超高圧コンバータバルブのブロッキング時の中性線バスバー回路ブレーカの故障分析

1.超高圧コンバータバルブのブロッキング原理
1.1 コンバータバルブの動作原理
超高圧（UHV）コンバータバルブは通常、スイッチング素子としてサイリスタバルブまたは絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）バルブを使用して、交流（AC）を直流（DC）に、またはその逆に変換します。サイリスタバルブを例にとると、これは複数のサイリスタが直列および並列に接続されています。サイリスタのトリガリング（オン）とオフの制御により、バルブは電流を調整し変換します。正常な動作時には、コンバータバルブは予め定義された点火順序とタイミングに基づいてACをDCに、またはDCをACに変換します[1]。

1.2 コンバータバルブのブロッキングの原因と過程
コンバータバルブのブロッキングは、過電圧、過電流、内部部品の故障、制御および保護システムの異常など、さまざまな要因によって引き起こされることがあります。このような異常が検出されると、制御および保護システムは迅速にブロッキングコマンドを発行し、すべてのサイリスタまたはIGBTバルブのトリガリングを停止させ、コンバータバルブをブロックします。

ブロッキングプロセス中には、システムの電気パラメータに顕著な変化が生じます。例えば、整流器側では、コンバータバルブがブロックされた後、AC側の電流が急速に低下します。しかし、線路のインダクタンスのため、DC側の電流はすぐにゼロにはならないで、代わりに中性母線などの経路を通ってフリーホイール電流として継続的に流れます。この時点で、中性母線回路遮断器は迅速に動作し、DC電流を遮断し、過電流によるシステム機器の損傷から保護する必要があります[2]。

2.コンバータバルブのブロッキング時の中性母線回路遮断器の動作条件
2.1 電気パラメータの変化
コンバータバルブがブロックされたとき、中性母線回路遮断器の電圧と電流に劇的な変化が生じます。DC側では、ブロックされたコンバータバルブが通常の電流の流れを妨げることで、中性母線および関連設備に過電流が発生します。また、システム内の電磁誘導一時過程により、中性母線回路遮断器に過電圧が現れる可能性があります。

たとえば、あるUHV DC送電プロジェクトでは、コンバータバルブがブロックされた後、中性母線電流が瞬時に定格電流の2〜3倍に上昇し、中性母線回路遮断器の両端の電圧も大幅に変動し、通常運転電圧の1.5倍に達しました。表1は、コンバータバルブのブロッキング時の電気パラメータの変化を視覚的に示しています。

表1：あるUHV DC送電プロジェクトにおけるコンバータバルブのブロッキング時の電気パラメータの変化

2.2 ストレスの変動
コンバータバルブが遮断された場合、中性母線回路ブレーカーは電気的なストレスだけでなく、機械的なストレスにも耐えなければならない。電気的なストレスは主に過電圧と過電流から生じ、これらはブレーカーの接点を電気的に侵食し、その寿命を短縮する。機械的なストレスは主に、高速開閉操作中に動作機構によって生成される衝撃力や、急速な電流変化によって生じる電磁力によるものである。例えば、頻繁なコンバータバルブの遮断イベントでは、中性母線回路ブレーカーの動作機構の部品が緩んだり摩耗したりして、正常な開閉性能に悪影響を与える可能性がある[3]。

3. 超高電圧コンバータバルブ遮断時の一般的な故障タイプと原因分析
3.1 絶縁故障
3.1.1 故障の表現
絶縁故障は、コンバータバルブ遮断時の最も一般的な故障タイプの一つである。主に内部絶縁材料の劣化または損傷により、絶縁性能が低下し、放電や破壊が発生する。例えば、いくつかの長期間運転している超高電圧直流送電プロジェクトでは、中性母線回路ブレーカー内の絶縁磁器管に表面汚染や亀裂が現れ、絶縁性能が大幅に低下している。

3.1.2 原因分析
絶縁故障の原因にはいくつかの側面がある。まず、高電圧および大電流下での長期運転により、絶縁材料が徐々に劣化し、時間とともに絶縁能力が低下する。次に、コンバータバルブ遮断時に生じる過電圧と過電流が絶縁材料に大きなストレスを与え、劣化を加速する。さらに、湿度が高い環境や重度の汚染環境では、絶縁表面に汚染物質が蓄積し、絶縁性能をさらに低下させる。例えば、湿度が高く塩分を含む空気の海岸地域の超高電圧直流送電プロジェクトでは、中性母線回路ブレーカーの絶縁磁器表面に導電膜が形成されやすく、絶縁強度が大幅に低下し、頻繁な放電故障が発生する。

3.2 動作機構の故障
3.2.1 故障の表現
動作機構の故障は主に、異常な開閉時間や開閉不能（動作拒否）として現れる。例えば、コンバータバルブ遮断時に、中性母線回路ブレーカーは開閉時間が異常に長くなり、直流電流を迅速に遮断できない場合や、適切に閉じられず接触不良となる場合がある。

3.2.2 原因分析
動作機構の故障の原因は複雑である。一方で、頻繁な操作により機械部品が時間とともに劣化し、摩耗や変形により性能が低下する。例えば、機構内のばねが疲労により弾性を失い、開閉力を十分に得られない場合がある。他方、制御回路の故障（リレーの故障や制御ケーブルの断線など）により、機構がコマンドを正しく受信または実行できない場合もある。さらに、コンバータバルブ遮断時の電磁干渉が制御信号を乱し、誤動作や動作拒否を引き起こす可能性がある。例えば、ある超高電圧直流送電プロジェクトでは、制御ケーブルが大電流母線の近くを通っており、バルブ遮断時に強い磁気干渉を受け、ブレーカーが開かない故障が発生した。

3.3 接点の故障
3.3.1 故障の表現
接点の故障は主に、接点の侵食、接触抵抗の増加、および接点の溶接が含まれる。コンバータバルブ遮断時に、中性母線回路ブレーカーが大電流を遮断すると、高温のアークが形成され、接点表面が侵食される。長期間の侵食により、接点表面が不均一になり、抵抗値が上昇し、正常な動作が阻害される。深刻な場合には、接点が溶接され、ブレーカーが開けなくなる。

3.3.2 原因分析
接点の故障の主な原因は、コンバータバルブ遮断時に生じる大電流と高温のアークである。大電流の流れによりジュール熱が発生し、接点温度が上昇し、アークの激しい熱が侵食を加速する。また、接点材料の特性と製造品質もアーク抵抗に影響を与える。高温やアーク抵抗に劣る材料を使用したり、製造過程が不十分な場合は、侵食が容易になる。例えば、ある超高電圧直流プロジェクトでは、アーク抵抗に不足する接点を使用しており、複数の遮断イベント後、深刻な侵食が発生し、接触抵抗が大幅に増加し、正常な動作が阻害された。

3.4 電流変換器の故障
3.4.1 故障の表現
電流変換器の故障は主に、二次側の開放回路、巻線の絶縁損傷、およびコアの飽和が含まれる。コンバータバルブ遮断時に、直流電流の急激な変化により電流変換器に大きなストレスがかかり、故障が発生しやすい。例えば、二次側の開放回路は危険な高電圧を生成し、設備や人員に危険を及ぼす。巻線の絶縁損傷は内部ショート回路を引き起こし、測定精度を低下させる。コアの飽和は測定誤差を増加させ、誤った保護動作を引き起こす可能性がある。

3.4.2 原因分析
電流変換器の故障の原因には以下のようなものがある：まず、コンバータバルブ遮断時の過電流により、巻線に高い熱的および電磁気的なストレスがかかり、絶縁が損傷する可能性がある。次に、絶縁性能は自然に時間とともに劣化し、バルブ遮断のような異常条件下では変換器が故障しやすくなる。さらに、設計や選択が不適切な場合（例：定格電流や精度クラスが間違っている）、遮断イベント中にコアが飽和しやすくなる。例えば、ある超高電圧直流プロジェクトでは、電流変換器の定格電流が低すぎたため、バルブ遮断時にコアが急速に飽和し、電流を正確に測定できず、保護リレーが誤動作した。

コンバータバルブのブロッキング中にニュートラルバスバー遮断器の故障タイプごとの割合をよりよく理解するため、本論文では複数のUHV直流送電プロジェクトからの故障データについて統計分析を行い、その結果を表2に示します。

表2: UHVコンバータバルブのブロッキング中のニュートラルバスバー遮断器の故障タイプの割合

4.超高压换流阀闭锁期间中性母线断路器的故障预防和处理措施
4.1 故障预防措施
4.1.1 设备选型和设计的优化
在超高压直流输电工程的建设阶段，应充分考虑换流阀闭锁等异常情况对中性母线断路器的影响，并相应地优化设备选型和设计。应选择具有高绝缘性能、优异灭弧能力的触头、可靠的操动机构以及适当额定值的电流互感器等关键部件。例如，采用先进的绝缘材料和制造工艺制成的绝缘瓷套可以提高绝缘可靠性；具有强灭弧能力的触头材料可以延长触头寿命；而设计良好的操动机构则确保在各种运行条件下准确可靠地开合。

4.1.2 加强设备监测和维护
应建立全面的设备监测系统，持续监测中性母线断路器的运行参数，包括电气参数、温度、压力、振动及其他状态指标。通过数据分析，可以及早识别潜在的故障风险。例如，可以使用红外热像仪监测触头和连接点的温度；异常温度升高时应及时进行检查和纠正。在线监测绝缘电阻和局部放电有助于评估绝缘状况。此外，还应加强常规维护，包括清洁、润滑和紧固，以确保设备处于最佳运行状态。

4.1.3 改善运行环境质量
应改善中性母线断路器的运行环境，以减轻不利环境影响。例如，在变电站内安装空气净化系统可以减少空气中的污染物和腐蚀性气体；有效的湿度控制措施，如除湿机，可以保持设备周围的干燥条件。在沿海或重工业污染严重的地区，可以应用特殊的保护处理，如防腐涂层，以增强设备对环境劣化的抵抗力。

4.2 故障处理措施
4.2.1 快速故障诊断技术的应用
当中性母线断路器检测到故障时，应采用快速故障诊断技术，准确识别故障类型和根本原因。智能诊断系统结合实时运行数据和故障特征，通过数据分析和基于模型的计算实现快速故障定位。例如，实时监测和分析电流和电压参数可以帮助确定是否发生了绝缘故障、触头损坏或电流互感器故障；振动分析可以揭示操动机构的机械问题。

4.2.2 建立合理的故障处理程序
应制定详细且合理的故障处理程序，以确保在发生故障时能够迅速有效地响应。这些程序应包括故障报告、现场检查、故障诊断、维修计划、实施维修、设备测试和验收验证。在整个过程中，严格遵守安全规程是保护人员和设备所必需的。例如，在处理绝缘故障时，必须先切断电源并释放储存的能量，然后才能进行检查和维修；更换部件后，必须通过严格的测试和验收检查确认性能符合要求。

4.2.3 应急备用设备和应急预案
为了尽量减少中性母线断路器故障对系统运行的影响，应准备应急备用设备，并制定全面的应急预案。在发生严重故障且无法及时修复的情况下，可以迅速部署备用设备以恢复系统的正常运行。定期维护和测试备用设备是必要的，以确保其处于良好的待命状态。应急预案应规定应急响应程序、人员职责、通信协议等关键要素，以便有序高效地应对紧急情况。

5.结论
在超高压换流阀闭锁期间，中性母线断路器面临多种故障风险，包括绝缘故障、操动机构故障、触头损坏和电流互感器故障，所有这些都可能严重影响超高压直流输电系统的安全稳定运行。通过彻底分析换流阀的闭锁机制以及在这种条件下中性母线断路器的运行状态，已明确识别了常见的故障类型及其原因，并得到了详细的案例研究支持。为了有效预防和处理这些故障，应在设备选型和设计、运行监测和维护以及环境改善方面采取预防措施。同时，应采用故障处理策略，包括快速诊断技术、标准化维修程序和应急备用系统，以进一步提高超高压直流输电系统的运行可靠性。

4. UHVコンバータバルブのブロッキング中に中性バスバー回路ブレーカーに生じる故障の予防と対処措置
4.1 故障予防措置
4.1.1 設備選定と設計の最適化
UHV DC送電プロジェクトの建設段階では、コンバータバルブのブロッキングなどの異常状況が中性バスバー回路ブレーカーに与える影響を十分に考慮し、それに応じて設備選定と設計を最適化する必要があります。高絶縁性能を持つ遮断機、優れた消弧能力を持つ接点、信頼性のある操作機構、および適切な定格を持つ電流変換器などの主要部品を選択するべきです。例えば、高度な絶縁材料と製造プロセスを使用して作成された絶縁磁器は絶縁の信頼性を向上させることができます。強力な消弧能力を持つ接点材料は接点の寿命を延ばします。そして、良好な設計の操作機構はさまざまな動作条件下で正確かつ確実な開閉を保証します。

4.1.2 設備監視とメンテナンスの強化
中性バスバー回路ブレーカーの動作パラメータ（電気パラメータ、温度、圧力、振動など）を継続的に監視するための包括的な設備監視システムを設ける必要があります。データ分析を通じて、潜在的な故障リスクを早期に特定することができます。例えば、赤外線熱画像法を使用して接点や接続点の温度を監視し、異常な温度上昇が発生した場合はタイムリーな検査と修正を行うことができます。絶縁抵抗と部分放電のオンライン監視は絶縁状態の評価に役立ちます。また、清掃、潤滑、締結などの定期的なメンテナンスを強化することで、設備が最適な動作状態を維持することができます。

4.1.3 運転環境の品質改善
中性バスバー回路ブレーカーの運転環境を改善することで、悪環境からの影響を軽減することができます。例えば、変電所に空気浄化システムを設置することで、大気中の汚染物質や腐食性ガスを減少させることができます。除湿機などの効果的な湿気管理措置により、設備周囲の乾燥状態を維持することができます。沿岸地域や重工業汚染が深刻な地域では、特別な保護処理（例えば、防錆コーティング）を施すことで、設備の環境劣化に対する耐性を高めることができます。

4.2 故障対処措置
4.2.1 速い故障診断技術の適用
中性バスバー回路ブレーカーで故障が検出された場合、速い故障診断技術を用いて故障の種類と根本的な原因を正確に特定する必要があります。リアルタイムの動作データと故障特性を組み合わせた知能診断システムは、データ分析とモデルベースの計算を通じて迅速な故障位置特定を可能にします。例えば、電流と電圧パラメータのリアルタイム監視と分析は、絶縁不良、接点損傷、または電流変換器の故障が発生したかどうかを判断するのに役立ちます。振動分析は、操作機構の機械的な問題を明らかにすることができます。

4.2.2 合理的な故障対処手順の確立
故障が発生したときに迅速かつ効果的に対応できるよう、詳細かつ合理的な故障対処手順を策定する必要があります。これらの手順には、故障報告、現場検査、故障診断、修理計画、修理実施、設備テスト、および受け入れ確認が含まれます。全過程において、人員と設備を保護するために安全プロトコルへの厳格な準拠が必要です。例えば、絶縁故障に対処する際には、まず電源を切り、蓄積エネルギーを放出した後、検査と修理を行う必要があります。部品交換後には、厳しいテストと受け入れ確認を行い、性能が要求される基準を満たしていることを確認する必要があります。

4.2.3 緊急時のバックアップ設備と緊急計画
中性バスバー回路ブレーカーの故障がシステムの運転に与える影響を最小限に抑えるために、緊急時のバックアップ設備を用意し、包括的な緊急計画を策定する必要があります。重大な故障が発生し、すぐに修理できない場合には、バックアップ設備を迅速に展開してシステムの正常な運転を復旧することができます。バックアップ設備の定期的なメンテナンスとテストは、それが良好な待機状態にあることを確認するために必要です。緊急計画には、緊急対応手順、人員の責任、通信プロトコルなどの重要な要素が含まれ、秩序立てて効率的な緊急対応を可能にします。

5. 結論
UHVコンバータバルブのブロッキング中に、中性バスバー回路ブレーカーは絶縁不良、操作機構の故障、接点損傷、電流変換器の故障など、多くの故障リスクに直面します。これらはUHV DC送電システムの安全かつ安定した運転に大きく影響します。コンバータバルブのブロッキングメカニズムとそのような条件下での中性バスバー回路ブレーカーの動作状態を徹底的に分析することにより、一般的な故障タイプとその原因が明確に特定され、詳細な事例研究によってサポートされています。これらの故障を効果的に予防および対処するためには、設備選定と設計、運転監視とメンテナンス、環境改善における予防措置を講じるべきです。同時に、迅速な診断技術、標準化された修理手順、緊急時のバックアップシステムを含む故障対処戦略を採用することで、UHV DC送電システムの運転信頼性をさらに向上させることが可能です。