Feilanalyse av neutralbussens sirkuitsbryter under blokkering av ekstremhøyspenningskonverterventiler

1.Blokkering Prinsipp for Ekstremt Høyspenningskonverterventiler
1.1 Arbeidsprinsipp for Konverterventiler
Ekstremt høyspennings (UHV) konverterventiler bruker typisk thyristorventiler eller isolert-gate bipolare transistor (IGBT) ventiler for å konvertere vekselstrøm (AC) til likestrøm (DC) og motsatt. Med thyristorventilen som eksempel, består den av flere thyristorer koblet i serie og parallelle. Ved å kontrollere utløsning (påslag) og avslutning av thyristorer, regulerer ventilen og konverterer elektrisk strøm. Under normal drift konverterer konverterventilen AC til DC eller DC til AC i henhold til en forhåndsdefinert utløsningssekvens og timing [1].

1.2 Årsaker og Prosess for Blokkering av Konverterventil
Blokkering av konverterventil kan utløses av ulike faktorer, inkludert overspenning, overstrøm, interne komponentfeil, og avvik i kontroll- og beskyttelsessystemet. Når slike avvik oppdages, sender kontroll- og beskyttelsessystemet raskt en blokkeringskommando, stopper utløsningen av alle thyristorer eller IGBT-ventiler, og dermed blokkerer konverterventilen.

Under blokkeringsprosessen forekommer betydelige endringer i systemets elektriske parametere. For eksempel, på rektifiserens side, etter at konverterventilen er blokkert, faller AC-side strømmen raskt. Men på grunn av lindeinduktans, synker ikke DC-side strømmen umiddelbart til null, men fortsetter å flyte gjennom veier som nøytralbuss, danner en frihjulsstrøm. I dette øyeblikket må nøytralbuss-bryteren operere raskt for å avbryte DC-strømmen og beskytte systemutstyr mot skade forårsaket av for stor strøm [2].

2.Driftsbetingelser for Nøytralbuss-Bryter under Blokkering av Konverterventil
2.1 Endringer i Elektriske Parametere
Når konverterventilen er blokkert, undergår spenning og strøm over nøytralbuss-bryteren drastiske endringer. På DC-siden, siden den blokkerte konverterventilen forhindrer normal strømflyt, forekommer overstrøm i nøytralbussen og relatert utstyr. Samtidig, på grunn av elektromagnetiske transiente prosesser i systemet, kan det oppstå overspenning over nøytralbuss-bryteren.

For eksempel, i et visst UHV DC overføringsprosjekt, etter blokkering av konverterventilen, økte nøytralbuss-strømmen umiddelbart til 2–3 ganger den nominelle strømmen, og spenningen over nøytralbuss-bryteren viste betydelige fluktuasjoner, med topp på 1,5 ganger den normale driftsspenningen. Tabell 1 viser grafisk endringene i elektriske parametere under blokkering av konverterventil.

Tabell 1: Endringer i elektriske parametere under blokkering av konverterventil i et visst UHV DC overføringsprosjekt

2.2 Spenningsvariasjoner
Når omdannervalvet blokkeres, må nulllederbussens sirkuitbryter ikke bare tåle elektrisk spenning, men også mekanisk spenning. Elektrisk spenning oppstår hovedsakelig som følge av overspenning og overstrøm, som forsterker den elektriske erosjonen av bryterkontaktene og forkorter deres levetid. Mekanisk spenning oppstår hovedsakelig som følge av påslag fra driftsmeget under rask åpning og lukking, samt elektromagnetiske krefter som oppstår ved raske strømendringer. For eksempel kan komponenter i driftsmekanismen til nulllederbusssirkuitbryteren bli løsne eller slitas ut ved ofte forekommende blokkeringer av omdannervalv, noe som negativt påvirker dens normale åpnings- og lukkeytelse [3].

3. Vanlige feiltype og årsaksanalyse for nulllederbusssirkuitbrytere under blokkering av UHV-omdannervalv
3.1 Isolasjonsfeil
3.1.1 Feiluttrykk
Isolasjonsfeil er en av de mer vanlige feiltypene for nulllederbusssirkuitbrytere under blokkering av omdannervalv. Det uttrykker seg hovedsakelig gjennom aldring eller skade på interne isolasjonsmaterialer, som fører til svekket isolasjonsegenskap og resulterer i flammen eller nedbryting. For eksempel, i noen UHV-DC-transmisjonsprosjekter med lang driftstid, har det oppstått overflaterust og sprøyter på isolerende porcelænsgassene inne i nulllederbusssirkuitbryteren, noe som alvorlig svekker isolasjonsegenskapen.

3.1.2 Årsaksanalyse
Årsakene til isolasjonsfeil inkluderer flere aspekter. Først og fremst aldrer isolasjonsmaterialer gradvis under langsiktig drift under høy spenning og stor strøm, noe som reduserer deres isolasjonevne over tid. Deretter påføres isolasjonsmaterialer alvorlig spenning av overspenning og overstrøm under blokkering av omdannervalv, noe som fremskynder aldringsprosessen. I tillegg forverrer tøffe driftsbetingelser, som høy fuktighet og tung forurensning, isolasjonsoverflaten ved å akkumulere forurensete stoffer, noe som ytterligere svekker isolasjonsegenskapen. For eksempel, i et kystnært UHV-DC-transmisjonsprosjekt med høy fuktighet og saltbelasted luft, dannes lett en ledende film på overflaten av nulllederbusssirkuitbryterens isolerende porcelæn, noe som betydelig reduserer isolasjonstyrken og forårsaker hyppige flammenfeil.

3.2 Driftsmekanismefeil
3.2.1 Feiluttrykk
Driftsmekanismefeil uttrykker seg hovedsakelig gjennom unormal åpning/lukkingstid eller mislykket åpning/lukking (avvisning av operasjon). For eksempel, under blokkering av omdannervalv, kan nulllederbusssirkuitbryteren vise unormalt lange åpningsider, mislykkes med å avbryte DC-strømmen umiddelbart, eller mislykkes med å lukke korrekt, noe som fører til dårlig kontakt.

3.2.2 Årsaksanalyse
Årsakene til driftsmekanismefeil er komplekse. På den ene siden degraderer mekaniske komponenter over tid som følge av hyppige operasjoner, noe som fører til slitasje eller deformasjon som svekker yteevnen. For eksempel, kan fjederne i mekanismen miste elastisiteten sin som følge av trethet, noe som fører til utilstrekkelig åpning/lukkingkraft. På den andre siden kan feil i kontrollkretsen, som reléfeil eller brutte kontrollkabler, forhindre mekanismen i å motta eller utføre kommandoer korrekt. I tillegg kan elektromagnetisk støy under blokkering av omdannervalv forstyrre kontrollsignal, noe som fører til funksjonshemminger eller avvisning av operasjon. For eksempel, i et visst UHV-DC-transmisjonsprosjekt ble kontrollkabler som ble ledet nær høystrøm-busser, utsatt for sterke magnetiske støy under valvblokkering, noe som førte til at bryteren nektet å åpne.

3.3 Kontaktfail
3.3.1 Feiluttrykk
Kontaktfail inkluderer hovedsakelig kontakterosjon, økt kontaktmotstand og kontaktløysing. Under blokkering av omdannervalv, når nulllederbusssirkuitbryteren avbryter store strømmer, dannes høytemperaturbuer, noe som fører til erosjon av kontaktoverflaten. Langvarig erosjon fører til ujevn kontaktoverflate og høyere motstand, noe som svekker normal drift. I alvorlige tilfeller kan kontakter løyses sammen, noe som forhindrer bryteren i å åpne.

3.3.2 Årsaksanalyse
Hovedårsaken til kontaktfail er store strømmer og høytemperaturbuer som dannes under blokkering av omdannervalv. Stor strømflyt produserer Joules varme, noe som øker kontaktemperaturen, mens buens intense varme fremskynder erosjon. I tillegg påvirker egenskapene til kontaktmateriale og produksjonskvalitet bueresistansen. Kontakter laget av materialer med dårlig høytemperatur- eller bueresistans, eller de som er produsert med substandard prosesser, er mer utsatt for erosjon. For eksempel, i et UHV-DC-prosjekt, brukte nulllederbusssirkuitbryteren kontakter med utilstrekkelig bueresistans; etter flere blokkeringshendelser, oppsto alvorlig erosjon, noe som betydelig økte kontaktmotstanden og forstyrret normal drift.

3.4 Strømtransformatorfeil
3.4.1 Feiluttrykk
Strømtransformatorfeil inkluderer hovedsakelig sekundærsideåpning, vindingsisolasjonsskade og kjernemettet. Under blokkering av omdannervalv, utsattes strømtransformator for betydelig spenning som følge av bratte endringer i DC-strøm, noe som gjør den utsatt for feil. For eksempel, kan en åpen sekundærside generere farlig høye spenninger, noe som truer utstyr og personell; vindingsisolasjonsskade kan føre til interne kortslutninger, noe som svekker målnøyaktigheten; og kjernemettet øker målfoutene, noe som potensielt kan utløse feilaktige beskyttelsesforanstaltninger.

3.4.2 Årsaksanalyse
Årsakene til strømtransformatorfeil inkluderer følgende: Først, overstrøm under blokkering av omdannervalv utsattes vindinger for høy termisk og elektromagnetisk spenning, noe som muligens skader isolasjonen. Andre, isolasjonsegenskapene naturligvis degraderer over tid, noe som gjør transformatorer mer sårbare for feil under anormale forhold som valvblokkering. I tillegg, kan feilaktig design eller valg, som feil vurdert strøm eller nøyaktighetsklasse, føre til kjernemettet under blokkeringshendelser. For eksempel, i et UHV-DC-prosjekt, var strømtransformatorens vurderte strøm for lav; under valvblokkering, mettet kjernen raskt, mislyktes med å måle strømmen nøyaktig, og forårsaket beskyttelsesreléer til å mislykkes.

For å forstå andelen av hver feiltype blant feil i nøytral busbar sirkuitsbrytere under omforming av sperrer, ble det foretatt en statistisk analyse av feildata fra flere UHV DC overføringsprosjekter, med resultater vist i tabell 2.

Tabell 2: Andel av feiltypene for nøytral busbar sirkuitsbrytere under UHV omformer sperring

4.Feilforebygging og feilhåndtering for nøytral busbar sirkuitbrytere under UHV konverterventilsperring
4.1 Feilforebyggende tiltak
4.1.1 Optimalisering av utstyrvalg og -design
Under konstruksjonsfasen av UHV DC overføringsprosjekter bør innvirkningen av unormale tilstander som konverterventilsperring på nøytral busbar sirkuitbrytere fullt ut tas i betraktning, og utstyrvalg og -design bør optimaliseres i henhold til dette. Nøkkelforster som sirkuitbrytere med høy isolasjonskapasitet, kontaktmaterialer med god boogmotstand, pålitelige driftsmekanismer og passende strømtransformatorer bør velges. For eksempel kan isolerende porseleinkoner laget av avanserte isolasjonsmaterialer og fremstillingsprosesser øke isolasjonens pålitelighet; kontaktmaterialer med sterk boogmotstand forlenger kontaktenes levetid; og en godt designet driftsmekanisme sikrer nøyaktig og pålitelig åpning/ Lukking under ulike driftsforhold.

4.1.2 Forbedret overvåkning og vedlikehold av utstyr
Det bør etableres et omfattende overvåkingssystem for utstyr for å kontinuerlig overvåke driftsparametrene for nøytral busbar sirkuitbryter, inkludert elektriske parametre, temperatur, trykk, vibrasjon og andre statusindikatorer. Gjennom dataanalyse kan potensielle feilrisikoer identifiseres tidlig. For eksempel kan infrarød termografi brukes til å overvåke temperaturer ved kontakter og koblingspunkter; abnorme temperaturøkninger utløser tilleggsinspeksjoner og korrigerende tiltak. Online overvåking av isolasjonsmotstand og delvis utslipp hjelper med å vurdere isolasjonens tilstand. I tillegg bør rutinemessig vedlikehold—som rensing, smøring og festing—forsterkes for å sikre at utstyret holder seg i optimal driftsforstand.

4.1.3 Forbedring av driftsmiljøets kvalitet
Driftsmiljøet for nøytral busbar sirkuitbryter bør forbedres for å redusere negative miljøeffekter. For eksempel kan luftrenseanlegg installeres i spenningsstasjoner for å redusere luftbårne forurensninger og korrosive gasser; effektive fuktighetskontrolltiltak—som tørketaker—kan opprettholde tørre forhold rundt utstyret. I kystområder eller sterkt industrielt forurenset områder kan spesielle beskyttelsesbehandlinger—som korrosjonshemmende belægninger—brukes for å forbedre utstyrets motstand mot miljørelatert nedbryting.

4.2 Feilhåndteringsforanstaltninger
4.2.1 Bruk av hurtige feil-diagnoseteknologier
Når det oppdages en feil i nøytral busbar sirkuitbryter, bør hurtige feil-diagnoseteknologier benyttes for å nøyaktig identifisere feiltypen og grunnårsaken. Intelligente diagnostiske systemer, kombinert med sanntidsdriftsdata og feilegenskaper, gjør det mulig å raskt lokalisere feilen gjennom dataanalyse og modellbaserte beregninger. For eksempel kan sanntids-overvåking og analyse av strøm- og spenningparametre hjelpe med å bestemme om det har forekommet isolasjonsfeil, kontakt-skade eller strømtransformatorfeil; vibrasjonsanalyse kan avsløre mekaniske problemer i driftsmechanismen.

4.2.2 Opprettelse av rasjonelle feilhåndteringsprosedyrer
Detaljerte og rasjonelle feilhåndteringsprosedyrer bør utvikles for å sikre rask og effektiv respons når feil oppstår. Disse prosedyrene skal inkludere feilmelding, lokal inspeksjon, feildiagnose, reparasjonsplanlegging, gjennomføring av reparasjoner, utstyrstesting og akseptverifisering. Gjennom hele prosessen er streng overholdelse av sikkerhetsprotokoller nødvendig for å beskytte personell og utstyr. For eksempel, ved håndtering av isolasjonsfeil, må strømmen først skrus av og lagret energi slippes ut før inspeksjon og reparasjon; etter komponenterstattelse må omfattende testing og akseptkontroller bekrefte at ytelsen oppfyller de påkrevde standardene.

4.2.3 Nødbakoppsutstyr og beredskapsplaner
For å minimere virkningen av nøytral busbar sirkuitbryterfeil på systemdrift, bør nødbakoppsutstyr være tilgjengelig, og omfattende beredskapsplaner bør utformes. I tilfeller av alvorlige feil som ikke kan repareres raskt, kan bakoppsutstyr raskt settes i bruk for å gjenopprette normal systemdrift. Regelbundet vedlikehold og testing av bakoppsutstyr er nødvendig for å sikre at det holdes i god beredskap. Beredskapsplanen bør spesifisere nødsituasjonsresponsprosedyrer, personansvarsområder, kommunikasjonsprotokoller og andre nøkkel-elementer for å muliggjøre ordnet og effektiv nødhåndtering.

5.Konklusjon
Under UHV konverterventilsperring står nøytral busbar sirkuitbrytere overfor flere feilrisikoer—herunder isolasjonsfeil, driftsmechanisme-feil, kontakt-skade og strømtransformatorfeil—all av disse kan betydelig svekke den sikre og stabile drift av UHV DC overføringsystemer. Ved grundig analyse av blokkeringsmekanismen for konverterventiler og driftsstatus for nøytral busbar sirkuitbrytere under slike forhold, har vanlige feiltyper og deres årsaker blitt klart identifisert, støttet av detaljerte studietilfeller. For å effektivt forebygge og håndtere disse feilene, bør forebyggende tiltak implementeres i utstyrvalg og -design, drifts-overvåking og -vedlikehold, samt miljøforbedring. Samtidig bør feilhåndteringstrategier—herunder hurtige diagnostiske teknologier, standardiserte reparasjonsprosedyrer og nødbakopsystemer—innføres for å ytterligere forbedre driftsbareevnen til UHV DC overføringsystemer.