Analiza grešaka prekidnika neutralne šine tokom blokiranja ventilatorskih poluprovodnika ultra visokog napona

1.Princip ipinjenja prekidaca konvertera visokog napon
1.1 Radni princip konvertera
Konverteri visokog napon (UHV) obično koriste tiristorne ventile ili ventilirane dvopolne tranzistori s izolovanim kapijom (IGBT) za pretvaranje strujnog toka iz mernog u jednosmerni i obrnuto. Uzimajući tiristorni ventil kao primer, on se sastoji od više tiristora povezanih serijalno i paralelno. Kontrolovali upaljivanje (aktiviranje) i isključivanje tiristora, ventil reguliše i pretvara strujni tok. Tijekom normalnog rada, konverter pretvara AC u DC ili DC u AC prema preddefinisanoj sekvenca paljenja i vremenskom rasporedu [1].

1.2 Uzroci i proces blokiranja konvertera
Blokiranje konvertera može biti inicijalizovano različitim faktorima, uključujući previsoki napon, preveliki struja, greške unutarnjih komponenti, i anomalije u sistemu kontrole i zaštite. Kada se takve anomalije otkriju, sistem kontrole i zaštite brzo šalje naredbu za blokiranje, prestaje upaljivanje svih tiristora ili IGBT ventila, time blokirajući konverter.

Tijekom procesa blokiranja, značajne promene se događaju u električnim parametrima sistema. Na primjer, na strani rektifikatora, nakon što je konverter blokiran, struja na strani AC brzo opada. Međutim, zbog induktivnosti linije, struja na strani DC ne pada odmah na nulu, već nastavlja da teče kroz puteve poput neutralne busbarske linije, formirajući slobodnu struju. U tom trenutku, prekidač neutralne busbarske linije mora brzo da deluje kako bi prekinuo DC struju i zaštitio opremu sistema od oštećenja uzrokovanog prekomjernom strujom [2].

2.Radni uslovi prekidača neutralne busbarske linije tijekom blokiranja konvertera
2.1 Promene električnih parametara
Kada je konverter blokiran, napona i struja preko prekidača neutralne busbarske linije doživljavaju drastične promene. Na strani DC, budući da blokirani konverter sprečava normalan tok struje, dolazi do prekomjerne struje u neutralnoj busbarskoj liniji i povezanoj opremi. Istovremeno, zbog elektromagnetnih prelaznih procesa u sistemu, može doći do previsokog napona preko prekidača neutralne busbarske linije.

Na primjer, u određenom projektu prijenosa DC visokog napon, nakon blokiranja konvertera, struja neutralne busbarske linije trenutno porasla na 2–3 puta veću od nominalne struje, a napon preko prekidača neutralne busbarske linije pokazao je značajne fluktuacije, sa vrhom na 1,5 puta većem od normalnog radnog napona. Tabela 1 vizualno ilustruje promene električnih parametara tijekom blokiranja konvertera.

Tabela 1: Promene električnih parametara tijekom blokiranja konvertera u određenom projektu prijenosa DC visokog napon

2.2 Varijacije stresa
Kada je pretvarački ventil blokiran, prekidna kola neutralne busbarske mreže mora da izdrži ne samo električni, već i mehanički stres. Električni stres uglavnom nastaje zbog preopterećenja naponom i strujom, što intenzivira električnu eroziju kontakata prekidnika i skraćuje njihov vremenski život. Mekanički stres uglavnom nastaje kao posledica udarnih sila generisanih radnim mehanizmom tokom brzih operacija otvaranja i zatvaranja, kao i elektromagnetskih sila uzrokovanih brzim promenama struje. Na primer, u čestim događajima blokiranja pretvaračkog ventila, komponente radnog mehanizma prekidne kole neutralne busbarske mreže mogu postati osećljive ili istrošene, što negativno utiče na njihove normalne performanse otvaranja i zatvaranja [3].

3. Uobičajeni tipovi grešaka i analiza uzroka kod prekidne kole neutralne busbarske mreže tokom blokiranja pretvaračkog ventila
3.1 Neuspeh izolacije
3.1.1 Manifestacije grešaka
Neuspeh izolacije je jedan od uobičajenijih tipova grešaka za prekidne kole neutralne busbarske mreže tokom blokiranja pretvaračkog ventila. Osnovno se manifestuje starjenjem ili oštećenjem unutrašnjih izolacionih materijala, što dovodi do smanjenja performansi izolacije i rezultira probojima ili prelivanjem. Na primer, u nekim projektima prijenosa UHV DC koji su duže vrijeme u funkciji, pojavile su se površinska zagađenja i pukotine na izolacionim porcelanskim cevima unutar prekidne kole neutralne busbarske mreže, te su značajno smanjene performanse izolacije.

3.1.2 Analiza uzroka
Uzroci neuspjeha izolacije uključuju nekoliko aspekata. Prvo, dugotrajno funkcionisanje pod visokim naponom i velikim strujama postepeno starji izolacione materijale, smanjujući njihovu sposobnost izolacije tokom vremena. Drugo, preopterećenje naponom i strujom generisano tokom blokiranja pretvaračkog ventila stavlja ozbiljan stres na izolacione materijale, ubrzavajući proces starjenja. Takođe, surovi uslovi rada - poput visoke vlage i zagađenja - dovode do akumulacije kontaminanata na površinama izolacije, dalje smanjujući performanse izolacije. Na primer, u projektu prijenosa UHV DC na obali sa visokom vlažnošću i zasolenim vazduhom, lako se formira provodna folija na površini izolacionog porcelana prekidne kole neutralne busbarske mreže, značajno smanjujući jačinu izolacije i uzrokujući česte probojeve.

3.2 Neuspeh radnog mehanizma
3.2.1 Manifestacije grešaka
Neuspeh radnog mehanizma uglavnom se manifestuje anomalnim vremenima otvaranja/zatvaranja ili neuspjehom u otvaranju/zatvaranju (odbijanje rada). Na primer, tokom blokiranja pretvaračkog ventila, prekidna kola neutralne busbarske mreže može pokazati previše dugo trajanje otvaranja, ne uspevajući da pravo vreme prekine DC struju, ili može ne uspeti da se ispravno zatvori, rezultirajući lošim kontaktom.

3.2.2 Analiza uzroka
Uzroci neuspjeha radnog mehanizma su složeni. S jedne strane, mehaničke komponente se tokom vremena degenerišu zbog čestih operacija, trpeći trošenje ili deformaciju koje ometaju performanse. Na primjer, opruge u mehanizmu mogu izgubiti elastičnost zbog umora, dovodeći do nedostatka sile otvaranja/zatvaranja. S druge strane, greške u kontrolnoj mreži - poput neuspjeha releja ili prekida kontrolnih kabela - mogu spriječiti mehanizam da ispravno prima ili izvršava naredbe. Takođe, elektromagnetsko smetnje tokom blokiranja pretvaračkog ventila mogu perturbirati kontrolne signale, uzrokujući nepravilnosti ili odbijanje rada. Na primer, u određenom projektu prijenosa UHV DC, kontrolni kabeli smješteni blizu busbarskih mreža s velikim strujama iskusili su snažnu magnetsku smetnju tokom blokiranja ventila, što je dovelo do odbijanja prekidnika da se otvori.

3.3 Neuspeh kontakta
3.3.1 Manifestacije grešaka
Neuspeh kontakta uključuje eroziju kontakta, povećanje otpora kontakta i savarenje kontakta. Tokom blokiranja pretvaračkog ventila, kada prekidna kola neutralne busbarske mreže prekida velike struje, formiraju se visokotemperaturni lukovi, uzrokujući eroziju površine kontakta. Dugotrajna erozija dovodi do neravnomernih površina kontakta i većeg otpora, ometajući normalnu operaciju. U težim slučajevima, kontakti se mogu savariti, sprečavajući prekidnik da se otvori.

3.3.2 Analiza uzroka
Osnovni uzrok neuspjeha kontakta je velika struja i visokotemperaturni luk generisani tokom blokiranja pretvaračkog ventila. Protok velike struje proizvodi Jouleovo zagrijavanje, povećavajući temperaturu kontakta, dok intenzivna temperatura luka ubrzava eroziju. Takođe, svojstva materijala kontakta i kvalitet proizvodnje utiču na otpornost na lukove. Kontakti izrađeni od materijala s lošom otpornosti na visoku temperaturu ili lukove, ili oni proizvedeni substandardnim procesima, više su osetljivi na eroziju. Na primer, u projektu UHV DC, prekidna kola neutralne busbarske mreže koristila su kontakte s nedovoljnom otpornosti na lukove; nakon mnogo blokirnih događaja, došlo je do ozbiljne erozije, značajno povećavajući otpor kontakta i ometajući normalnu operaciju.

Da bi se bolje shvatio odnos svakog tipa greške među kvarovima neutralne autobusne prekidače tokom blokiranja pretvaračkih ventila, ovaj rad je izveo statističku analizu podataka o greškama iz više projekata UHV DC prijenosa, sa rezultatima prikazanim u Tabeli 2.

Tabela 2: Proporcija tipova grešaka neutralnog autobusnog prekidača tokom blokiranja pretvaračkih ventila UHV

4.Mere preventivne i obradne mere za prekidnike neutralne šine tokom blokiranja pretvaračkih ventila visokog napon
4.1 Mere prevencije grešaka
4.1.1 Optimizacija odabira i dizajna opreme
Tokom faze izgradnje projekata prenosnog sistema UHV DC, trebalo bi u potpunosti uzeti u obzir uticaj anomalnih stanja, poput blokiranja pretvaračkih ventila, na prekidnike neutralne šine, i optimizovati odabir i dizajn opreme. Treba odabrati ključne komponente, kao što su prekidnici sa visokim stepenom izolacije, kontakti sa izvrsnom otpornością na luk, pouzdani mehanički mehanizmi i prikladno ocijenjeni transformatori struje. Na primjer, izolacioni porcelanski čevi iz naprednih materijala i proizvodnog procesa mogu povećati pouzdanost izolacije; materijali kontakata sa snažnom otpornošću na luk proširuju vreme trajanja kontakata; a dobro dizajnirani mehanički mehanizam osigurava tačno i pouzdano otvaranje/zatvaranje pod različitim radnim uslovima.

4.1.2 Poboljšana nadzor i održavanje opreme
Trebalo bi uspostaviti kompletni sistem nadzora opreme kako bi se neprekidno praćile operativne parametre prekidnika neutralne šine, uključujući električne parametre, temperaturu, pritisak, vibraciju i druge indikatore stanja. Putem analize podataka moguće je rano identifikovati potencijalne rizike od grešaka. Na primjer, infracrvena termografska metoda može se koristiti za praćenje temperature kontakata i spojeva; anormalni porast temperature pokreće pravočasne inspekcije i korektivne akcije. Online nadzor otpornosti na izolaciju i parcijalne razrade pomaze proceni stanja izolacije. Takođe, redovno održavanje, uključujući čišćenje, smeđenje i zatezanje, treba jačati kako bi se osiguralo da oprema ostane u optimalnom radnom stanju.

4.1.3 Poboljšanje kvaliteta radnog okruženja
Radno okruženje prekidnika neutralne šine treba poboljšati kako bi se umanjio negativan uticaj okruženja. Na primjer, sustavi za čišćenje zraka mogu biti instalirani u podstancama kako bi se smanjili zračni kontaminanti i korozivni plinovi; efektivne mere kontrolisanja vlage, poput dehumidifikatora, mogu održavati suhe uslove oko opreme. U obalnim ili teško industrijski zagađenim regionima, specijalne zaštite, poput antikorozivnih prekrivača, mogu se primeniti kako bi se pojačala otpornost opreme na degradaciju okruženjem.

4.2 Mere obrade grešaka
4.2.1 Primena brzih tehnologija dijagnostike grešaka
Kada se detektuje greška u prekidniku neutralne šine, trebalo bi upotrijebiti brze tehnologije dijagnostike grešaka kako bi se precizno identifikovala vrsta i uzrok greške. Inteligentni dijagnostički sistemi, kombinirani sa realnim vremenom operativnih podataka i karakteristikama grešaka, omogućavaju brzu lokaciju grešaka putem analize podataka i modela baziranih na izračunavanjima. Na primjer, realno-vremensko praćenje i analiza parametara struje i napona mogu pomoći da se odredi da li je došlo do greške izolacije, oštećenja kontakta ili nepravilnosti transformatora struje; analiza vibracija može otkriti mehaničke probleme u mehaničkom mehanizmu.

4.2.2 Uspostavljanje racionalnih postupaka obrade grešaka
Trebalo bi razviti detaljne i racionalne postupke obrade grešaka kako bi se osigurala brza i efikasna reakcija kada dođe do propala. Ovi postupci trebalo bi da uključe izveštavanje o greškama, inspekciju na mestu, dijagnozu grešaka, planiranje popravki, implementaciju popravki, testiranje opreme i verifikaciju prihvatanja. Tokom cijelog procesa, strogo je potrebno pridržavati protokole sigurnosti kako bi se zaštitili ljudi i oprema. Na primjer, kada se obrađuju greške izolacije, najpre mora biti isključena struja i ispuštena skladištena energija pre inspekcije i popravke; nakon zamene komponenti, rigorozno testiranje i verifikacija prihvatanja moraju potvrditi da performanse ispunjavaju zahtevane standarde.

4.2.3 Nalazna rezervna oprema i planovi za hitne situacije
Za smanjenje uticaja propala prekidnika neutralne šine na rad sustava, trebalo bi imati nalaznu rezervnu opremu i formulirati kompleksne planove za hitne situacije. U slučaju teške greške koja se ne može brzo popraviti, rezervna oprema može se brzo aktivirati kako bi se vratilo normalno funkcionisanje sustava. Redovno održavanje i testiranje rezervne opreme su neophodni kako bi se osiguralo da oprema ostaje u dobroj staji. Plan za hitne situacije trebalo bi specificirati postupke za hitnu reakciju, odgovornosti osoblja, protokole komunikacije i druge ključne elemente kako bi se omogućilo redovno i efikasno rešavanje hitnih situacija.

5.Zaključak
Tokom blokiranja pretvaračkih ventila UHV, prekidnici neutralne šine suočeni su sa mnogostrukim rizicima grešaka, uključujući greške izolacije, nepravilnosti mehaničkog mehanizma, oštećenja kontakata i greške transformatora struje, sve to može značajno kompromitovati siguran i stabilan rad sistema UHV DC prenosa. Kompleksna analiza mehanizma blokiranja pretvaračkih ventila i stanja rada prekidnika neutralne šine u takvim uslovima jasno je identifikovala tipične vrste grešaka i njihove uzroke, podržane detaljnim studijama slučajeva. Za efikasnu prevenciju i obradu ovih grešaka, trebalo bi implementirati mере превенције у одабиру и дизајну опреме, надзору и одржавању током рада и побољшању окружења. У исто време, стратегије обраде грешака, укључујући брзе дијагностиčке технологије, стандардизоване поступке поправке и хитне резервне системе, требало би прихватити да се даље подигне оперативна повезаност система UHV DC преноса.