Анализ неисправностей выключателя нейтральной шины при блокировке преобразовательных вентилей ультравысокого напряжения

1.Принцип блокировки преобразовательных клапанов сверхвысокого напряжения
1.1 Принцип работы преобразовательных клапанов
Преобразовательные клапаны сверхвысокого напряжения (СВН) обычно используют тиристорные клапаны или клапаны на основе изолированных биполярных транзисторов (IGBT) для преобразования переменного тока (ПТ) в постоянный ток (ПТ) и наоборот. На примере тиристорного клапана, он состоит из множества тиристоров, соединенных последовательно и параллельно. Управляя запуском (включением) и выключением тиристоров, клапан регулирует и преобразует электрический ток. В нормальном режиме работы преобразовательный клапан преобразует ПТ в ПТ или ПТ в ПТ в соответствии с предопределенной последовательностью и временем запуска [1].

1.2 Причины и процесс блокировки преобразовательного клапана
Блокировка преобразовательного клапана может быть вызвана различными факторами, включая перенапряжение, перегрузку по току, отказ внутренних компонентов и аномалии в системе управления и защиты. При обнаружении таких аномалий система управления и защиты быстро выдает команду на блокировку, прекращая запуск всех тиристоров или IGBT-клапанов, тем самым блокируя преобразовательный клапан.

Во время процесса блокировки происходят значительные изменения в электрических параметрах системы. Например, на стороне выпрямителя, после блокировки преобразовательного клапана, ток на стороне ПТ быстро падает. Однако, из-за индуктивности линии, ток на стороне ПТ не сразу падает до нуля, а продолжает течь через пути, такие как нейтральная шина, образуя свободный ток. В этот момент необходимо быстрое действие выключателя на нейтральной шине, чтобы прервать ток ПТ и защитить оборудование системы от повреждений, вызванных чрезмерным током [2].

2.Условия работы выключателя на нейтральной шине при блокировке преобразовательного клапана
2.1 Изменения в электрических параметрах
При блокировке преобразовательного клапана напряжение и ток через выключатель на нейтральной шине подвергаются резким изменениям. На стороне ПТ, поскольку заблокированный преобразовательный клапан препятствует нормальному току, происходит перегрузка по току на нейтральной шине и связанном оборудовании. Одновременно, из-за электромагнитных переходных процессов в системе, может возникнуть перенапряжение на выключателе на нейтральной шине.

Например, в определенном проекте передачи СВН, после блокировки преобразовательного клапана, ток на нейтральной шине мгновенно увеличился до 2–3 раз от номинального тока, а напряжение на выключателе на нейтральной шине показало значительные колебания, достигнув максимума в 1,5 раза выше нормального рабочего напряжения. Таблица 1 наглядно иллюстрирует изменения в электрических параметрах при блокировке преобразовательного клапана.

Таблица 1: Изменения в электрических параметрах при блокировке преобразовательного клапана в определенном проекте передачи СВН

2.2 Вариации напряжений
Когда вентильный преобразователь блокируется, выключатель нейтральной шины должен выдерживать не только электрические, но и механические нагрузки. Электрические нагрузки в основном возникают из-за перенапряжения и перегрузки по току, которые усиливают электрическую эрозию контактов выключателя и сокращают срок их службы. Механические нагрузки в основном вызываются ударными силами, генерируемыми механизмом управления при быстром открытии и закрытии, а также электромагнитными силами, вызванными быстрым изменением тока. Например, при частых событиях блокировки вентильного преобразователя компоненты механизма управления выключателя нейтральной шины могут ослабнуть или износиться, что неблагоприятно сказывается на его нормальной работе [3].

3. Типичные виды неисправностей и анализ причин отказов выключателей нейтральной шины при блокировке вентильного преобразователя
3.1 Повреждение изоляции
3.1.1 Проявления неисправности
Повреждение изоляции является одним из наиболее распространенных видов неисправностей выключателей нейтральной шины при блокировке вентильного преобразователя. Оно проявляется в старении или повреждении внутренних изоляционных материалов, что приводит к снижению изоляционных свойств и вызывает пробой или разряд. Например, в некоторых проектах сверхвысоковольтной (СВ) передачи постоянного тока, работающих длительное время, на поверхности изоляционных фарфоровых изоляторов внутри выключателя нейтральной шины появляются загрязнения и трещины, что серьезно ухудшает изоляционные свойства.

3.1.2 Анализ причин
Причины повреждения изоляции включают несколько аспектов. Во-первых, длительная работа под высоким напряжением и большим током постепенно старит изоляционные материалы, снижая их изоляционные свойства со временем. Во-вторых, перенапряжение и перегрузка по току, возникающие при блокировке вентильного преобразователя, оказывают сильное воздействие на изоляционные материалы, ускоряя процесс старения. Кроме того, жесткие условия эксплуатации, такие как высокая влажность и сильное загрязнение, приводят к накоплению загрязнений на поверхности изоляции, что еще больше ухудшает ее свойства. Например, в проекте СВ передачи постоянного тока на побережье, где высокая влажность и воздух, содержащий соль, на поверхности фарфора выключателя нейтральной шины легко образуется проводящая пленка, значительно снижающая изоляционную прочность и вызывающая частые разряды.

3.2 Отказ механизма управления
3.2.1 Проявления неисправности
Отказы механизма управления в основном проявляются в виде аномальных временных интервалов открытия/закрытия или отказа в открытии/закрытии (отказ выполнить команду). Например, при блокировке вентильного преобразователя выключатель нейтральной шины может демонстрировать чрезмерно долгое время открытия, не способствуя своевременному прерыванию постоянного тока, или может не закрываться должным образом, что приводит к плохому контакту.

3.2.2 Анализ причин
Причины отказов механизма управления сложны. С одной стороны, механические компоненты изнашиваются со временем из-за частого использования, страдая от износа или деформации, что ухудшает их работу. Например, пружины в механизме могут потерять упругость из-за усталости, что приводит к недостаточной силе открытия/закрытия. С другой стороны, неисправности в цепи управления, такие как отказ реле или обрыв контрольных кабелей, могут препятствовать правильному приему или выполнению команд. Кроме того, электромагнитные помехи при блокировке вентильного преобразователя могут нарушать сигналы управления, вызывая сбои или отказ выполнять команды. Например, в одном проекте СВ передачи постоянного тока, контрольные кабели, проложенные рядом с шинами большого тока, подвергались сильному магнитному воздействию при блокировке вентилей, что приводило к отказу выключателя в открытии.

3.3 Отказ контактов
3.3.1 Проявления неисправности
Отказы контактов в основном включают эрозию контактов, увеличение контактного сопротивления и сваривание контактов. При блокировке вентильного преобразователя, когда выключатель нейтральной шины прерывает большие токи, образуются высокотемпературные дуги, вызывающие эрозию поверхности контактов. Длительная эрозия приводит к неравномерности поверхности контактов и увеличению сопротивления, что нарушает нормальную работу. В тяжелых случаях контакты могут свариться, предотвращая открытие выключателя.

3.3.2 Анализ причин
Основная причина отказа контактов — это большие токи и высокотемпературные дуги, возникающие при блокировке вентильного преобразователя. Большой ток создает тепловое воздействие, повышая температуру контактов, а интенсивное тепло дуги ускоряет эрозию. Кроме того, свойства материала контактов и качество изготовления влияют на устойчивость к дугам. Контакты, изготовленные из материалов с низкой устойчивостью к высоким температурам или дугам, или произведенные с использованием некачественных технологий, более подвержены эрозии. Например, в одном проекте СВ передачи постоянного тока выключатель нейтральной шины использовал контакты с недостаточной устойчивостью к дугам; после нескольких событий блокировки произошла значительная эрозия, что существенно увеличило контактное сопротивление и нарушило нормальную работу.

3.4 Отказ трансформатора тока
3.4.1 Проявления неисправности
Отказы трансформаторов тока в основном включают обрыв вторичной цепи, повреждение изоляции обмоток и насыщение сердечника. При блокировке вентильного преобразователя резкое изменение постоянного тока подвергает трансформатор тока значительному воздействию, делая его восприимчивым к отказам. Например, обрыв вторичной цепи может вызвать опасно высокое напряжение, угрожающее оборудованию и персоналу; повреждение изоляции обмоток может вызвать внутренние короткие замыкания, снижая точность измерений; насыщение сердечника увеличивает ошибки измерений, что может привести к неверным действиям защиты.

3.4.2 Анализ причин
Причины отказов трансформаторов тока включают следующее: во-первых, большие токи при блокировке вентильного преобразователя подвергают обмотки высоким тепловым и электромагнитным нагрузкам, что может повредить изоляцию. Во-вторых, изоляционные свойства со временем естественно ухудшаются, делая трансформаторы более уязвимыми к отказам в условиях, таких как блокировка вентилей. Кроме того, неправильный дизайн или выбор, например, неправильный номинальный ток или класс точности, могут привести к насыщению сердечника при блокировке. Например, в одном проекте СВ передачи постоянного тока номинальный ток трансформатора тока был слишком низким; при блокировке вентилей сердечник быстро насыщался, что приводило к неточному измерению тока и сбоям в работе защитных реле.

Для лучшего понимания пропорции каждого типа неисправности среди сбоев выключателей нулевой шины во время блокировки преобразовательного вентиля, в данной работе проведён статистический анализ данных о неисправностях из нескольких проектов УВН постоянного тока, результаты которого представлены в таблице 2.

Таблица 2: Пропорция типов неисправностей выключателей нулевой шины во время блокировки преобразовательного вентиля УВН

4. Меры предотвращения и устранения неисправностей в выключателях нулевой шины во время блокировки преобразовательных клапанов ВНТ
4.1 Меры предотвращения неисправностей
4.1.1 Оптимизация выбора и проектирования оборудования
На этапе строительства проектов ВНТ передачи постоянного тока необходимо полностью учитывать влияние аномальных условий, таких как блокировка преобразовательных клапанов, на выключатели нулевой шины, и соответственно оптимизировать выбор и проектирование оборудования. Должны быть выбраны ключевые компоненты, такие как выключатели с высокой изоляционной способностью, контактами с отличной стойкостью к дуге, надежными механизмами управления и трансформаторами тока соответствующего номинала. Например, изоляционные фарфоровые втулки, изготовленные из передовых изоляционных материалов и технологий, могут повысить надежность изоляции; материалы контактов с высокой стойкостью к дуге продлевают срок службы контактов; хорошо спроектированный механизм управления обеспечивает точное и надежное открытие/закрытие при различных условиях эксплуатации.

4.1.2 Усиление мониторинга и обслуживания оборудования
Необходимо создать комплексную систему мониторинга оборудования для непрерывного контроля эксплуатационных параметров выключателей нулевой шины, включая электрические параметры, температуру, давление, вибрацию и другие показатели состояния. С помощью анализа данных можно своевременно выявлять потенциальные риски неисправностей. Например, инфракрасная термография может использоваться для контроля температур на контактах и соединениях; аномальные повышения температуры вызывают своевременные проверки и корректирующие действия. Онлайн-мониторинг сопротивления изоляции и частичных разрядов помогает оценить состояние изоляции. Кроме того, следует усилить регулярное техническое обслуживание, включая очистку, смазку и затяжку, чтобы оборудование находилось в оптимальном рабочем состоянии.

4.1.3 Улучшение качества эксплуатационной среды
Необходимо улучшить эксплуатационную среду выключателей нулевой шины, чтобы снизить негативное воздействие окружающей среды. Например, в подстанциях можно установить системы очистки воздуха, чтобы уменьшить количество воздушных загрязнителей и коррозионных газов; эффективные меры по контролю влажности, такие как осушители, поддерживают сухие условия вокруг оборудования. В прибрежных районах или зонах с высоким уровнем промышленного загрязнения, специальные защитные покрытия, такие как антикоррозийные покрытия, могут применяться для повышения сопротивляемости оборудования воздействию окружающей среды.

4.2 Меры устранения неисправностей
4.2.1 Применение технологий быстрой диагностики неисправностей
При обнаружении неисправности в выключателе нулевой шины следует использовать технологии быстрой диагностики, чтобы точно определить тип и причину неисправности. Интеллектуальные диагностические системы, объединенные с реальными данными эксплуатации и характеристиками неисправностей, позволяют быстро локализовать неисправность с помощью анализа данных и расчетов на основе моделей. Например, реальное время мониторинга и анализа параметров тока и напряжения помогают определить, произошла ли неисправность изоляции, повреждение контактов или сбой трансформатора тока; анализ вибрации может раскрыть механические проблемы в механизме управления.

4.2.2 Разработка рациональных процедур устранения неисправностей
Должны быть разработаны подробные и рациональные процедуры устранения неисправностей, чтобы обеспечить быстрый и эффективный ответ при возникновении отказов. Эти процедуры должны включать сообщение о неисправности, осмотр на месте, диагностику неисправности, планирование ремонта, выполнение ремонтных работ, испытание оборудования и проверку приемки. На протяжении всего процесса строгое соблюдение правил безопасности необходимо для защиты персонала и оборудования. Например, при устранении неисправностей изоляции необходимо первым делом отключить питание и сбросить накопленную энергию перед осмотром и ремонтом; после замены компонента необходимо провести строгие испытания и проверки приемки, чтобы подтвердить, что производительность соответствует требуемым стандартам.

4.2.3 Резервное оборудование и планы на случай чрезвычайных ситуаций
Чтобы минимизировать влияние отказов выключателей нулевой шины на работу системы, должно быть доступно резервное оборудование, и должны быть разработаны всесторонние планы на случай чрезвычайных ситуаций. В случае серьезной неисправности, которую нельзя быстро устранить, резервное оборудование можно быстро развернуть, чтобы восстановить нормальную работу системы. Регулярное техническое обслуживание и испытания резервного оборудования необходимы, чтобы оно находилось в хорошем состоянии готовности. План на случай чрезвычайных ситуаций должен предусматривать процедуры экстренного реагирования, обязанности персонала, протоколы связи и другие ключевые элементы, чтобы обеспечить упорядоченное и эффективное управление чрезвычайными ситуациями.

5. Заключение
Во время блокировки преобразовательных клапанов ВНТ выключатели нулевой шины сталкиваются с множеством рисков неисправностей, включая отказы изоляции, сбои в механизме управления, повреждение контактов и отказы трансформаторов тока, все эти факторы могут существенно нарушить безопасную и стабильную работу систем ВНТ передачи постоянного тока. Тщательный анализ механизма блокировки преобразовательных клапанов и состояния выключателей нулевой шины в таких условиях позволил четко определить распространенные типы неисправностей и их причины, подкрепленные подробными примерами. Для эффективного предотвращения и устранения этих неисправностей следует внедрять профилактические меры в выборе и проектировании оборудования, мониторинге и обслуживании, а также улучшении окружающей среды. Одновременно следует применять стратегии устранения неисправностей, включая технологии быстрой диагностики, стандартизированные процедуры ремонта и системы резервного оборудования, чтобы еще больше повысить надежность работы систем ВНТ передачи постоянного тока.