Analisi dei guasti dell'interruttore della barra neutra durante il blocco delle valvole del convertitore ad ultra-alta tensione

1.Principio di blocco delle valvole convertitrici ad ultra-alta tensione
1.1 Principio di funzionamento delle valvole convertitrici
Le valvole convertitrici ad ultra-alta tensione (UHV) utilizzano tipicamente valvole a tiristori o valvole a transistor bipolare con gate isolato (IGBT) per convertire la corrente alternata (AC) in corrente continua (DC) e viceversa. Prendendo come esempio la valvola a tiristore, essa è composta da molti tiristori collegati in serie e in parallelo. Controllando l'attivazione (accensione) e lo spegnimento dei tiristori, la valvola regola e converte la corrente elettrica. Durante il normale funzionamento, la valvola convertitrice converte l'AC in DC o DC in AC secondo una sequenza e un tempismo di accensione predefiniti [1].

1.2 Cause e processo del blocco della valvola convertitrice
Il blocco della valvola convertitrice può essere innescato da vari fattori, inclusi sovvoltaggi, sovraintensità, guasti interni dei componenti e anomalie nel sistema di controllo e protezione. Quando tali anomalie vengono rilevate, il sistema di controllo e protezione emette rapidamente un comando di blocco, interrompendo l'attivazione di tutti i tiristori o le valvole IGBT, bloccando così la valvola convertitrice.

Durante il processo di blocco, si verificano significative variazioni nei parametri elettrici del sistema. Ad esempio, sul lato rettificatore, dopo il blocco della valvola convertitrice, la corrente sul lato AC diminuisce rapidamente. Tuttavia, a causa dell'induttanza della linea, la corrente sul lato DC non scende immediatamente a zero e continua a fluire attraverso percorsi come la barra neutrale, formando una corrente di circolo libero. In questo momento, l'interruttore della barra neutrale deve agire rapidamente per interrompere la corrente DC e proteggere le apparecchiature del sistema da danni causati da correnti eccessive [2].

2.Condizioni operative dell'interruttore della barra neutrale durante il blocco della valvola convertitrice
2.1 Variazioni dei parametri elettrici
Quando la valvola convertitrice viene bloccata, la tensione e la corrente sull'interruttore della barra neutrale subiscono cambiamenti drastici. Sul lato DC, poiché la valvola convertitrice bloccata impedisce il flusso normale della corrente, si verifica una sovraintensità nella barra neutrale e nelle apparecchiature associate. Nel frattempo, a causa di processi transitori elettromagnetici nel sistema, può verificarsi un sovvoltaggio sull'interruttore della barra neutrale.

Ad esempio, in un certo progetto di trasmissione DC ad ultra-alta tensione, dopo il blocco della valvola convertitrice, la corrente della barra neutrale è aumentata istantaneamente a 2-3 volte la corrente nominale, e la tensione sull'interruttore della barra neutrale ha mostrato fluttuazioni significative, raggiungendo un picco di 1,5 volte la tensione di funzionamento normale. La tabella 1 illustra visivamente le variazioni dei parametri elettrici durante il blocco della valvola convertitrice.

Tabella 1: Variazioni dei parametri elettrici durante il blocco della valvola convertitrice in un certo progetto di trasmissione DC ad ultra-alta tensione

2.2 Variazioni di stress
Quando la valvola del convertitore è bloccata, l'interruttore della barra neutrale deve sopportare non solo lo stress elettrico, ma anche quello meccanico. Lo stress elettrico deriva principalmente da sovratensioni e sovracorrenti, che intensificano l'erosione elettrica dei contatti dell'interruttore e ne riducono la durata. Lo stress meccanico proviene principalmente dalle forze d'urto generate dal meccanismo di funzionamento durante le operazioni di apertura e chiusura rapide, nonché dalle forze elettromagnetiche causate da rapidi cambiamenti di corrente. Ad esempio, in eventi frequenti di blocco della valvola del convertitore, i componenti del meccanismo di funzionamento dell'interruttore della barra neutrale possono allentarsi o logorarsi, influendo negativamente sulle sue prestazioni di apertura e chiusura normali [3].

3.Tipi comuni di guasti e analisi delle cause degli interruttori della barra neutrale durante il blocco della valvola del convertitore ad alta tensione
3.1 Guasto di isolamento
3.1.1 Manifestazioni del guasto
Il guasto di isolamento è uno dei tipi di guasto più comuni per gli interruttori della barra neutrale durante il blocco della valvola del convertitore. Si manifesta principalmente come invecchiamento o danneggiamento dei materiali di isolamento interni, portando a una degradazione delle prestazioni di isolamento e causando flashover o rottura. Ad esempio, in alcuni progetti di trasmissione continua ad alta tensione a lungo termine, sono apparsi contaminanti superficiali e crepe sulle porcellane isolate all'interno dell'interruttore della barra neutrale, compromettendo gravemente le prestazioni di isolamento.

3.1.2 Analisi delle cause
Le cause del guasto di isolamento includono diversi aspetti. In primo luogo, l'operazione prolungata a tensioni elevate e correnti intense invecchia gradualmente i materiali di isolamento, riducendone nel tempo la capacità di isolamento. In secondo luogo, le sovratensioni e sovracorrenti generate durante il blocco della valvola del convertitore impongono un forte stress sui materiali di isolamento, accelerando il processo di invecchiamento. Inoltre, ambienti di lavoro avversi, come umidità elevata e forte inquinamento, fanno accumulare contaminanti sulle superfici di isolamento, ulteriormente degradandone le prestazioni. Ad esempio, in un progetto di trasmissione continua ad alta tensione costiero con alta umidità e aria ricca di sale, si forma facilmente un film conduttivo sulla superficie della porcellana isolante dell'interruttore della barra neutrale, riducendo significativamente la resistenza di isolamento e causando guasti di flashover frequenti.

3.2 Guasto del meccanismo di funzionamento
3.2.1 Manifestazioni del guasto
I guasti del meccanismo di funzionamento si manifestano principalmente come tempi di apertura/chiusura anomali o incapacità di aprire/chiudere (rifiuto di funzionare). Ad esempio, durante il blocco della valvola del convertitore, l'interruttore della barra neutrale può presentare tempi di apertura eccessivamente lunghi, non riuscendo a interrompere prontamente la corrente continua, o potrebbe non chiudersi correttamente, risultando in un contatto difettoso.

3.2.2 Analisi delle cause
Le cause dei guasti del meccanismo di funzionamento sono complesse. Da un lato, i componenti meccanici si degradano nel tempo a causa di operazioni frequenti, subendo usura o deformazioni che ne compromettono le prestazioni. Ad esempio, le molle nel meccanismo possono perdere elasticità a causa della fatica, portando a una forza di apertura/chiusura insufficiente. Dall'altro lato, guasti nel circuito di controllo, come il malfunzionamento di relè o cavi di controllo rotti, possono impedire al meccanismo di ricevere o eseguire correttamente i comandi. Inoltre, l'interferenza elettromagnetica durante il blocco della valvola del convertitore può disturbare i segnali di controllo, causando malfunzionamenti o rifiuti di funzionare. Ad esempio, in un certo progetto di trasmissione continua ad alta tensione, i cavi di controllo posizionati vicino alle barre di corrente elevata hanno sperimentato forti interferenze magnetiche durante il blocco della valvola, causando il rifiuto dell'interruttore di aprirsi.

3.3 Guasto dei contatti
3.3.1 Manifestazioni del guasto
I guasti dei contatti comprendono principalmente erosione dei contatti, aumento della resistenza dei contatti e saldatura dei contatti. Durante il blocco della valvola del convertitore, quando l'interruttore della barra neutrale interrompe correnti elevate, si formano archi ad alta temperatura, causando l'erosione delle superfici dei contatti. L'erosione prolungata porta a superfici di contatto irregolari e a una resistenza maggiore, compromettendo il funzionamento normale. Nei casi gravi, i contatti possono saldarsi, impedendo all'interruttore di aprirsi.

3.3.2 Analisi delle cause
La causa principale del guasto dei contatti è la corrente elevata e l'arco ad alta temperatura generati durante il blocco della valvola del convertitore. Il flusso di corrente elevata produce riscaldamento Joule, aumentando la temperatura dei contatti, mentre il calore intenso dell'arco accelera l'erosione. Inoltre, le proprietà del materiale dei contatti e la qualità della lavorazione influiscono sulla resistenza all'arco. I contatti realizzati con materiali a bassa resistenza ad alta temperatura o all'arco, o prodotti con processi non conformi, sono più soggetti all'erosione. Ad esempio, in un progetto di trasmissione continua ad alta tensione, l'interruttore della barra neutrale ha utilizzato contatti con resistenza all'arco insufficiente; dopo numerosi eventi di blocco, si è verificata un'erosione grave, aumentando significativamente la resistenza dei contatti e interrompendo il funzionamento normale.

3.4 Guasto del trasformatore di corrente
3.4.1 Manifestazioni del guasto
I guasti del trasformatore di corrente comprendono principalmente circuiti secondari aperti, danni all'isolamento dei bobinaggi e saturazione del nucleo. Durante il blocco della valvola del convertitore, il rapido cambiamento di corrente continua sottopone il trasformatore di corrente a un forte stress, rendendolo suscettibile a guasti. Ad esempio, un circuito secondario aperto può generare tensioni pericolosamente elevate, mettendo a rischio attrezzature e personale; i danni all'isolamento dei bobinaggi possono causare cortocircuiti interni, degradando l'accuratezza delle misurazioni; e la saturazione del nucleo aumenta gli errori di misurazione, potenzialmente innescando azioni protettive errate.

3.4.2 Analisi delle cause
Le cause del guasto del trasformatore di corrente includono quanto segue: In primo luogo, la sovracorrente durante il blocco della valvola del convertitore sottopone i bobinaggi a forti stress termici ed elettromagnetici, possibilmente danneggiando l'isolamento. In secondo luogo, le prestazioni di isolamento si degradano naturalmente nel tempo, rendendo i trasformatori più vulnerabili ai guasti in condizioni anormali come il blocco della valvola. Inoltre, un design o una selezione inadeguati, come una corrente nominale o una classe di accuratezza errate, possono portare alla saturazione del nucleo durante gli eventi di blocco. Ad esempio, in un progetto di trasmissione continua ad alta tensione, la corrente nominale del trasformatore di corrente era troppo bassa; durante il blocco della valvola, il nucleo si è rapidamente saturato, non riuscendo a misurare correttamente la corrente e causando il malfunzionamento dei relè protettivi.

Per comprendere meglio la proporzione di ciascun tipo di guasto tra i malfunzionamenti dell'interruttore della barra neutrale durante il blocco della valvola convertitrice, questo articolo ha condotto un'analisi statistica dei dati di guasto provenienti da numerosi progetti di trasmissione continua ad ultra alta tensione, con risultati mostrati nella Tabella 2.

Tabella 2: Proporzione dei tipi di guasto degli interruttori della barra neutrale durante il blocco della valvola convertitrice ad ultra alta tensione

4.Misure di prevenzione e gestione dei guasti per i disgiuntori della barra neutra durante il blocco del valvola convertitrice UHV
4.1 Misure di prevenzione dei guasti
4.1.1 Ottimizzazione della selezione e progettazione dell'attrezzatura
Durante la fase di costruzione dei progetti di trasmissione continua ad alta tensione (UHV), è necessario considerare pienamente l'impatto di condizioni anormali come il blocco del valvola convertitrice sui disgiuntori della barra neutra, e ottimizzare di conseguenza la selezione e la progettazione dell'attrezzatura. Dovrebbero essere scelti componenti chiave, come disgiuntori con alte prestazioni di isolamento, contatti resistenti all'arco, meccanismi di funzionamento affidabili e trasformatori di corrente adeguatamente tarati. Ad esempio, le presa in porcellana isolate realizzate con materiali e processi di isolamento avanzati possono migliorare l'affidabilità dell'isolamento; i materiali di contatto resistenti all'arco estendono la durata dei contatti; e un meccanismo di funzionamento ben progettato assicura l'apertura/chiusura precisa e affidabile in varie condizioni operative.

4.1.2 Rafforzamento del monitoraggio e della manutenzione dell'attrezzatura
Dovrebbe essere istituito un sistema di monitoraggio completo dell'attrezzatura per sorvegliare continuamente i parametri operativi del disgiuntore della barra neutra, inclusi i parametri elettrici, la temperatura, la pressione, le vibrazioni e altri indicatori di stato. Attraverso l'analisi dei dati, è possibile identificare precocemente rischi potenziali di guasto. Ad esempio, la termografia infrarossa può essere utilizzata per monitorare le temperature nei contatti e nei punti di connessione; aumenti anomali di temperatura attivano ispezioni e azioni correttive tempestive. Il monitoraggio online della resistenza d'isolamento e delle scariche parziali aiuta a valutare lo stato dell'isolamento. Inoltre, dovrebbe essere rafforzata la manutenzione regolare, compresa la pulizia, la lubrificazione e il serraggio, per garantire che l'attrezzatura rimanga in ottime condizioni operative.

4.1.3 Miglioramento della qualità dell'ambiente operativo
L'ambiente operativo del disgiuntore della barra neutra dovrebbe essere migliorato per mitigare gli impatti ambientali negativi. Ad esempio, possono essere installati sistemi di purificazione dell'aria nelle sottostazioni per ridurre i contaminanti atmosferici e i gas corrosivi; misure efficaci di controllo dell'umidità, come deumidificatori, possono mantenere condizioni asciutte intorno all'attrezzatura. In aree costiere o fortemente inquinate da attività industriali, possono essere applicati trattamenti protettivi speciali, come rivestimenti anticorrosivi, per migliorare la resistenza dell'attrezzatura alla degradazione ambientale.

4.2 Misure di gestione dei guasti
4.2.1 Applicazione di tecnologie di diagnosi rapida dei guasti
Quando viene rilevato un guasto nel disgiuntore della barra neutra, dovrebbero essere utilizzate tecnologie di diagnosi rapida per identificare con precisione il tipo e la causa radice del guasto. Sistemi di diagnostica intelligenti, combinati con dati operativi in tempo reale e caratteristiche dei guasti, permettono una localizzazione rapida del guasto attraverso l'analisi dei dati e calcoli basati su modelli. Ad esempio, il monitoraggio e l'analisi in tempo reale dei parametri di corrente e tensione possono aiutare a determinare se si tratta di un guasto di isolamento, di un danno ai contatti o di un malfunzionamento del trasformatore di corrente; l'analisi delle vibrazioni può rivelare problemi meccanici nel meccanismo di funzionamento.

4.2.2 Stabilimento di procedure razionali di gestione dei guasti
Dovrebbero essere sviluppate procedure dettagliate e razionali di gestione dei guasti per garantire una risposta rapida ed efficace in caso di malfunzionamenti. Queste procedure dovrebbero includere la segnalazione del guasto, l'ispezione sul posto, la diagnosi del guasto, la pianificazione della riparazione, l'implementazione della riparazione, i test sull'attrezzatura e la verifica dell'accettazione. Durante tutto il processo, è essenziale un rigoroso rispetto dei protocolli di sicurezza per proteggere il personale e l'attrezzatura. Ad esempio, quando si affrontano guasti di isolamento, è necessario prima disconnettere l'alimentazione ed eliminare l'energia accumulata prima dell'ispezione e della riparazione; dopo la sostituzione di componenti, devono essere effettuati test rigorosi e verifiche di accettazione per confermare che le prestazioni soddisfino gli standard richiesti.

4.2.3 Attrezzature di backup d'emergenza e piani di contingenza
Per minimizzare l'impatto dei guasti del disgiuntore della barra neutra sull'operatività del sistema, dovrebbero essere disponibili attrezzature di backup d'emergenza e formulati piani di contingenza completi. In caso di un guasto grave che non può essere riparato prontamente, le attrezzature di backup possono essere rapidamente dispiegate per ripristinare l'operatività normale del sistema. È necessario effettuare regolarmente manutenzione e test sulle attrezzature di backup per garantirne la buona condizione di standby. Il piano di contingenza dovrebbe specificare le procedure di risposta d'emergenza, le responsabilità del personale, i protocolli di comunicazione e altri elementi chiave per consentire una gestione d'emergenza ordinata ed efficiente.

5.Conclusione
Durante il blocco del valvola convertitrice UHV, i disgiuntori della barra neutra sono esposti a diversi rischi di guasto, tra cui guasti di isolamento, malfunzionamenti del meccanismo di funzionamento, danni ai contatti e guasti del trasformatore di corrente, tutti i quali possono compromettere significativamente l'operatività sicura e stabile dei sistemi di trasmissione continua ad alta tensione (UHV). Analizzando approfonditamente il meccanismo di blocco del valvola convertitrice e lo stato operativo dei disgiuntori della barra neutra in tali condizioni, sono stati chiaramente identificati i tipi comuni di guasti e le loro cause, supportati da studi di casi dettagliati. Per prevenire e gestire efficacemente questi guasti, dovrebbero essere implementate misure preventive nella selezione e progettazione dell'attrezzatura, nel monitoraggio e nella manutenzione operativa, e nel miglioramento dell'ambiente. Simultaneamente, dovrebbero essere adottate strategie di gestione dei guasti, incluse tecnologie di diagnostica rapida, procedure standardizzate di riparazione e sistemi di backup d'emergenza, per ulteriormente migliorare l'affidabilità operativa dei sistemi di trasmissione continua ad alta tensione (UHV).