fallo
O fallo de aislamento é un dos tipos de fallos máis comúns para os interruptores da barra neutra durante o bloqueo do valvula do conversor. Manifestase principalmente como envejecemento ou danos nos materiais de aislamento internos, provocando un deterioro no rendemento do aislamento e resultando en descargas ou rupturas. Por exemplo, en algúns proxectos de transmisión DC UHV de longa duración, apareceron contaminacións superficiais e rachaduras nas embutidas de porcelana aislante dentro do interruptor da barra neutra, comprometendo gravemente o rendemento do aislamento.

3.1.2 Análise de causas
As causas do fallo de aislamento inclúen varios aspectos. Primeiro, a operación prolongada baixo alta tensión e gran corrente envejecen gradualmente os materiais de aislamento, reducindo a súa capacidade de aislamento ao longo do tempo. Segundo, a sobretensión e a sobrecorrente xeradas durante o bloqueo do valvula do conversor imponen un estrés severo aos materiais de aislamento, acelerando o proceso de envejecemento. Ademais, entornos de operación adversos—como alta humidade e forte contaminación—causan a acumulación de contaminantes nas superficies de aislamento, degradando aínda máis o rendemento do aislamento. Por exemplo, nun proxecto de transmisión DC UHV costeiro con alta humidade e aire cargado de sal, forma-se facilmente unha película conductora na superficie das embutidas de porcelana aislante do interruptor da barra neutra, reducindo significativamente a forza do aislamento e causando fallos de descarga frecuentes.

3.2 Fallo do mecanismo de funcionamento
3.2.1 Manifestacións do fallo
Os fallos do mecanismo de funcionamento manifestanse principalmente como tempos anormais de apertura/pechado ou incapacidade de abrir/pechar (recusa de funcionar). Por exemplo, durante o bloqueo do valvula do conversor, o interruptor da barra neutra pode mostrar tempos de apertura excesivamente longos, incapaz de interromper a corrente DC de xeito puntual, ou pode fallar ao pechar correctamente, resultando en mal contacto.

3.2.2 Análise de causas
As causas dos fallos do mecanismo de funcionamento son complexas. Por un lado, os compoñentes mecánicos se degradan ao longo do tempo debido ás operacións frecuentes, sufrindo desgaste ou deformación que impide o rendemento. Por exemplo, as molas no mecanismo poden perder elasticidade debido ao cansancio, resultando en forza insuficiente de apertura/pechado. Por outro lado, fallos no circuito de control—como o fallo de relés ou cabos de control rotos—poden impedir que o mecanismo reciba ou execute correctamente as ordes. Ademais, a interferencia electromagnética durante o bloqueo do valvula do conversor pode perturbar as señales de control, causando fallos ou recusa de funcionar. Por exemplo, nalgún proxecto de transmisión DC UHV, os cabos de control roteados preto das barras de corrente alta experimentaron forte interferencia magnética durante o bloqueo do valvula, levando á recusa do interruptor de abrir.

3.3 Fallo de contacto
3.3.1 Manifestacións do fallo
Os fallos de contacto inclúen principalmente erosión de contacto, aumento da resistencia de contacto e soldadura de contacto. Durante o bloqueo do valvula do conversor, cando o interruptor da barra neutra interrompe correntes grandes, formáronse arcos de alta temperatura, causando a erosión da superficie de contacto. A erosión prolongada leva a superficies de contacto irregulares e maior resistencia, prejudicando a operación normal. En casos graves, os contactos poden soldarse, impedindo que o interruptor abra.

3.3.2 Análise de causas
A causa principal do fallo de contacto é a gran corrente e o arco de alta temperatura xerados durante o bloqueo do valvula do conversor. O flujo de gran corrente produce calor Joule, aumentando a temperatura de contacto, mentres que o calor intenso do arco acelera a erosión. Ademais, as propiedades dos materiais de contacto e a calidade da fabricación afectan a resistencia ao arco. Os contactos feitos de materiais con pobre resistencia a altas temperaturas ou arcos, ou aqueles producidos con procesos subestándar, son máis propensos a erosión. Por exemplo, nun proxecto DC UHV, o interruptor da barra neutra usou contactos con resistencia insuficiente ao arco; despois de múltiples eventos de bloqueo, ocorreu erosión grave, aumentando significativamente a resistencia de contacto e interrompendo a operación normal.

3.4 Fallo do transformador de corrente
3.4.1 Manifestacións do fallo
Os fallos do transformador de corrente inclúen principalmente circuitos abertos no lado secundario, danos no aislamento dos devanados e saturación do núcleo. Durante o bloqueo do valvula do conversor, o cambio brusco na corrente DC somete o transformador de corrente a un estrés significativo, facéndoo propenso a fallos. Por exemplo, un circuito secundario aberto pode xerar voltaxes perigosamente altos, ponendo en perigo o equipo e o persoal; os danos no aislamento dos devanados poden causar curtos circuitos internos, degradando a precisión da medida; e a saturación do núcleo aumenta os erros de medida, podendo desencadear accións protectoras incorrectas.

3.4.2 Análise de causas
As causas do fallo do transformador de corrente inclúen o seguinte: Primeiro, a sobrecorrente durante o bloqueo do valvula do conversor somete os devanados a alto estrés térmico e electromagnético, posiblemente danando o aislamento. Segundo, o rendemento do aislamento degrádase naturalmente ao longo do tempo, facendo que os transformadores sexan máis vulnerables a fallos en condicións anómalas como o bloqueo do valvula. Ademais, un deseño ou selección incorrectos—como unha corrente nominal incorrecta ou clase de precisión—poden levar a saturación do núcleo durante os eventos de bloqueo. Por exemplo, nun proxecto DC UHV, a corrente nominal do transformador de corrente era demasiado baixa; durante o bloqueo do valvula, o núcleo saturouse rapidamente, falando en medir a corrente de xeito correcto e causando o malfuncionamento dos relevadores protectores.

Para mellor comprender a proporción de cada tipo de fallo entre as fallas dos interruptores da barra neutra durante o bloqueo do valvulón conversor, este artigo realizou unha análise estatística dos datos de fallos de múltiples proxectos de transmisión UHV DC, cuxos resultados amóstranse na Táboa 2.

Táboa 2: Proporción de Tipos de Fallos de Interruptores da Barra Neutra Durante o Bloqueo do Valvulón Conversor UHV

4.Medidas de prevención e xestión de fallos para interruptores de barras neutras durante o bloqueo do valvulín de conversor UHV
4.1 Medidas de prevención de fallos
4.1.1 Optimización da selección e deseño de equipos
Durante a fase de construción dos proxectos de transmisión DC UHV, debe considerarse completamente o impacto de condicións anómalas como o bloqueo do valvulín de conversor nos interruptores de barras neutras, e debe optimizarse en consecuencia a selección e o deseño do equipo. Deberían seleccionarse componentes clave, como interruptores con alto rendemento de aislamento, contactos resistentes ao arco, mecanismos de funcionamento fiables e transformadores de corrente adecuadamente calibrados. Por exemplo, as cimbres de porcelana aislante feitas de materiais e procesos de fabricación avanzados poden aumentar a fiabilidade do aislamento; os materiais de contacto con forte resistencia ao arco prolongan a vida útil dos contactos; e un mecanismo de funcionamento ben deseñado asegura unha apertura/cierre precisa e fiable en varias condicións de funcionamento.

4.1.2 Reforzo da monitorización e manutención do equipo
Debe establecerse un sistema de monitorización comprehensivo para controlar continuamente os parámetros operativos do interruptor de barras neutras, incluíndo parámetros eléctricos, temperatura, presión, vibración e outros indicadores de estado. A través do análise de datos, pódense identificar cedo os riscos potenciais de fallo. Por exemplo, a termografía infravermella pode utilizarse para controlar as temperaturas nos contactos e puntos de conexión; os aumentos anómalos de temperatura activan inspeccións e accións correctivas oportunas. A monitorización en liña da resistencia de aislamento e descargas parciais axuda a avaliar a condición do aislamento. Ademais, debe reforzarse a manutención rutinaria, incluíndo limpeza, lubricación e aperturas, para asegurar que o equipo permanece en condicións óptimas de funcionamento.

4.1.3 Melora da calidade do entorno de funcionamento
Debe mellorarse o entorno de funcionamento do interruptor de barras neutras para mitigar os efectos adversos do medio ambiente. Por exemplo, poden instalarse sistemas de purificación de aire nas subestacións para reducir os contaminantes atmosféricos e gases corrosivos; medidas efectivas de control de humidade, como deshumidificadores, poden manter condicións secas arredor do equipo. En zonas costeiras ou altamente poluídas industrialmente, poden aplicarse tratamentos protexidos especiais, como revestimentos antirroídos, para aumentar a resistencia do equipo á degradación ambiental.

4.2 Medidas de xestión de fallos
4.2.1 Aplicación de tecnoloxías de diagnóstico rápido de fallos
Cando se detecta un fallo no interruptor de barras neutras, deben empregarse tecnoloxías de diagnóstico rápido para identificar precisamente o tipo de fallo e a súa causa raíz. Os sistemas de diagnóstico inteligentes, combinados con datos operativos en tempo real e características de fallos, permiten a localización rápida do fallo a través da análise de datos e cálculos baseados en modelos. Por exemplo, o control e análise en tempo real dos parámetros de corrente e voltaxe poden axudar a determinar se ocorreu un fallo de aislamento, dano nos contactos ou malfuncionamento do transformador de corrente; a análise de vibración pode revelar problemas mecánicos no mecanismo de funcionamento.

4.2.2 Estabelecemento de procedementos racionais de xestión de fallos
Deben desenvolverse procedementos detallados e racionais de xestión de fallos para asegurar unha resposta rápida e eficaz cando ocorran fallos. Estes procedementos deben incluír a notificación de fallos, a inspección in situ, o diagnóstico de fallos, a planificación de reparacións, a implementación de reparacións, a proba de equipos e a verificación de aceptación. A lo longo do proceso, é esencial a adhesión estrita aos protocolos de seguridade para protexer ao persoal e ao equipo. Por exemplo, ao abordar fallos de aislamento, primeiro debe desconectarse a enerxía e descargarse a enerxía almacenada antes da inspección e reparación; despois da substitución de componentes, deben realizarse probas rigorosas e comprobacións de aceptación para confirmar que o rendemento cumple coas normas requeridas.

4.2.3 Equipos de reserva de emergencia e planes de contingencia
Para minimizar o impacto dos fallos do interruptor de barras neutras na operación do sistema, debe terse dispoñible equipos de reserva de emergencia e formularse planos de contingencia comprehensivos. En caso de un fallo grave que non poida repararse rapidamente, o equipo de reserva pode ser despregado rapidamente para restablecer a operación normal do sistema. A manutención e proba regular do equipo de reserva son necesarias para asegurar que permanezca en boas condicións de espera. O plano de contingencia debe especificar os procedementos de resposta de emergencia, as responsabilidades do persoal, os protocolos de comunicación e outros elementos clave para permitir unha xestión de emergencias ordeada e eficiente.

5.Conclusión
Durante o bloqueo do valvulín de conversor UHV, os interruptores de barras neutras encaran múltiples riscos de fallos, incluíndo fallos de aislamento, malfuncionamento do mecanismo de funcionamento, danos nos contactos e fallos nos transformadores de corrente, todos os cales poden comprometer significativamente a operación segura e estable dos sistemas de transmisión DC UHV. Ao analizar exhaustivamente o mecanismo de bloqueo dos valvulíns de conversor e o estado operativo dos interruptores de barras neutras en tales condicións, foron identificados claramente os tipos comúns de fallos e as súas causas, respaldados por estudos de caso detallados. Para prevenir e abordar eficazmente estes fallos, deben implementarse medidas preventivas na selección e deseño de equipos, na monitorización e manutención operativa e na mellora do medio ambiente. Ao mesmo tempo, deben adoptarse estratexias de xestión de fallos, incluíndo tecnoloxías de diagnóstico rápido, procedementos de reparación estandarizados e sistemas de reserva de emergencia, para aumentar aínda máis a fiabilidade operativa dos sistemas de transmisión DC UHV.