Аналіз несправностей вимикача нейтральної шини під час блокування вентилів ультрависокого напруги

1.Принцип блокування високонапіжних конверторних клапанів
1.1 Принцип роботи конверторних клапанів
Високонапіжні (UHV) конверторні клапани зазвичай використовують тирісторні клапани або ізольовані біполярні транзистори (IGBT) для перетворення чергового струму (AC) на постійний струм (DC) і навпаки. Наприклад, тирісторний клапан складається з багатьох тирісторів, підключених послідовно та паралельно. Керуючи запуском (ввімкненням) та вимкненням тирісторів, клапан регулює та перетворює електричний струм. Під час нормальної роботи конверторний клапан перетворює AC на DC або DC на AC відповідно до передвизначеного порядку запалювання та часових параметрів [1].

1.2 Причини та процес блокування конверторного клапана
Блокування конверторного клапана може бути спричинене різними факторами, включаючи перевищення напруги, перевищення струму, аварії внутрішніх компонентів та аномалії в системі керування та захисту. Коли такі аномалії виявлені, система керування та захисту швидко виділяє команду на блокування, припиняючи запуск всіх тирісторів або IGBT-клапанів, що призводить до блокування конверторного клапана.

Під час процесу блокування відбуваються значні зміни електричних параметрів системи. Наприклад, на сторонах прямого струму, після блокування конверторного клапана, струм на стороні чергового струму швидко зменшується. Однак, через індуктивність лінії, струм на стороні постійного струму не відразу падає до нуля, а продовжує течи через шляхи, такі як нейтральна шина, формуючи свободний струм. У цей момент, цепівник нейтральної шини повинен оперативно працювати, щоб перервати струм постійного струму та захистити обладнання системи від пошкоджень, спричинених надмірним струмом [2].

2.Умови роботи цепівника нейтральної шини під час блокування конверторного клапана
2.1 Зміни електричних параметрів
Коли конверторний клапан заблокований, напруга та струм через цепівник нейтральної шини піддаються драматичним змінам. На стороні постійного струму, оскільки заблокований конверторний клапан заважає нормальному потоці струму, відбувається перевищення струму на нейтральній шині та пов'язаному обладнанні. Водночас, через електромагнітні транзитні процеси в системі, може виникнути перевищення напруги через цепівник нейтральної шини.

Наприклад, у певному проекті передачі UHV DC, після блокування конверторного клапана, струм на нейтральній шині миттєво зростає до 2–3 разів від номінального струму, а напруга через цепівник нейтральної шини демонструє значні коливання, досягаючи 1,5 разів від нормального робочого напруги. Таблиця 1 візуально ілюструє зміни електричних параметрів під час блокування конверторного клапана.

Таблиця 1: Зміни електричних параметрів під час блокування конверторного клапана у певному проекті передачі UHV DC

2.2 Варіації навантаження
При блокуванні конверторного клапана вимикач нейтральної шини має витримувати не тільки електричне, але й механічне навантаження. Електричне навантаження в основному виникає через перенапругу та надмірний струм, які підвищують електричну ерозію контактів вимикача та скорочують їх термін служби. Механічне навантаження в основному виникає через ударні сили, генеровані приводом під час швидкого відкривання та закривання, а також через електромагнітні сили, спричинені швидкими змінами струму. Наприклад, при частих подіях блокування конверторного клапана компоненти приводу вимикача нейтральної шини можуть ослабнути або зношуватися, що негативно впливає на його нормальну роботу [3].

3. Типові вади та аналіз причин вимикачів нейтральної шини під час блокування конверторного клапана
3.1 Завади ізоляції
3.1.1 Виявлення вад
Завади ізоляції є одним із більш поширених типів вад вимикачів нейтральної шини під час блокування конверторного клапана. Вони в основному проявляються у старінні або пошкодженні внутрішніх ізоляційних матеріалів, що призводить до погіршення ізоляційних характеристик та викликає пробій. Наприклад, в деяких проектах передачі сверхвисокого напруги (СВН) прямого струму, на поверхні ізоляційних фарфорових оболонок в середині вимикача нейтральної шини появилися забруднення та тріщини, що значно погіршило ізоляційні характеристики.

3.1.2 Аналіз причин
Причини завад ізоляції включають кілька аспектів. По-перше, довге функціонування при високому напрузі та великому струмі поступово старить ізоляційні матеріали, зменшуючи їхню ізоляційну здатність з часом. По-друге, перенапруга та надмірний струм, що виникають під час блокування конверторного клапана, призводять до суттєвого навантаження на ізоляційні матеріали, підвищуючи темпи старіння. Крім того, складні умови експлуатації, такі як висока вологість та сильне забруднення, призводять до накопичення забруднюючих речовин на поверхні ізоляції, що додатково погіршує її характеристики. Наприклад, в прибережному проекті передачі СВН при високій вологісті та повітря, насиченому солями, на поверхні фарфорових ізоляторів вимикача нейтральної шини легко утворюється провідна плівка, значно знижуючи ізоляційну міцність та викликаючи часті пробої.

3.2 Завади привода
3.2.1 Виявлення вад
Завади привода в основному проявляються у ненормальному часі відкривання/закривання або невідкриванні/незакриванні (відмова від роботи). Наприклад, під час блокування конверторного клапана вимикач нейтральної шини може показувати занадто довгий час відкривання, не зможе своєчасно перервати струм СВН, або може не закритися правильно, що призведе до поганого контакту.

3.2.2 Аналіз причин
Причини завад привода є складними. З одного боку, механічні деталі поступово витираються через часті операції, що призводить до зношення або деформації, що погіршує їхню продуктивність. Наприклад, пружини в приводі можуть втратити пружність через втому, що призводить до недостатньої сили відкривання/закривання. З іншого боку, завади в керуючій схемі, такі як відмова реле або перерваний керуючий кабель, можуть запобігти приводу отриманню або виконанню команд. Більше того, електромагнітна інтерференція під час блокування конверторного клапана може завадити керуючим сигналам, призводячи до помилок або відмови від роботи. Наприклад, в одному проекті передачі СВН, керуючі кабелі, прокладені поруч з високострумовими шинами, виявили сильну магнітну інтерференцію під час блокування клапана, що призвело до відмови вимикача відкриватися.

3.3 Завади контактів
3.3.1 Виявлення вад
Завади контактів в основному включають ерозію контактів, збільшення опору контактів та зварювання контактів. Під час блокування конверторного клапана, коли вимикач нейтральної шини перериває великий струм, утворюються високотемпературні дуги, що призводять до ерозії поверхні контактів. Довге зношення призводить до нерівномірної поверхні контактів та більшого опору, що погіршує нормальне функціонування. У складних випадках контакти можуть зваритися, що запобігає відкриванню вимикача.

3.3.2 Аналіз причин
Основною причиною завад контактів є великий струм та високотемпературна дуга, що утворюється під час блокування конверторного клапана. Великий струм викликає нагрівання за рахунок ефекту Джоуля, підвищуючи температуру контактів, а інтенсивне тепло дуги підвищує ерозію. Крім того, властивості матеріалу контактів та якість виробництва впливають на стійкість до дуг. Контакти, виготовлені з матеріалів, що мають слабку стійкість до високих температур або дуг, або виготовлені з низької якості, більш схильні до ерозії. Наприклад, в проекті СВН, вимикач нейтральної шини використовував контакти з недостатньою стійкістю до дуг; після кількох подій блокування сталася серйозна ерозія, що значно збільшила опір контактів та призвела до порушення нормального функціонування.

3.4 Завади трансформатора струму
3.4.1 Виявлення вад
Завади трансформатора струму в основному включають відкриття вторинної сторони, пошкодження ізоляції обмоток та насичення сердечника. Під час блокування конверторного клапана стрімка зміна струму СВН створює значне навантаження на трансформатор струму, що робить його схильним до завад. Наприклад, відкрите вторинне коло може утворювати небезпечні високі напруги, що загрожують обладнанню та особам; пошкодження ізоляції обмоток може призводити до внутрішніх коротких замикань, погіршуючи точність вимірювання; а насичення сердечника збільшує похибки вимірювання, що може викликати неправильні дії захисту.

3.4.2 Аналіз причин
Причини завад трансформатора струму включають наступне: По-перше, надмірний струм під час блокування конверторного клапана призводить до високої теплової та електромагнітної навантаженості обмоток, що може пошкодити ізоляцію. По-друге, ізоляційні характеристики природно погіршуються з часом, що робить трансформатори більш вразливими до завад у ненормальних умовах, таких як блокування клапана. Крім того, неправильний дизайн або вибір, такий як некоректний номінальний струм або клас точності, може призводити до насичення сердечника під час подій блокування. Наприклад, в одному проекті СВН, номінальний струм трансформатора струму був занадто низьким; під час блокування клапана сердечник швидко насичувався, не зміг точно виміряти струм, що призвело до помилкової роботи реле захисту.

Для кращого розуміння пропорції кожного типу вад серед відмов комутаторів нейтральної шини під час блокування конверторних клапанів, у цій статті було проведено статистичний аналіз даних про вади з багатьох проектів ВЕС ДПЕ, результати якого наведені в таблиці 2.

Таблиця 2: Пропорція типів вад комутаторів нейтральної шини під час блокування конверторних клапанів ВЕС

4. Запобігання пошкодженням та заходи щодо усунення несправностей вимикачів нейтрального шинопроводу під час блокування вентилів УВН
4.1 Заходи щодо запобігання пошкодженням
4.1.1 Оптимізація вибору обладнання та проектування
На етапі будівництва проектів передачі постійного струму ультрависокої напруги (УВН) слід повністю враховувати вплив аномальних умов, таких як блокування вентиля випрямляча, на вимикачі нейтрального шинопроводу, і відповідно оптимізувати вибір та проектування обладнання. Слід вибирати ключові компоненти — такі як вимикачі з високою діелектричною міцністю, контактами з високою стійкістю до електричної дуги, надійними механізмами керування та струмовими трансформаторами з відповідним номінальним струмом. Наприклад, ізоляційні фарфорові втулки, виготовлені з передових ізоляційних матеріалів та технологій, можуть підвищити надійність ізоляції; матеріали контактів із високою стійкістю до дуги продовжують термін служби контактів; добре спроектований механізм керування забезпечує точне та надійне вмикання/вимикання за різних режимів роботи.

4.1.2 Посилення контролю та технічного обслуговування обладнання
Слід створити комплексну систему моніторингу обладнання для безперервного контролю експлуатаційних параметрів вимикача нейтрального шинопроводу, включаючи електричні параметри, температуру, тиск, вібрацію та інші показники стану. Шляхом аналізу даних можна рано виявити потенційні ризики виникнення несправностей. Наприклад, інфрачервона термографія може використовуватися для контролю температури контактів та точок з’єднання; аномальне підвищення температури викликає своєчасне обстеження та коригувальні заходи. Онлайн-моніторинг опору ізоляції та часткових розрядів допомагає оцінити стан ізоляції. Крім того, слід посилити планове технічне обслуговування — очищення, змащування та підтягування — щоб забезпечити оптимальний стан обладнання.

4.1.3 Покращення якості умов експлуатації
Слід покращити умови експлуатації вимикача нейтрального шинопроводу, щоб зменшити негативний вплив навколишнього середовища. Наприклад, у підстанціях можна встановити системи очищення повітря, щоб зменшити забруднення та наявність корозійних газів; ефективні заходи контролю вологості — такі як осушувачі — допоможуть підтримувати сухий стан навколо обладнання. У прибережних районах або зонах з сильним промисловим забрудненням можна застосовувати спеціальні захисні покриття — наприклад, антикорозійні покриття — щоб підвищити стійкість обладнання до впливу навколишнього середовища.

4.2 Заходи щодо усунення несправностей
4.2.1 Використання технологій швидкої діагностики несправностей
Під час виявлення несправності у вимикачі нейтрального шинопроводу слід застосовувати технології швидкої діагностики для точного визначення типу несправності та її первинної причини. Інтелектуальні діагностичні системи, поєднані з даними про реальний час роботи та характеристиками несправностей, дозволяють швидко локалізувати несправність шляхом аналізу даних та розрахунків на основі моделей. Наприклад, моніторинг у реальному часі та аналіз параметрів струму та напруги допомагають визначити, чи сталася несправність ізоляції, пошкодження контактів або несправність струмового трансформатора; аналіз вібрації може виявити механічні проблеми в механізмі керування.

4.2.2 Розроблення раціональних процедур усунення несправностей
Слід розробити детальні та раціональні процедури усунення несправностей, щоб забезпечити швидку та ефективну реакцію на виникнення відмов. Ці процедури мають включати повідомлення про несправність, перевірку на місці, діагностику несправності, планування ремонту, виконання ремонтних робіт, тестування обладнання та підтвердження приймання. На всіх етапах процесу необхідно суворо дотримуватися протоколів безпеки, щоб захистити персонал та обладнання. Наприклад, під час усунення несправностей ізоляції спочатку слід відключити живлення та розрядити накопичену енергію перед перевіркою та ремонтом; після заміни компонентів необхідно провести ретельне тестування та перевірку приймання, щоб підтвердити, що продуктивність відповідає встановленим стандартам.

4.2.3 Аварійне резервне обладнання та плани аварійних заходів
Щоб мінімізувати вплив відмов вимикачів нейтрального шинопроводу на роботу системи, слід мати аварійне резервне обладнання та розробити комплексні плани аварійних заходів. У разі виникнення серйозної несправності, яку неможливо оперативно усунути, резервне обладнання може бути швидко введено в експлуатацію для відновлення нормальної роботи системи. Необхідно регулярно обслуговувати та тестувати резервне обладнання, щоб забезпечити його готовність до роботи. План аварійних заходів має передбачати процедури аварійної реакції, обов’язки персоналу, комунікаційні протоколи та інші ключові елементи, щоб забезпечити організований та ефективний аварійний відгук.

5. Висновок
Під час блокування вентилів УВН вимикачі нейтрального шинопроводу піддаються різним ризикам пошкоджень — таким як пробій ізоляції, несправність механізму керування, пошкодження контактів та несправності струмових трансформаторів, — кожна з яких може значно порушити безпечну та стабільну роботу систем передачі постійного струму УВН. Шляхом глибокого аналізу механізму блокування вентилів та робочого стану вимикачів нейтрального шинопроводу за таких умов були чітко визначені найпоширеніші типи несправностей та їхні причини, підтверджені детальними практичними прикладами. Щоб ефективно запобігти та усувати ці несправності, слід реалізовувати профілактичні заходи щодо вибору обладнання та проектування, моніторингу роботи та технічного обслуговування, а також покращення умов експлуатації. Одночасно слід застосовувати стратегії усунення несправностей — зокрема, технології швидкої діагностики, стандартизовані процедури ремонту та системи аварійного резервування, — щоб подальше підвищити надійність роботи систем передачі постійного струму УВН.