Analiza grešaka prekidnika neutralne šine tijekom blokiranja pretvaračkih ventila visokog napona

1.Princip rada visokonaponskih pretvaralnih ventila
1.1 Princip rada pretvaralnih ventila
Visokonaponski (UHV) pretvaralni ventil obično koristi tiristorne ventile ili ventile s izoliranim vratnim bipolarnim tranzistorom (IGBT) za pretvorbu izmjenjivog struja (AC) u jednosmjerni struj (DC) i obrnuto. Uzimajući na primjer tiristorni ventil, on se sastoji od više tiristora povezanih serijalno i paralelno. Kontroliranjem aktiviranja (uvrštenja) i isključivanja tiristora, ventil regulira i pretvara električni struj. Tijekom normalnog rada, pretvaralni ventil prema unaprijed definiranom nizu paljenja i vremenskom rasporedu [1] pretvara AC u DC ili DC u AC.

1.2 Uzroci i proces blokiranja pretvaralnog ventila
Blokiranje pretvaralnog ventila može biti pokrenuto različitim faktorima, uključujući previsoku napetost, previsoki struj, greške unutarnjih komponenti te anomalije u sustavu upravljanja i zaštite. Kada takve anomalije budu otkrivene, sustav upravljanja i zaštite brzo šalje naredbu o blokiranju, prestaje s aktiviranjem svih tiristora ili IGBT ventila, čime se blokira pretvaralni ventil.

Tijekom procesa blokiranja, značajne promjene se događaju u električnim parametrima sustava. Na primjer, na strani rektifikatora, nakon što je pretvaralni ventil blokiran, struja na strani AC brzo pada. Međutim, zbog induktivnosti linije, struja na strani DC ne padne odmah na nulu, već nastavlja teći putem neutralne busbare, formirajući struj proizvoljnog toka. U tom trenutku, prekidnik na neutralnoj busbari mora brzo djelovati kako bi prekinuo struju DC i zaštitio opremu sustava od oštećenja uzrokovanog previsokim strujem [2].

2.Radijalni uvjeti rada prekidnika na neutralnoj busbari tijekom blokiranja pretvaralnog ventila
2.1 Promjene u električnim parametrima
Kada je pretvaralni ventil blokiran, napetost i struja preko prekidnika na neutralnoj busbari doživljavaju drastične promjene. Na strani DC, budući da blokirani pretvaralni ventil sprečava normalan tok struje, pojavljuje se previsoki struj na neutralnoj busbari i povezanoj opremi. U međuvremenu, zbog elektromagnetskih prijelaznih procesa u sustavu, može se pojaviti previsoka napetost preko prekidnika na neutralnoj busbari.

Na primjer, u određenom projektu prijenosa UHV DC, nakon blokiranja pretvaralnog ventila, struja na neutralnoj busbari odmah porasla na 2-3 puta nominalnu struju, a napetost preko prekidnika na neutralnoj busbari pokazala značajne fluktuacije, dosežući vrhunsku vrijednost 1,5 puta normalnu radnu napetost. Tablica 1 vizualno prikazuje promjene u električnim parametrima tijekom blokiranja pretvaralnog ventila.

Tablica 1: Promjene u električnim parametrima tijekom blokiranja pretvaralnog ventila u određenom projektu prijenosa UHV DC

2.2 Varijacije stresa
Kada je pretvarački ventil blokiran, prekidnik neutralne šine mora podnijeti ne samo električni, već i mehanički stres. Električni stres uglavnom nastaje zbog prenapona i prestruja, koji intenziviraju električnu eroziju kontakata prekidnika i skraćuju njihov vremenski život. Mehanički stres uglavnom rezultira od udarnih sila generiranih radnim mehanizmom tijekom brzih operacija otvaranja i zatvaranja, kao i elektromagnetskih sila uzrokovanih brzim promjenama struja. Na primjer, u čestim događajima blokiranja pretvaračkog ventila, komponente radnog mehanizma prekidnika neutralne šine mogu postati raskočene ili istrošene, što negativno utječe na njegov normalni rad pri otvaranju i zatvaranju [3].

3. Uobičajeni tipovi grešaka i analiza uzroka za prekidnike neutralne šine tijekom blokiranja pretvaračkog ventila
3.1 Neispravnost izolacije
3.1.1 Izražavanje grešaka
Neispravnost izolacije jedan je od više uobičajenih tipova grešaka za prekidnike neutralne šine tijekom blokiranja pretvaračkog ventila. Glavno se manifestira starjenjem ili oštećenjem unutarnjih izolacijskih materijala, što dovodi do smanjene izolacijske performanse i rezultira iskrenom ili propadanjem. Na primjer, u nekim dugotrajno radnim projektima UHV DC prijenosa, pojavi su se površinska zagađenja i pukotine na izolacijskim porcelanskim cijevima unutar prekidnika neutralne šine, te su značajno oslabile izolacijsku performansu.

3.1.2 Analiza uzroka
Uzroci neispravnosti izolacije uključuju nekoliko aspekata. Prvo, dugotrajan rad pod visokim naponom i velikim strujama postepeno starji izolacijske materijale, smanjujući njihovu izolacijsku sposobnost s vremenom. Drugo, prenapon i prestruj generirani tijekom blokiranja pretvaračkog ventila nanose težak stres izolacijskim materijalima, ubrzavajući proces starjenja. Također, teški uvjeti rada - poput visoke vlažnosti i teškog zagađenja - dovode do akumulacije kontaminanata na površinama izolacije, dalje smanjujući izolacijsku performansu. Na primjer, u projektu UHV DC prijenosa uz obalu sa visokom vlažnošću i zasolenim zrakom, lako se formira provodljiva peljica na površini izolacijskog porcelana prekidnika neutralne šine, značajno smanjujući izolacijsku čvrstoću i uzrokujući česte greške iskrjenja.

3.2 Neispravnost radnog mehanizma
3.2.1 Izražavanje grešaka
Neispravnosti radnog mehanizma glavno se manifestiraju kao anormalno dulje vrijeme otvaranja/zatvaranja ili neuspjeh u otvaranju/zatvaranju (odbijanje rada). Na primjer, tijekom blokiranja pretvaračkog ventila, prekidnik neutralne šine može pokazati prekomjerno dugo vrijeme otvaranja, ne uspijevajući pravočasno prekinuti struju DC, ili može neuspješno zatvoriti, rezultirajući lošim kontaktom.

3.2.2 Analiza uzroka
Uzroci neispravnosti radnog mehanizma su složeni. S jedne strane, mehaničke komponente se degradiraju s vremenom zbog čestih operacija, trpeći trošenje ili deformaciju koje oslabljuju performanse. Na primjer, opruge u mehanizmu mogu izgubiti elastičnost zbog umora, rezultirajući nedostatkom sile za otvaranje/zatvaranje. S druge strane, greške u upravljačkom krugu - poput neispravnosti releja ili prekidanja upravljačkih kabela - mogu spriječiti mehanizam da pravilno prima ili izvršava naredbe. Također, elektromagnetsko smetnje tijekom blokiranja pretvaračkog ventila mogu perturbirati upravljačke signale, uzrokujući neispravne radove ili odbijanje rada. Na primjer, u određenom projektu UHV DC prijenosa, upravljački kabeli raspoređeni blizu šina velikih struja doživjeli su snažnu magnetsku smetnju tijekom blokiranja ventila, rezultirajući odbijanjem prekidnika da se otvori.

3.3 Neispravnost kontakta
3.3.1 Izražavanje grešaka
Neispravnosti kontakta uključuju eroziju kontakta, povećanje otpora kontakta i zavarivanje kontakta. Tijekom blokiranja pretvaračkog ventila, kada prekidnik neutralne šine prekida velike struje, formiraju se visoko temperaturni lukovi, uzrokujući eroziju površine kontakta. Proljeće erozija dovodi do neravnomjerne površine kontakta i većeg otpora, oslabljujući normalni rad. U težim slučajevima, kontakti se mogu zavariti, sprečavajući prekidnik da se otvori.

3.3.2 Analiza uzroka
Glavni uzrok neispravnosti kontakta jest velika struja i visoko temperaturni luk generirani tijekom blokiranja pretvaračkog ventila. Veliki protok struje proizvodi Jouleovo zagrijavanje, povećavajući temperaturu kontakta, dok intenzivna toplina luka ubrzava eroziju. Također, svojstva materijala kontakta i kvaliteta proizvodnje utječu na otpornost na lukove. Kontakti napravljeni od materijala s lošom otpornosti na visoku temperaturu ili lukove, ili oni proizvedeni s podstandardnim procesima, su vjerojatniji da dožive eroziju. Na primjer, u projektu UHV DC, prekidnik neutralne šine koristio je kontakte s nedovoljnom otpornošću na lukove; nakon više događaja blokiranja, došlo je do ozbiljne erozije, značajno povećavajući otpor kontakta i perturbirajući normalni rad.

3.4 Neispravnost transformatora struje
3.4.1 Izražavanje grešaka
Neispravnosti transformatora struje uključuju otvorene sekundarne struje, oštećenje izolacije zavojnice i nasitljivost jezgra. Tijekom blokiranja pretvaračkog ventila, iznenadna promjena struje DC predmet transformatora struje podliježe značajnom stresu, čineći ga podložnim neispravnostima. Na primjer, otvorena sekundarna struja može generirati opasno visoke napone, ugrožavajući opremu i osoblje; oštećenje izolacije zavojnice može uzrokovati interne kratke spojeve, smanjujući preciznost mjerenja; a nasitljivost jezgra povećava greške u mjerenju, potencijalno pokrećući pogrešne zaštite.

3.4.2 Analiza uzroka
Uzroci neispravnosti transformatora struje uključuju sljedeće: Prvo, prestruj tijekom blokiranja pretvaračkog ventila predmet zavojnicama visokim toplinskim i elektromagnetskim stresom, mogući oštećenje izolacije. Drugo, izolacijska performansa prirodno se degradira s vremenom, čineći transformatore podložnijima neispravnostima u nepravilnim uvjetima poput blokiranja ventila. Također, nepravilan dizajn ili odabir - poput netočnog imenovanog struja ili klase preciznosti - može dovesti do nasitljivosti jezgra tijekom događaja blokiranja. Na primjer, u jednom projektu UHV DC, imenovana struja transformatora struje bila je premala; tijekom blokiranja ventila, jezgro se brzo nasitilo, ne uspijevajući točno mjeriti struju i uzrokujući neispravno funkcioniranje zaštitnih releja.

Da bi se bolje razumjela proporcija svakog tipa greške među neispravnostima neutralne busbar prekidača tijekom blokiranja pretvaračkih ventila, ova je radnja provedla statističku analizu podataka o greškama iz više projekata UHV DC prijenosa, s rezultatima prikazanim u tablici 2.

Tablica 2: Proporcija tipova grešaka neutralne busbar prekidača tijekom blokiranja pretvaračkih ventila UHV

4.Mjere prevencije i rješavanja grešaka neutralne busbarske prekidače tijekom blokiranja pretvarača UHV
4.1 Mjere prevencije grešaka
4.1.1 Optimizacija odabira i dizajna opreme
Tijekom faze izgradnje projekata prijenosa UHV DC, trebaju se u potpunosti razmotriti utjecaji nepravilnih stanja, poput blokiranja pretvarača, na neutralne busbarske prekidače, te bi odabir i dizajn opreme trebali biti optimizirani u skladu s tim. Trebaju se odabrati ključni komponenti, poput prekidača s visokim izolacijskim svojstvima, kontakti s izvanrednom otpornosti na lukove, pouzdane operativne mehanizme i točno ocijenjene transformatori struje. Na primjer, izolacijski porcelanski čevlji proizvedeni od naprednih izolacijskih materijala i procesa mogu povećati pouzdanost izolacije; materijali kontakta s jakom otpornosti na luke proširuju životnu dobu kontakata; a dobro dizajniran operativni mehanizam osigurava točno i pouzdano otvaranje/zatvaranje u različitim radnim uvjetima.

4.1.2 Poboljšana nadzor i održavanje opreme
Treba uspostaviti kompleksni sustav nadzora opreme kako bi se neprekidno pratili operativni parametri neutralnog busbarskog prekidača, uključujući električke parametre, temperaturu, tlak, vibraciju i druge pokazatelje stanja. Kroz analizu podataka mogu se unaprijed identificirati potencijalni rizici od grešaka. Na primjer, infracrvena termografska metoda može se koristiti za praćenje temperatura na kontaktima i spojevima; anormalni porast temperature pokreće pravo vrijeme inspekcije i korektivne akcije. Online praćenje otpora izolacije i djelomičnog ispuštanja pomaže u procjeni stanja izolacije. Također, redovito održavanje, uključujući čišćenje, smrznuti i zategivanje, treba jačati kako bi se osiguralo da oprema ostaje u optimalnom radnom stanju.

4.1.3 Poboljšanje kvalitete radnog okruženja
Radno okruženje neutralnog busbarskog prekidača treba poboljšati kako bi se smanjilo negativno utjecanje okruženja. Na primjer, sustavi za čišćenje zraka mogu se instalirati u postajama kako bi se smanjile zračne kontaminante i korozivne plinove; učinkovite mjere kontroliranja vlage, poput dehumidifikatora, mogu održavati suhe uvjete oko opreme. U obalnim ili teško industrijski zagađenim područjima, posebne zaštite, poput protukorozivih prekriva, mogu se primijeniti kako bi se pojačala otpornost opreme na degradaciju okruženja.

4.2 Mjere rješavanja grešaka
4.2.1 Primjena tehnologija brze dijagnostike grešaka
Kada se detektira greška u neutralnom busbarskom prekidaču, trebale bi se upotrijebiti tehnologije brze dijagnostike grešaka kako bi se točno identificirao tip i uzrok greške. Inteligentni dijagnostički sustavi, kombinirani s realnim vremenskim operativnim podacima i karakteristikama grešaka, omogućuju brzo lokaliziranje grešaka putem analize podataka i modela. Na primjer, stvarno vrijeme praćenja i analiza parametara struje i naponom mogu pomoći u određivanju je li došlo do propusta izolacije, oštećenja kontakata ili propusta transformatora struje; analiza vibracija može otkriti mehaničke probleme u operativnom mehanizmu.

4.2.2 Stvaranje racionalnih postupaka rješavanja grešaka
Trebali bi se razviti detaljni i racionalni postupci rješavanja grešaka kako bi se osigurala brza i učinkovita reakcija kada dođe do propusta. Ovi postupci trebali bi uključivati prijavu grešaka, inspekciju na mjestu, dijagnozu grešaka, planiranje popravaka, implementaciju popravaka, testiranje opreme i provjeru prihvaćanja. Tijekom cijelog procesa, strogo se mora pridržavati sigurnosnih protokola kako bi se zaštitili ljudi i oprema. Na primjer, kada se bave propusti izolacije, prvo se mora isključiti snaga i ispuštena pohranjena energija prije inspekcije i popravke; nakon zamjene komponente, rigorozno testiranje i provjera prihvaćanja mora potvrditi da performanse odgovaraju zahtjevima.

4.2.3 Nalazna oprema i planovi za hitne situacije
Za minimaliziranje utjecaja propusta neutralnog busbarskog prekidača na rad sustava, trebala bi biti dostupna nalazna oprema, a trebali bi se formulirati kompleksni planovi za hitne situacije. U slučaju teškog propusta koji se ne može brzo popraviti, nalazna oprema može se brzo implementirati kako bi se vratila normalna radnja sustava. Redovito održavanje i testiranje nalazne opreme su nužni kako bi se osiguralo da oprema ostaje u dobrom stanju spremnosti. Plan za hitne situacije trebao bi specifikirati postupke hitne reakcije, odgovornosti osoba, komunikacijske protokole i druge ključne elemente kako bi se omogućilo uređeno i učinkovito rješavanje hitnih situacija.

5.Zaključak
Tijekom blokiranja pretvarača UHV, neutralni busbarski prekidači suočeni su s mnogo rizika od grešaka, uključujući propust izolacije, propust operativnog mehanizma, oštećenje kontakata i propust transformatora struje, sve to može značajno kompromitirati siguran i stabilan rad sustava prijenosa UHV DC. Analizom mehanizma blokiranja pretvarača i radnog stanja neutralnog busbarskog prekidača u takvim uvjetima, jasno su identificirani uobičajeni tipovi grešaka i njihovi uzroci, podržani detaljnim studijama slučajeva. Za učinkovitu prevenciju i rješavanje ovih grešaka, trebale bi se implementirati preventivne mjere u odabiru i dizajnu opreme, operativnom nadzoru i održavanju, te poboljšanju okruženja. Tijekom toga, strategije rješavanja grešaka, uključujući tehnologije brze dijagnostike, standardizirane postupke popravaka i sustave za hitne situacije, trebale bi se usvajati kako bi se dalje poboljšala operativna pouzdanost sustava prijenosa UHV DC.