Felanalys av nollbussens kretsavbrottsautomat under spärrning av ultrahögspänningsomvandlare

1.Spärrprincip för omvandlareselement med överhögt spänning (UHV)
1.1 Funktionsprincip för omvandlareselement
Omvandlareselement med överhögt spänning (UHV) använder vanligtvis thyristorelement eller IGBT-element (isolergate bipolar transistor) för att konvertera växelström (AC) till likström (DC) och vice versa. Som exempel består thyristorelementet av flera thyristorer som är kopplade i serie och parallell. Genom att styra utlösningen (påslaget) och avslaget av thyristorer reglerar och konverterar elementet elektrisk ström. Under normal drift konverterar omvandlareselementet AC till DC eller DC till AC enligt en fördefinierad utlösningsserie och tidsinställning [1].

1.2 Orsaker och process för spärrning av omvandlareselement
Spärrning av omvandlareselement kan utlösas av olika faktorer, inklusive överspänning, överströmning, fel på interna komponenter och avvikelse i kontroll- och skyddssystemet. När sådana avvikelser upptäcks utfärdar kontroll- och skyddssystemet snabbt ett spärrningskommando, vilket stoppar utlösningen av alla thyristorer eller IGBT-element, vilket leder till att omvandlareselementet spärras.

Under spärrningsprocessen uppstår betydande förändringar i systemets elektriska parametrar. Till exempel, på rektifierings sidan, efter att omvandlareselementet har spärrats, sjunker växelströmsidans ström snabbt. På grund av linjeinduktans faller dock likströmsidans ström inte omedelbart till noll utan fortsätter istället att flöda genom vägar som neutralbusbar, vilket bildar en frihjulande ström. I detta ögonblick måste neutralbusbars brytaren agera snabbt för att avbryta likströmmen och skydda systemutrustningen från skada orsakad av för hög ström [2].

2.Driftförhållanden för neutralbusbars brytare under spärrning av omvandlareselement
2.1 Förändringar i elektriska parametrar
När omvandlareselementet spärras uppstår drastiska förändringar i spänning och ström över neutralbusbars brytaren. På likströmsidan, eftersom det spärrade omvandlareselementet hindrar normal strömförsörjning, uppstår överströmning i neutralbusbar och associerad utrustning. Samtidigt kan, på grund av elektromagnetiska transitoriska processer i systemet, överspänning uppstå över neutralbusbars brytaren.

Till exempel, i ett visst UHV DC-överföringsprojekt, efter spärrning av omvandlareselementet, steg neutralbusbarsströmmen omedelbart till 2–3 gånger den nominella strömmen, och spänningen över neutralbusbars brytaren visade betydande svängningar, med en topp på 1,5 gånger den normala driftspänningen. Tabell 1 visar grafiskt förändringarna i de elektriska parametrarna under spärrning av omvandlareselement.

Tabell 1: Förändringar i elektriska parametrar under spärrning av omvandlareselement i ett visst UHV DC-överföringsprojekt

2.2 Spänningsvariationer
När omvandlarklykan blockeras måste neutralbussens strömbrytare inte bara tåla elektrisk spänning utan också mekanisk spänning. Elektrisk spänning uppstår huvudsakligen på grund av överspänning och överströmning, vilket förstärker den elektriska erosionen av brytarkontakterna och förkortar deras livslängd. Mekanisk spänning orsakas främst av påverkningskrafter som genereras av driftmekanismen under snabba öppnings- och stängningsoperationer, samt elektromagnetiska krafter som orsakas av snabba strömändringar. Till exempel kan komponenter i driftmekanismen för neutralbussens strömbrytare bli lös eller slitna vid frekventa omvandlarklykeblockeringar, vilket negativt påverkar dess normala öppnings- och stängningsprestanda [3].

3.Vanliga feltyper och orsaksanalys för neutralbussens strömbrytare under UHV-omvandlarklykeblockering
3.1 Isolationsfel
3.1.1 Felmanifestationer
Isolationsfel är en av de vanligaste feletyperna för neutralbussens strömbrytare under omvandlarklykeblockering. Det uttrycker sig huvudsakligen genom åldrande eller skador på interna isolerande material, vilket leder till försämrade isolerande egenskaper och resulterar i gnistfläkt eller genombrott. Till exempel har ytkontamination och sprickor uppkommit på isolerande porcellskärl inuti neutralbussens strömbrytare i vissa långvarigt driftade UHV-DC-transmissionsprojekt, vilket allvarligt försämrar isolerande egenskaper.

3.1.2 Orsaksanalys
Orsakerna till isolationsfel inkluderar flera aspekter. För det första åldras isolerande material gradvis under långvarig drift vid hög spänning och stor ström, vilket minskar deras isolerande kapacitet med tiden. För det andra utsätts isolerande material för allvarlig spänning från överspänning och överströmning under omvandlarklykeblockering, vilket accelererar åldrandeprocessen. Dessutom orsakar hårda driftmiljöer—som hög fuktighet och tunga föroreningar—att isolerande ytor ackumulerar föroreningar, vilket ytterligare försämrar isolerande egenskaper. Till exempel bildas ett ledande film lätt på ytan av neutralbussens strömbrytares isolerande porcell i ett kustomgivet UHV-DC-transmissionsprojekt med hög fuktighet och saltinnehåll, vilket drastiskt minskar isolerande styrka och orsakar frekventa gnistfläktfel.

3.2 Driftmekanismfel
3.2.1 Felmanifestationer
Driftmekanismfel uttrycker sig huvudsakligen genom ovanliga öppnings-/stängningstider eller oförmåga att öppna/stänga (vägrar att fungera). Till exempel kan neutralbussens strömbrytare under omvandlarklykeblockering visa på för långa öppningstider, misslyckas med att avbryta DC-strömmen snabbt, eller misslyckas med att stänga korrekt, vilket resulterar i dålig kontakt.

3.2.2 Orsaksanalys
Orsakerna till driftmekanismfel är komplexa. Å ena sidan degenererar mekaniska komponenter med tiden på grund av frekventa operationer, vilket leder till slitage eller deformation som påverkar prestandan. Till exempel kan fjädern i mekanismen förlora elasticitet på grund av trötthet, vilket leder till otillräcklig öppnings-/stängningskraft. Å andra sidan kan fel i kontrollcircuitet—som reläfel eller trasiga kontrollkablar—förhindra mekanismen från att ta emot eller utföra kommandon korrekt. Dessutom kan elektromagnetisk interferens under omvandlarklykeblockering störa kontrollsignaler, vilket orsakar fel eller vägran att fungera. Till exempel upplevde kontrollkablar som placerades nära högströmsbussar stark magnetisk interferens under klykeblockering i ett visst UHV-DC-transmissionsprojekt, vilket ledde till att brytaren vägrade att öppnas.

3.3 Kontaktfel
3.3.1 Felmanifestationer
Kontaktfel inkluderar huvudsakligen kontaktrosning, ökad kontaktresistans och kontaktlödning. Under omvandlarklykeblockering, när neutralbussens strömbrytare avbryter stora strömmar, bildas högtemperaturbågar, vilket orsakar erosion av kontaktytan. Långvarig erosion leder till ojämn kontaktyta och högre resistans, vilket påverkar den normala driftfunktionen. I allvarliga fall kan kontakter lödas samman, vilket hindrar brytaren från att öppnas.

3.3.2 Orsaksanalys
Huvudorsaken till kontaktfel är den stora strömmen och den högtemperaturbågen som genereras under omvandlarklykeblockering. Stora strömmar ger Joule-värme, vilket höjer kontaktemperaturen, medan bågens intensiva värme accelererar erosion. Dessutom påverkar egenskaperna hos kontaktmaterial och tillverkningskvaliteten motståndet mot båg. Kontakter gjorda av material med dålig högtemperatur- eller bågmotstånd, eller de som produceras med undermässiga processer, är mer benägna till erosion. Till exempel användes kontakter med otillräckligt bågmotstånd i en UHV-DC-projekt, efter flera blockeringar inträffade allvarlig erosion, vilket drastiskt ökade kontaktresistansen och störde den normala driftfunktionen.

3.4 Strömföränderarfel
3.4.1 Felmanifestationer
Strömförändrarsfel inkluderar huvudsakligen sekundärkretsöppningar, virvelisoleringsskador och kärnsättning. Under omvandlarklykeblockering utsätts strömförändraren för betydande spänning på grund av plötsliga ändringar i DC-strömmen, vilket gör den sårbar för fel. Till exempel kan en öppnad sekundärkrets generera farligt höga spänningar, vilket hotar utrustning och personal; virvelisoleringsskador kan orsaka interna kortslut, vilket försämrar mätningens noggrannhet; och kärnsättning ökar mätfelet, vilket potentiellt kan utlösa felaktiga skyddshändelser.

3.4.2 Orsaksanalys
Orsakerna till strömförändrarsfel inkluderar följande: För det första utsätts virvel för hög termisk och elektromagnetisk spänning under överströmning under omvandlarklykeblockering, vilket kan skada isoleringen. För det andra degenererar isoleringsegenskaperna naturligt med tiden, vilket gör transformatorer mer sårbara för fel under ovanliga förhållanden som klykeblockering. Dessutom kan felaktig design eller val—som felaktigt nominell ström eller noggrannhetsklass—leda till kärnsättning under blockeringstillfällen. Till exempel var den nominella strömmen för strömförändraren för låg i ett UHV-DC-projekt; under klykeblockering sattes kärnan snabbt, vilket förhindrade korrekt strömuppmätning och ledde till att skyddreläer fungerade felaktigt.

För att bättre förstå andelen av varje feltyp bland nollledningsbussbrytarfel under omvandlarens spärrning genomförde denna studie en statistisk analys av feldata från flera UHV DC-överföringsprojekt, med resultat som visas i tabell 2.

Tabell 2: Andel av nollledningsbussbrytarfelstyper under UHV-omvandlarens spärrning

4.Felhanterings- och hanteringsåtgärder för neutral busbarbrytare under UHV-omvandlarkortslutning
4.1 Felpreventiva åtgärder
4.1.1 Optimering av utrustningsval och design
Under byggnadsfasen av UHV DC-överföringsprojekt bör påverkan av ovanliga tillstånd som omvandlarkortslutning på neutrala busbarbrytare fullständigt beaktas, och utrustningsvalet och designen bör optimeras därefter. Viktiga komponenter—som brytare med hög isolerande kapacitet, kontaktmaterial med utmärkt bågbeständighet, tillförlitliga drivsystem och lämpligt dimensionerade strömtransformatorer—ska väljas. Till exempel kan isolerande porcelankolvar tillverkade av avancerade isoleringsmaterial och tillverkningsprocesser förbättra isoleringens tillförlitlighet; kontaktmaterial med stark bågbeständighet förlänger kontaktens livslängd; och ett väl konstruerat drivsystem garanterar exakt och tillförlitlig öppning/stängning under olika driftsätt.

4.1.2 Förstärkt utrustningsövervakning och underhåll
Ett omfattande system för utrustningsövervakning bör etableras för att kontinuerligt övervaka driftsparametrar för den neutrala busbarbrytaren, inklusive elektriska parametrar, temperatur, tryck, vibration och andra statusindikatorer. Genom dataanalys kan potentiella felrisker identifieras i tid. Till exempel kan infraröd termografi användas för att övervaka temperaturer vid kontakter och anslutningspunkter; ovanliga temperaturökningar utlöser tidsmässiga inspektioner och korrektiva åtgärder. Onlinemonitoring av isoleringsmotstånd och partiell utsläppning hjälper till att bedöma isoleringstillstånd. Dessutom bör rutinunderhåll—inklusive rengöring, smörjning och åtdyrkning—förstärkas för att säkerställa att utrustningen hålls i optimalt driftstillstånd.

4.1.3 Förbättring av driftmiljöns kvalitet
Driftmiljön för den neutrala busbarbrytaren bör förbättras för att minska negativa miljöpåverkan. Till exempel kan luftrensningssystem installeras i stationer för att reducera flyktiga föroreningar och korrosiv gas; effektiva fuktstyrningsåtgärder—som avfuktare—kan bibehålla torra förhållanden runt utrustningen. I kustområden eller områden med tung industriell förorening kan särskilda skyddsbehandlingar—som korrosionsbeständiga beläggningar—tillämpas för att förbättra utrustningens resistens mot miljödegradering.

4.2 Felhanteringsåtgärder
4.2.1 Användning av snabba felidentifieringstekniker
När ett fel upptäcks i den neutrala busbarbrytaren bör snabba felidentifieringstekniker användas för att exakt identifiera felets typ och orsak. Intelligenta diagnostiksystem, kombinerade med realtidsdriftsdata och felkarakteristika, möjliggör snabb felplacering genom dataanalys och beräkningar baserade på modeller. Till exempel kan realtidsövervakning och analys av ström- och spänningsparametrar hjälpa till att fastställa om det har inträffat en isoleringsfel, kontaktbeskada eller strömtransformatorfel; vibrationsanalys kan avslöja mekaniska problem i drivsystemet.

4.2.2 Etablering av rationella felhanteringsprocedurer
Detaljerade och rationella felhanteringsprocedurer bör utvecklas för att säkerställa snabb och effektiv respons vid fel. Dessa procedurer bör inkludera felrapportering, platsinspektion, felidentifiering, reparationssplanering, genomförande av reparationer, utrustningstestning och godkännandeverifikation. Genom hela processen är strikt följande av säkerhetsprotokoll nödvändigt för att skydda personal och utrustning. Till exempel måste strömmen först kopplas ur och lagrad energi avleds innan inspektion och reparation vid isoleringsfel; efter komponenters byte måste noggranna tester och godkännandekontroller bekräfta att prestandan uppfyller de krävda standarderna.

4.2.3 Nödbakupputrustning och nödsituationer
För att minimera inverkan av fel i neutrala busbarbrytare på systemdriften bör nödbakupputrustning vara tillgänglig, och omfattande nödsituationer bör formuleras. Vid allvarliga fel som inte kan repareras snabbt kan nödbakupputrustning snabbt distribueras för att återställa normal systemdrift. Reguljärt underhåll och testning av nödbakupputrustning är nödvändigt för att säkerställa att den är i bra beredskapstillstånd. Nödsituationen bör specificera nödsvarsningsprocedurer, personansvarsområden, kommunikationsprotokoll och andra viktiga element för att möjliggöra ordnad och effektiv nödsvarsning.

5.Slutord
Under UHV-omvandlarkortslutning står neutrala busbarbrytare inför flera felfaror—inklusive isoleringsfel, drivsystemsfel, kontaktbeskada och strömtransformatorfel—allt vilket kan betydligt kompromissa säker och stabil drift av UHV DC-överföringssystem. Genom grundlig analys av kortslutningsmekanismen hos omvandlare och driftstillståndet för neutrala busbarbrytare under sådana förhållanden har vanliga felsorter och deras orsaker tydligt identifierats, stödda av detaljerade fallstudier. För att effektivt förhindra och hantera dessa fel bör preventiva åtgärder implementeras i utrustningsval och design, driftövervakning och underhåll, samt miljöförbättring. Samtidigt bör felhanteringsstrategier—inklusive snabba diagnostiktekniker, standardiserade reparationssprocedurer och nödbakuppsystem—antagas för att ytterligare förbättra driftsäkerheten i UHV DC-överföringssystem.