Analiza uszkodzeń wyłącznika pętli neutralnej podczas blokady wąskich przekazników napięcia w konwerterach nadwysokiego napięcia

1.Zasada blokowania przekształtnikowych zaworów napięcia nadwysokiego
1.1 Zasada działania przekształtnikowych zaworów
Przekształtnikowe zawory napięcia nadwysokiego (UHV) zazwyczaj wykorzystują zawory tycristorowe lub zawory z tranzystorami bipolarnymi z izolowaną bramką (IGBT) do konwersji prądu przemiennego (AC) na prąd stały (DC) i odwrotnie. Na przykład, zawór tycristorowy składa się z wielu tycristorów połączonych szeregowo i równolegle. Poprzez kontrolowanie wyzwalania (włączenia) i wyłączenia tycristorów, zawór reguluje i konwertuje prąd elektryczny. W normalnym trybie pracy, przekształtnikowy zawór konwertuje AC na DC lub DC na AC zgodnie z określonym sekwencją i czasem wyzwalania [1].

1.2 Przyczyny i proces blokowania przekształtnikowego zaworu
Blokowanie przekształtnikowego zaworu może być wywołane przez różne czynniki, w tym przepięcia, przeciążenia, awarie elementów wewnętrznych oraz nieprawidłowości w systemie sterowania i ochrony. Gdy takie anomalie są wykryte, system sterowania i ochrony szybko wydaje polecenie blokady, zatrzymując wyzwalanie wszystkich tycristorów lub zaworów IGBT, co powoduje blokadę przekształtnikowego zaworu.

W trakcie procesu blokowania następują znaczne zmiany parametrów elektrycznych systemu. Na przykład, po stronie prostownika, po blokowaniu przekształtnikowego zaworu, prąd po stronie AC spada szybko. Jednakże, ze względu na indukcyjność linii, prąd po stronie DC nie spada natychmiast do zera, lecz kontynuuje płynięcie przez ścieżki, takie jak neutralna szyna rozdzielcza, tworząc prąd obiegu swobodnego. W tym momencie przełącznik na neutralnej szynie musi działać szybko, aby przerwać prąd DC i chronić sprzęt systemu przed uszkodzeniami spowodowanymi nadmiernym prądem [2].

2.Warunki pracy przełącznika na neutralnej szynie podczas blokowania przekształtnikowego zaworu
2.1 Zmiany parametrów elektrycznych
Gdy przekształtnikowy zawór jest zablokowany, napięcie i prąd na przełączniku na neutralnej szynie ulegają drastycznym zmianom. Po stronie DC, ponieważ zablokowany przekształtnikowy zawór uniemożliwia normalny przepływ prądu, występują przeciążenia prądu na neutralnej szynie i sprzęcie z nią powiązanym. Ponadto, ze względu na procesy przejściowe elektromagnetyczne w systemie, może pojawić się przepięcie na przełączniku na neutralnej szynie.

Na przykład, w pewnym projekcie transmisji prądu stałego napięcia nadwysokiego, po blokowaniu przekształtnikowego zaworu, prąd na neutralnej szynie natychmiast wzrósł do 2–3 razy wartości nominalnej, a napięcie na przełączniku na neutralnej szynie wykazało znaczne wahania, osiągając maksimum 1,5 razy normalne napięcie robocze. Tabela 1 ilustruje graficznie zmiany parametrów elektrycznych podczas blokowania przekształtnikowego zaworu.

Tabela 1: Zmiany parametrów elektrycznych podczas blokowania przekształtnikowego zaworu w pewnym projekcie transmisji prądu stałego napięcia nadwysokiego

2.2 Wariacje Naprężeń
Gdy zawór przekształtnika jest zablokowany, przełącznik obwodu neutralnego musi wytrzymać nie tylko naprężenia elektryczne, ale także mechaniczne. Naprężenia elektryczne powstają głównie z powodu nadciśnienia i nadprądu, które nasilają erozję elektryczną kontaktów przełącznika i skracają ich czas użytkowania. Naprężenia mechaniczne wynikają głównie z sił uderzeniowych generowanych przez mechanizm działania podczas szybkich operacji otwierania i zamykania, jak również ze sił elektromagnetycznych powodowanych szybkimi zmianami prądu. Na przykład, w przypadku częstych zdarzeń blokady zaworów przekształtnika, elementy mechanizmu działania przełącznika obwodu neutralnego mogą się poluzować lub zużyć, co negatywnie wpływa na jego normalne działanie otwierania i zamykania [3].

3. Typowe Rodzaje Awarii i Analiza Przyczyn Awarii Przełączników Obwodu Neutralnego Podczas Blokady Zaworów Przekształtnika UHV
3.1 Awaria Izolacji
3.1.1 Objawy Usterki
Awaria izolacji jest jednym z bardziej powszechnych rodzajów awarii przełączników obwodu neutralnego podczas blokady zaworów przekształtnika. Objawia się ona głównie starzeniem się lub uszkodzeniem materiałów izolacyjnych wewnątrz, co prowadzi do pogorszenia właściwości izolacyjnych i powoduje przepalanie lub przepuszczanie. Na przykład, w niektórych projektach transmisji prądu stałego UHV o długim okresie eksploatacji, na izolatorach porcelanowych wewnątrz przełącznika obwodu neutralnego pojawiły się zanieczyszczenia powierzchni i pęknięcia, co znacznie obniża właściwości izolacyjne.

3.1.2 Analiza Przyczyn
Przyczyny awarii izolacji obejmują kilka aspektów. Po pierwsze, długotrwała eksploatacja przy wysokim napięciu i dużym prądzie stopniowo starzy materiały izolacyjne, obniżając ich zdolność izolacyjną z biegiem czasu. Po drugie, nadciśnienie i nadprąd generowane podczas blokady zaworów przekształtnika poddają materiały izolacyjne silnym naprężeniom, przyspieszając proces starzenia. Dodatkowo, trudne warunki pracy, takie jak wysoka wilgotność i duże zanieczyszczenie, powodują nagromadzenie zanieczyszczeń na powierzchniach izolacji, co dalej degraduje jej właściwości. Na przykład, w projekcie transmisji prądu stałego UHV w rejonie nadmorskim o wysokiej wilgotności i powietrzu nasyconym solą, łatwo tworzy się warstwa przewodząca na powierzchni izolatorów porcelanowych przełącznika obwodu neutralnego, znacznie obniżając jego moc izolacyjną i powodując częste awarie przepalania.

3.2 Awaria Mechanizmu Działania
3.2.1 Objawy Usterki
Awarie mechanizmu działania objawiają się głównie异常的输出似乎中断了，让我继续完成翻译：

3.2 Awaria Mechanizmu Działania
3.2.1 Objawy Usterki
Awarie mechanizmu działania objawiają się głównie nietypowymi czasami otwierania/zamykania lub niemożliwością otwarcia/zamknięcia (odmową działania). Na przykład, podczas blokady zaworów przekształtnika, przełącznik obwodu neutralnego może pokazywać zbyt długi czas otwierania, niezdolny do szybkiego przerwania prądu stałego, lub może nie być w stanie prawidłowo zamknąć, co prowadzi do słabego kontaktu.

3.2.2 Analiza Przyczyn
Przyczyny awarii mechanizmu działania są złożone. Z jednej strony, komponenty mechaniczne ulegają degradacji w wyniku częstych operacji, cierpiąc na zużycie lub deformację, co utrudnia ich działanie. Na przykład, sprężyny w mechanizmie mogą utracić sprężystość z powodu zmęczenia, co prowadzi do niewystarczającego sił otwierania/zamykania. Z drugiej strony, awarie w obwodzie sterującym, takie jak uszkodzenie relé lub przewodów sterujących, mogą uniemożliwić mechanizmowi odbiór lub wykonanie poleceń. Ponadto, zakłócenia elektromagnetyczne podczas blokady zaworów przekształtnika mogą zakłócać sygnały sterujące, powodując nieprawidłowe działanie lub odmowę działania. Na przykład, w pewnym projekcie transmisji prądu stałego UHV, przewody sterujące umieszczone blisko busów o dużym prądzie były narażone na silne zakłócenia magnetyczne podczas blokady zaworów, co prowadziło do odmowy otwarcia przełącznika.

3.3 Awaria Kontaktów
3.3.1 Objawy Usterki
Awarie kontaktów obejmują głównie erozję kontaktów, wzrost oporu kontaktowego i spawanie kontaktów. Podczas blokady zaworów przekształtnika, gdy przełącznik obwodu neutralnego przerwuje duży prąd, powstają gorące łuki, powodując erozję powierzchni kontaktów. Długotrwała erozja prowadzi do nierównomiernych powierzchni kontaktowych i wyższego oporu, utrudniając prawidłowe działanie. W skrajnych przypadkach, kontakty mogą spłonąć, uniemożliwiając otwarcie przełącznika.

3.3.2 Analiza Przyczyn
Główną przyczyną awarii kontaktów jest duży prąd i gorący łuk powstający podczas blokady zaworów przekształtnika. Duży prąd powoduje ogrzewanie Joule'a, podnosząc temperaturę kontaktów, a intensywne ciepło łuku przyspiesza erozję. Dodatkowo, właściwości materiałów kontaktowych i jakość produkcji wpływają na odporność na łuk. Kontakty wykonane z materiałów o słabej odporności na wysokie temperatury lub łuk, lub te, które zostały wykonane z niewłaściwymi procesami, są bardziej podatne na erozję. Na przykład, w projekcie UHV DC, przełącznik obwodu neutralnego używał kontaktów o niewystarczającej odporności na łuk; po wielokrotnych blokadach, doszło do ciężkiej erozji, znacznie zwiększając opór kontaktowy i zaburzając prawidłowe działanie.

3.4 Awaria Przekształtnika Prądowego
3.4.1 Objawy Usterki
Awarie przekształtnika prądowego obejmują głównie otwarte obwody wtórne, uszkodzenie izolacji cewek i nasycenie rdzenia. Podczas blokady zaworów przekształtnika, gwałtowna zmiana prądu stałego poddaje przekształtnik prądowy dużemu naprężeniu, co sprawia, że jest on podatny na awarię. Na przykład, otwarty obwód wtórny może generować niebezpiecznie wysokie napięcia, zagrazając sprzętom i personelowi; uszkodzenie izolacji cewek może powodować wewnętrzne zwarcia, pogarszając dokładność pomiarów; a nasycenie rdzenia zwiększa błędy pomiarowe, potencjalnie prowadząc do nieprawidłowych działań ochronnych.

3.4.2 Analiza Przyczyn
Przyczyny awarii przekształtnika prądowego obejmują następujące: Po pierwsze, nadprąd podczas blokady zaworów przekształtnika poddaje cewki dużym naprężeniom termicznym i elektromagnetycznym, co może uszkodzić izolację. Po drugie, właściwości izolacyjne naturalnie się degradują z upływem czasu, co czyni transformatory bardziej podatnymi na awarię w nieprawidłowych warunkach, takich jak blokada zaworów. Ponadto, nieodpowiednie projektowanie lub wybór, takie jak niepoprawne nominalne wartości prądu lub klasa dokładności, mogą prowadzić do nasycenia rdzenia podczas blokad. Na przykład, w jednym projekcie UHV DC, nominalny prąd przekształtnika prądowego był zbyt niski; podczas blokady zaworów, rdzeń szybko się nasycił, nie mogąc dokładnie mierzyć prądu, co prowadziło do nieprawidłowego działania relé ochronnych.

Aby lepiej zrozumieć proporcję poszczególnych typów awarii wśród usterek wyłączników szyn neutralnych podczas blokowania przekształtnikowych zaworów, niniejszy artykuł przeprowadził analizę statystyczną danych o awariach z wielu projektów nadprzewodnikowych linii przesyłowych napięcia stałego, z wynikami przedstawionymi w Tabeli 2.

Tabela 2: Proporcja typów awarii wyłączników szyn neutralnych podczas blokowania przekształtnikowych zaworów w systemach UHV

4.Szczegółowe środki zapobiegania i rozwiązywania problemów z obwodami odłączającymi neutralnego przewodu szynowego podczas blokady przekształtników UHV
4.1 Środki zapobiegania awariom
4.1.1 Optymalizacja wyboru i projektowania sprzętu
Podczas etapu budowy projektów transmisji prądu stałego UHV należy w pełni uwzględnić wpływ nieprawidłowych warunków, takich jak blokada przekształtnika, na obwody odłączające neutralnego przewodu szynowego, a wybór i projektowanie sprzętu powinny być odpowiednio optymalizowane. Powinny być wybierane kluczowe komponenty, takie jak obwody odłączające o wysokiej wydajności izolacyjnej, doskonałe kontakty oporne na łuki elektryczne, niezawodne mechanizmy działania oraz odpowiednio skalowane transformatory prądowe. Na przykład izolujące ceramiki wykonane z zaawansowanych materiałów izolacyjnych i procesów produkcyjnych mogą zwiększyć niezawodność izolacji; materiały kontaktowe o dużej odporności na łuki elektryczne przedłużają żywotność kontaktów; a dobrze zaprojektowany mechanizm działania zapewnia dokładne i niezawodne otwieranie/zamykanie w różnych warunkach pracy.

4.1.2 Wzmocnione monitorowanie i konserwacja sprzętu
Powinien zostać ustanowiony kompleksowy system monitorowania sprzętu, aby ciągle monitorować parametry operacyjne obwodu odłączającego neutralnego przewodu szynowego, w tym parametry elektryczne, temperaturę, ciśnienie, drgania i inne wskaźniki stanu. Dzięki analizie danych można wczesniej identyfikować potencjalne ryzyko awarii. Na przykład termografia infraczerwona może być używana do monitorowania temperatur w kontaktach i punktach połączeń; nietypowe wzrosty temperatury powinny prowadzić do natychmiastowych inspekcji i działań korygujących. Monitorowanie online oporu izolacji i częściowej emisji pomaga ocenić stan izolacji. Ponadto należy wzmocnić regularną konserwację, w tym czyszczenie, smarowanie i zaciskanie, aby zapewnić, że sprzęt pozostaje w optymalnym stanie pracy.

4.1.3 Poprawa jakości środowiska pracy
Jakość środowiska pracy obwodu odłączającego neutralnego przewodu szynowego powinna być poprawiona, aby zmniejszyć negatywny wpływ środowiska. Na przykład, w stacjach przekształcających można zainstalować systemy czyszczące powietrze, aby zmniejszyć zawiesiny lotne i gazy korozyste; skuteczne środki kontrolowania wilgotności, takie jak suszarki, mogą utrzymywać suche warunki wokół sprzętu. W regionach przybrzeżnych lub silnie zanieczyszczonych przemysłowo, specjalne ochronne zabiegi, takie jak pokrycia antykorozyjne, mogą być stosowane, aby zwiększyć odporność sprzętu na degradację środowiskową.

4.2 Środki rozwiązywania problemów
4.2.1 Zastosowanie szybkich technologii diagnostycznych
Gdy zostanie wykryta awaria w obwodzie odłączającym neutralnego przewodu szynowego, powinny być zastosowane szybkie technologie diagnostyczne, aby dokładnie zidentyfikować typ i przyczynę awarii. Inteligentne systemy diagnostyczne, połączone z rzeczywistymi danymi operacyjnymi i charakterystykami awarii, umożliwiają szybkie lokalizowanie awarii dzięki analizie danych i obliczeniom opartym na modelach. Na przykład, monitorowanie i analiza w czasie rzeczywistym parametrów prądu i napięcia mogą pomóc określić, czy wystąpiła awaria izolacji, uszkodzenie kontaktu, czy awaria transformatora prądowego; analiza drgań może ujawnić problemy mechaniczne w mechanizmie działania.

4.2.2 Utworzenie racjonalnych procedur rozwiązywania problemów
Powinny być opracowane szczegółowe i racjonalne procedury rozwiązywania problemów, aby zapewnić szybką i skuteczną reakcję w przypadku wystąpienia awarii. Te procedury powinny obejmować zgłoszenie awarii, inspekcję na miejscu, diagnostykę awarii, planowanie napraw, realizację napraw, testowanie sprzętu i weryfikację przyjęcia. Przez cały proces niezbędne jest ścisłe przestrzeganie protokołów bezpieczeństwa, aby chronić personel i sprzęt. Na przykład, gdy rozwiązuje się awarie izolacji, musi najpierw zostać odłączona energia i wyładowana energia magazynowana, zanim będzie można przeprowadzić inspekcję i naprawę; po wymianie komponentu, muszą zostać przeprowadzone rygorystyczne testy i weryfikacje przyjęcia, aby upewnić się, że wydajność spełnia wymagane standardy.

4.2.3 Awaryjne zapasowe wyposażenie i plany awaryjne
Aby zminimalizować wpływ awarii obwodów odłączających neutralnego przewodu szynowego na działanie systemu, powinno być dostępne awaryjne zapasowe wyposażenie, a powinny być opracowane kompleksowe plany awaryjne. W przypadku poważnej awarii, której nie można szybko naprawić, zapasowe wyposażenie może być szybko wdrożone, aby przywrócić normalne działanie systemu. Regularna konserwacja i testowanie zapasowego wyposażenia są niezbędne, aby upewnić się, że pozostaje ono w dobrym stanie gotowości. Plan awaryjny powinien określać procedury reagowania w nagłych sytuacjach, odpowiedzialności personelu, protokoły komunikacji i inne kluczowe elementy, które umożliwiają uporządkowane i efektywne zarządzanie sytuacjami awaryjnymi.

5.Podsumowanie
Podczas blokady przekształtników UHV, obwody odłączające neutralnego przewodu szynowego stają przed wieloma ryzykami awarii, w tym awariami izolacji, awariami mechanizmu działania, uszkodzeniami kontaktów i awariami transformatorów prądowych, wszystkie te problemy mogą znacznie naruszać bezpieczne i stabilne działanie systemów transmisji prądu stałego UHV. Dokładna analiza mechanizmu blokady przekształtników i stanu operacyjnego obwodów odłączających neutralnego przewodu szynowego w takich warunkach pozwoliła jednoznacznie zidentyfikować typowe rodzaje awarii i ich przyczyny, wspierane szczegółowymi studiami przypadków. Aby skutecznie zapobiegać i rozwiązywać te awarie, powinny być wprowadzane środki zapobiegawcze w zakresie wyboru i projektowania sprzętu, monitorowania i konserwacji, oraz poprawy środowiska. Jednocześnie, strategie rozwiązywania problemów, w tym szybkie technologie diagnostyczne, standaryzowane procedury napraw, i systemy awaryjne, powinny być wprowadzane, aby dalej zwiększyć niezawodność działania systemów transmisji prądu stałego UHV.