Analiza napak v preklopniku neutralne šinke med zastavljanjem pretvornikov ultravisokih napetosti

1. Blokada načelo visokonapetostnih pretvornih ventilov
1.1 Delovno načelo pretvornih ventilov
Visokonapetostni (UHV) pretvorni ventili običajno uporabljajo tiristorske ventile ali bipolarni tranzistor z izolirano vrata (IGBT) za pretvorbo izmeničnega toka (AC) v enosmerni tok (DC) in obratno. Če vzamemo za primer tiristorski ventil, je sestavljen iz več tiristorjev, povezanih zaporedno in vzporedno. Z nadzorom sproščanja (vklopa) in izklopa tiristorjev ventil regulira in pretvarja električni tok. Med normalnim delovanjem pretvornik pretvara izmenični tok v enosmerni ali enosmerni v izmenični tok v skladu s predhodno določeno zaporedjem in časovanjem sprožitve [1].

1.2 Vzroki in proces blokade pretvornega ventila
Blokado pretvornega ventila lahko povzročijo različni dejavniki, kot so prenapetost, prevelik tok, okvare notranjih komponent ter nepravilnosti v sistemu nadzora in zaščite. Ko sistem zazna take anomalije, hitro izda ukaz za blokado, s čimer preneha sprožanje vseh tiristorjev ali IGBT ventilov, kar pomeni blokado pretvornega ventila.

Med postopkom blokade pride do pomembnih sprememb v električnih parametrih sistema. Na primer, na strani usmerjevalnika se po blokadi pretvornega ventila izmenični tok na strani AC hitro zmanjša. Zaradi induktivnosti vodov pa tok na strani DC takoj ne pade na nič, temveč še naprej teče po potih, kot je nevtralna zbiralnica, pri čemer nastane tok svobodnega kolesenja. V tem trenutku mora nevtralna stikalna naprava delovati hitro, da prekine enosmerni tok in zaščiti opremo sistema pred poškodbami zaradi prevelikega toka [2].

2. Delovni pogoji stikalne naprave nevtralne zbiralnice med blokado pretvornega ventila
2.1 Spremembe električnih parametrov
Ko je pretvorni ventil blokiran, pride do močnih sprememb napetosti in toka na stikalni napravi nevtralne zbiralnice. Na strani DC, ker blokirani pretvorni ventil preprečuje normalen tok, pride do prevelikega toka v nevtralni zbiralnici in povezani opremi. Hkrati pa zaradi elektromagnetnih prehodnih procesov v sistemu lahko na stikalni napravi nevtralne zbiralnice nastane prenapetost.

Na primer, v določenem UHV DC projektu za prenos energije je po blokadi pretvornega ventila tok v nevtralni zbiralnici hipoma narasel na 2–3-kratni nazivni tok, napetost na stikalni napravi nevtralne zbiralnice pa je kazala znatne nihanja, z vrhnjo vrednostjo do 1,5-kratne normalne obratovalne napetosti. Tabela 1 nazorno prikazuje spremembe električnih parametrov med blokado pretvornega ventila.

Tabela 1: Spremembe električnih parametrov med blokado pretvornega ventila v določenem UHV DC projektu za prenos energije

2.2 Variacije napetosti
Ko je pretvorni ventil zaklenjen, mora preklopnik na neutralni nosilni vod izdržati ne le električno, ampak tudi mehansko obremenitev. Električna obremenitev glavno izvira iz povišanih napetosti in tokov, ki okrepita električno erozijo stikov preklopnika in skračujejo njihovo življenjsko dobo. Mehanska obremenitev predvsem izvira iz udarnih sil, ki jih generira delovalni mehanizem med hitrim odpiranjem in zapiranjem, ter elektromagnetskih sil, ki jih povzročajo hitre spremembe toka. Na primer, pri pogostih dogodkih zaklepanja pretvornega ventila se komponente delovalnega mehanizma preklopnika na neutralni nosilni vod lahko poslabšajo ali zapolnjijo, kar negativno vpliva na njegove normalne lastnosti odpiranja in zapiranja [3].

3.Pogosti tipi napak in analiza vzrokov pri preklopniku na neutralni nosilni vod med zaklepanjem pretvornega ventila
3.1 Nezadostnost izolacije
3.1.1 Manifestacija napak
Nezadostnost izolacije je eden od bolj pogostih tipov napak pri preklopniku na neutralni nosilni vod med zaklepanjem pretvornega ventila. Predvsem se manifestira kot staranje ali poškodba notranjih izolacijskih materialov, kar vodi k degradaciji izolacijske zmogljivosti in povzroča prožitve ali propade. Na primer, v nekaterih projektih visokonapetostne enosmerne prenose, ki so dolgo delovali, so na izolacijskih porcelanskih cevljih znotraj preklopnika na neutralni nosilni vod nastopile površinska onesnaženja in razpadi, kar hudo ogroža izolacijsko zmogljivost.

3.1.2 Analiza vzrokov
Vzroki nezadostnosti izolacije vključujejo več vidikov. Prvič, dolgotrajno delovanje pod visoko napetostjo in velikim tokom postopoma starjajo izolacijske materiale, s čimer se zmanjšuje njihova izolacijska zmogljivost. Drugič, povišana napetost in tok, ki nastaneta med zaklepanjem pretvornega ventila, postavljata hudo obremenitev na izolacijske materiale, kar pospešuje proces starjanja. Dodatno, težki delovni okolji, kot so visoka vlaga in močno onesnaženje, povzročajo nakupljanje kontaminantov na površinah izolacije, kar dodatno degradira izolacijsko zmogljivost. Na primer, v projektu visokonapetostnega enosmernega prenosa ob obali, kjer je visoka vlaga in zasolen zrak, se na površini izolacijskega porcelana preklopnika na neutralni nosilni vod lahko zelo hitro oblikuje prevodna plastična vrstva, kar zelo zmanjša izolacijsko trdoto in povzroča pogoste prožitve.

3.2 Nezadostnost delovalnega mehanizma
3.2.1 Manifestacija napak
Nezadostnost delovalnega mehanizma se predvsem manifestira kot nenormalni časi odpiranja/zapiranja ali nezmožnost odpiranja/zapiranja (zavrnitev operacije). Na primer, med zaklepanjem pretvornega ventila se lahko preklopnik na neutralni nosilni vod odpira precej dolgo, ne more pa pravočasno prekiniti enosmerne toka, ali pa ne more pravilno zapirati, kar vodi do slabe stikavnosti.

3.2.2 Analiza vzrokov
Vzroki nezadostnosti delovalnega mehanizma so kompleksni. Na eni strani se mehanske komponente zaradi pogostih operacij s časom izgubijo, trpijo za poslabšanje ali deformacijo, kar onemogoča njihovo učinkovito delovanje. Na primer, spirale v mehanizmu lahko zaradi utrujenosti izgubijo elastičnost, kar vodi do nedostatka sile za odpiranje/zapiranje. Na drugi strani lahko napake v nadzornem krugu, kot so napake relaja ali pokvarjeni nadzorni kabeli, preprečijo, da bi mehanizem pravilno sprejel ali izvedel ukaze. Poleg tega lahko med zaklepanjem pretvornega ventila elektromagnetska motnica prepreči, da bi bili nadzorni signali pravilno prejeti, kar vodi do nepravilnega delovanja ali zavrnitve operacije. Na primer, v določenem projektu visokonapetostnega enosmernega prenosa so nadzorni kabeli, ki so bili v bližini nosilnih vod z velikimi tokmi, med zaklepanjem ventila izkušali močno magnetno motnico, kar je vodilo do zavrnitve odpiranja preklopnika.

3.3 Nezadostnost stikov
3.3.1 Manifestacija napak
Nezadostnost stikov vključuje predvsem erozijo stikov, povečano upor stikov in varjenje stikov. Med zaklepanjem pretvornega ventila, ko preklopnik na neutralni nosilni vod prekine velike tokove, se oblikujejo visoko temperaturni loki, ki povzročajo erozijo površine stikov. Dolgotrajna erozija vodi do neravnomerne površine stikov in višje upor, kar onemogoča normalno delovanje. V težjih primerih se lahko stiki varjeno skupaj, kar prepreči odpiranje preklopnika.

3.3.2 Analiza vzrokov
Glavni vzrok nezadostnosti stikov je velik tok in visoko temperaturni lok, ki nastane med zaklepanjem pretvornega ventila. Veliki tok povzroča Jouleovo segrevanje, s čimer se poviša temperatura stikov, medtem ko intenzivno segrevanje loka pospeši erozijo. Dodatno, lastnosti materiala stikov in kakovost izdelave vplivajo na odpornost na loke. Stiki, narejeni iz materialov z nizko odpornostjo na visoke temperature ali loke, ali tisti, ki so izdelani z podstandardnimi postopki, so bolj občutljivi na erozijo. Na primer, v projektu visokonapetostnega enosmernega prenosa je preklopnik na neutralni nosilni vod uporabljal stike z nizko odpornostjo na loke; po večkratnem zaklepanju je došlo do težke erozije, kar je zelo povečalo upor stikov in motilo normalno delovanje.

3.4 Nezadostnost transformatorja toka
3.4.1 Manifestacija napak
Nezadostnost transformatorja toka vključuje predvsem odprt sekundarni vez, poškodbo izolacije navojišč in nasititev jedra. Med zaklepanjem pretvornega ventila je nagla sprememba enosmerne toka veliko obremenitev za transformator toka, kar ga naredi občutljivega na nezadostnost. Na primer, odprt sekundarni vez lahko ustvari opasno visoko napetost, ki ogroža opremo in osebje; poškodba izolacije navojišč lahko povzroči notranje kratice, kar degradira natančnost meritve; nasititev jedra poveča merilne napake, kar lahko sproži napačne zaščitne akcije.

3.4.2 Analiza vzrokov
Vzroki nezadostnosti transformatorja toka vključujejo naslednje: Prvič, prevelik tok med zaklepanjem pretvornega ventila obremenjuje navojišča s visokimi termalnimi in elektromagnetskimi silami, kar lahko poškoduje izolacijo. Drugič, izolacijska zmogljivost se s časom naravno degradira, kar transformatorje naredi bolj ranljive za nezadostnost v neobičajnih pogojih, kot je zaklepanje ventila. Dodatno, napačna konstrukcija ali izbira, kot je napačen imenovani tok ali natančnostna skupina, lahko vodi do nasititve jedra med zaklepanjem. Na primer, v določenem projektu visokonapetostnega enosmernega prenosa je bil imenovani tok transformatorja toka prenizak; med zaklepanjem ventila se je jedro hitro nasitilo, ni moglo pravilno meritve toka in sprožilo napačne delovanje zaščitnih rele.

Za boljše razumevanje deleža posameznih vrst napak pri odpovedi preklopnikov na neutralni busbar med blokado pretvornika, je ta članek izvedel statistično analizo podatkov o napakah iz več projektov UHV DC prenosa, rezultati so prikazani v Tabeli 2.

Tabela 2: Delež vrst napak preklopnikov na neutralni busbar med blokado UHV pretvornika

4.Mere preventivne in odzivne mere za preklopnike neutralne nosilnice med blokado pretvornih ventilov UHV
4.1 Preventivne mere
4.1.1 Optimizacija izbire in oblikovanja opreme
V fazi gradnje projektov UHV DC prenosa je potrebno v celoti upoštevati vpliv nezgodnih stanj, kot je blokada pretvornih ventilov, na preklopnike neutralne nosilnice in ustrezno optimizirati izbiro in oblikovanje opreme. Ključne komponente, kot so preklopniki z visokimi izolacijskimi lastnostmi, odlični kontakti, zanesljivi mehanski mehanizmi in pravilno razmerjene transformatorji toka, bi morali biti izbrani. Na primer, izolacijske porcelanske cevi, izdelane iz naprednih izolacijskih materialov in proizvodnih postopkov, lahko povečajo zanesljivost izolacije; materiali kontaktov z močno odpornostjo na lok lahko podaljšajo življenjsko dobo kontaktov; in dobro oblikovan mehanski mehanizem zagotavlja natančno in zanesljivo odpiranje/zapiranje v različnih delovnih pogoji.

4.1.2 Okrepitve nadzora in vzdrževanja opreme
Nastaniti bi morala celovita sistema nadzora opreme, ki bo neprekinjeno spremljala delovne parametre preklopnika neutralne nosilnice, vključno z električnimi parametri, temperaturo, tlak, vibracijo in druge kazalnike stanja. Preko analize podatkov se lahko zgodnje prepoznajo potencialni tveganja za poškodbe. Na primer, infrardeča termografska tehnika se lahko uporablja za spremljanje temperatur pri kontaktih in priključnih točkah; nenormalne dvige temperature sprožijo pravočasne pregledi in popravila. On-line spremljanje upornosti izolacije in delne razboženosti pomaga oceniti stanje izolacije. Poleg tega bi moralo biti okrepitveno redno vzdrževanje, vključno s čiščenjem, smarilom in zatekanjem, da se zagotovi, da oprema ostane v optimalnem delovnem stanju.

4.1.3 Izboljšanje kakovosti delovnega okolja
Delovno okolje preklopnika neutralne nosilnice bi moralo biti izboljšano, da se zmanjša negativni vpliv okoljskih dejavnikov. Na primer, v podstanicah bi se lahko namestili sistemi za čiščenje zraka, da se zmanjšajo zračni onesnaževalci in korozivni plini; učinkova merila kontrole vlage, kot so sušilnice, lahko ohranjajo suho okolje okoli opreme. V obalnih ali zelo onesnaženih industrijskih območjih se lahko uporabljajo posebna zaščitna obdelava, kot so premazi proti koroziji, da se poveča odpornost opreme na onesnaževanje okolja.

4.2 Odzivne mere
4.2.1 Uporaba hitrih tehnologij za določanje poškodb
Ko se v preklopniku neutralne nosilnice zazna poškodba, bi morale biti uporabljene hitre tehnologije za določanje poškodb, da se natančno prepozna vrsta in glavni vzrok poškodbe. Pametni diagnostični sistemi, združeni z realnimi operativnimi podatki in lastnostmi poškodb, omogočajo hitro lokalizacijo poškodb preko analize podatkov in modelnih izračunov. Na primer, realnočasno spremljanje in analiza parametrov toka in napetosti lahko pomaga določiti, ali je prišlo do poškodbe izolacije, poškodbe kontaktov ali poškodbe transformatorja toka; analiza vibracij lahko razkriva mehanske težave v mehanskem mehanizmu.

4.2.2 Ustanovitev racionalnih postopkov za odziv na poškodbe
Razvit bi moral biti podroben in racionalen postopek za odziv na poškodbe, da se zagotovi hitri in učinkovit odziv ob nastopu poškodb. Ti postopki bi morali vključevati poročanje o poškodbah, pregled na mestu, določanje poškodb, načrtovanje popravil, izvedbo popravil, preskušanje opreme in preverjanje sprejetnosti. Skozi celoten proces je ključnega pomena strogo upoštevanje varnostnih protokolov za zaščito osebja in opreme. Na primer, pri reševanju poškodb izolacije je najprej potrebno odstraniti strmo in izpuščeno energijo pred pregledom in popravilom; po zamenjavi komponente je potrebno, da strog preskus in preverjanje sprejetnosti potrdita, da zmogljivosti ustrezajo zahtevanim standardom.

4.2.3 Nujna rezervna oprema in načrti za nujne primere
Za zmanjšanje vpliva poškodb preklopnikov neutralne nosilnice na delovanje sistema bi morala biti na voljo nujna rezervna oprema in bi morali biti razviti celoviti načrti za nujne primere. V primeru hude poškodbe, ki jo ni mogoče hitro popraviti, bi se lahko hitro uporabila rezervna oprema, da se obnovi normalno delovanje sistema. Redno vzdrževanje in preskušanje rezervne opreme je potrebno, da se zagotovi, da je ta v dobrem stanju pripravljenosti. Načrt za nujne primere bi moral določiti postopke za nujni odziv, odgovornosti osebja, komunikacijske protokole in druge ključne elemente, da omogoči urejen in učinkovit odziv v nujnih primerih.

5.Zaključek
Pri blokadi pretvornih ventilov UHV se preklopniki neutralne nosilnice soočajo z več poškodbnimi tveganji, vključno z poškodbami izolacije, poškodbami mehanskih mehanizmov, poškodbami kontaktov in poškodbami transformatorjev toka, ki lahko značilno ogrozijo varno in stabilno delovanje sistemov UHV DC prenosa. S temeljitim analiziranjem mehanizma blokade pretvornih ventilov in delovnega stanja preklopnikov neutralne nosilnice v takšnih pogojih so bili jasno identificirani skupni tipi poškodb in njihovi vzroki, podprti z podrobnimi primeri študij. Za učinkovito preprečevanje in reševanje teh poškodb bi morale biti implementirane preventivne mere v izbiri in oblikovanju opreme, operativnem nadzoru in vzdrževanju ter izboljšanju okolja. Hkrati bi morale biti sprejete strategije za odziv na poškodbe, vključno z hitrimi diagnostičnimi tehnologijami, standardiziranimi postopki popravil in nujnimi rezervnimi sistemi, da se dodatno izboljša zanesljivost delovanja sistemov UHV DC prenosa.