الفتحات العالية الجهد والميكانيزمات التشغيلية للعطل

المحولات ذات الفصل عالي الجهد (HVDs) هي أجهزة تبديل حاسمة في الشبكات الكهربائية، وتستخدم بشكل أساسي لعزل مصادر الطاقة بالاشتراك مع المطفئات. مع اقتراح "الشبكات الرقمية"، والتطورات المستمرة في تكنولوجيا المحولات ذات الفصل عالي الجهد، وتوسع شبكة الكهرباء في الصين، شهدت تطبيقات HVD زيادة كبيرة في كميتها وتنوعها. ويعتبر الآلية الكهربائية التشغيلية، وهي مكون رئيسي يتحكم في حركات التبديل لـ HVD، بحاجة إلى موثوقية واستقرار استثنائيين.

تشكل HVDs نسبة عالية من معدلات الأعطال بين المعدات ذات الجهد العالي، مع كون الآليات التشغيلية السبب الرئيسي للأعطال. تتضمن الأعطال الشائعة للآليات التشغيلية رفض التبديل، والفشل التشغيلي، وعدم فتح/غلق كامل. يمكن أن يؤدي هروب الآلية التشغيلية - حيث يستمر المحرك في العمل - إلى انقطاعات كهربائية كبيرة في معدات الشبكة. من بين هذه الأعطال، فإن الفشل في فتح/غلق (بما في ذلك رفض التبديل، والعمل غير الكامل، ودقة التبديل المنخفضة) يؤثر بشكل كبير على استقرار الشبكة.

تشير الدراسات إلى أن الأعطال الناجمة عن الآليات الكهربائية التشغيلية لـ HVD تأتي بشكل أساسي من مشاكل في الدائرة الثانوية، مثل الفشل في التحكم بسبب مكونات كهربائية رديئة الجودة أو اتصالات فضفاضة في الدائرة الثانوية. بالنسبة للآليات الكهربائية التشغيلية CJx المستخدمة على نطاق واسع، يتم حماية المحركات الداخلية بواسطة مطفئات دوائر الحرارة والمغناطيسية وأجهزة حماية المحرك الإلكترونية. عند تعرضها للفضاء الخارجي لفترات طويلة، تحتفظ هذه الآليات بمواقف تشغيلية لمدة 3-6 سنوات بعد التشغيل الأولي، ولكن مكوناتها الكهربائية التحكمية هشة وعرضة بشدة للتأثيرات البيئية.

يمكن أن يؤدي التشغيل لفترات طويلة إلى تخفيف المقاييس والمسامير، مما يؤدي إلى عدم اكتمال التبديل إذا لم يتم اكتشافه (مثل الانحراف الموضعي بـ 5 درجات في الشكل 1 الذي يشكل مخاطر على الشبكة). تعاني مقاييس المسافة، التي تعتبر حاسمة لانتقالات عملية التبديل، من تأكسد نقاط الاتصال وتقلص العمر الافتراضي بسبب التأثيرات البيئية.

ملخص وحالة البحث حول أعطال محولات الفصل عالي الجهد

باختصار، يمكن تصنيف الأسباب الرئيسية لأعطال فتح/غلق محولات الفصل عالي الجهد (HVD) إلى نوعين: أعطال في دوائر التحكم الكهربائية وأعطال في النظام الميكانيكي. يركز هذا البحث على دائرة التحكم الكهربائية، والتي تشمل بشكل أساسي أعطال دوائر المحرك وأعطال مقاييس المسافة وأعطال الدائرة الثانوية. تشير التحليلات إلى أن معدلات الأعطال العالية في التبديل تنسب بشكل رئيسي إلى أعطال المحرك والدائرة الثانوية، مما يؤثر بشكل كبير على تشغيل HVD. وبالتالي، فإن حل مشكلة الأمان والموثوقية للآليات التشغيلية لـ HVD أمر ملح.

1. حالة البحث حول محولات الفصل عالي الجهد

قام الباحثون والمهندسين ذوي الصلة بدراسات واسعة حول هذه القضايا واقترحوا حلولًا بناءة، ملخصة في جوانب رئيسية:

1.1 حالة البحث حول أعطال الدائرة الثانوية

تناولت العديد من الدراسات مشاكل المكونات الكهربائية في الدائرة الثانوية. سوء الختم لصندوق الآلية التشغيلية يسمح بدخول مياه الأمطار، مما يؤدي إلى تآكل المكونات وإخفاق المفاتيح المساعدة والمفاتيح المتصلة والأعطال الميكانيكية - مما يؤدي إلى رفض التبديل أو العمل غير الكامل. تشمل الحلول المقترحة الصيانة المنتظمة وحماية الرطوبة ومخططات تدفق الأخطاء لحل المشكلات بسرعة.

بالنسبة للتآكل الميكانيكي مثل تشوه الدبابيس وتخفيف مسامير الحدود أو تآكل البراغي بسبب قوة المحرك، يُقترح إجراء عمليات تفتيش متكررة وإزالة العيوب في الوقت المناسب. يُقترح استخدام مواد مضادة للأكسدة لوصلات الأسلاك المتأكلة، بينما تساعد طرق اختبار الجهد/المقاومة في تشخيص أعطال الدائرة الثانوية - مع تعزيز تسجيل العيوب لتحسين كفاءة حل المشكلات. تم اقتراح أجهزة التسخين لمعالجة مشاكل الرطوبة مثل خلل المفتاح المساعد وضعف الاتصال في الآليات التشغيلية الكهربائية.

ومع ذلك، فإن الدراسات الحالية تقتصر فقط على تعداد نقاط الأخطاء وتؤكد على الصيانة دون تقديم حلول أساسية، مما يعكس اهتماماً قليلًا بالدوائر الثانوية. غالباً ما يقلل الموظفون الفنيون من أهمية المكونات الكهربائية مقارنة بالمكونات الميكانيكية، ونقص المعرفة ببنى ومبادئ المكونات الثانوية - بالإضافة إلى الإهمال في عمليات التفتيش المنتظمة - هي أسباب غير مباشرة للأعطال.

1.2 حالة البحث حول مشاكل دقة التبديل

لحل مشاكل دقة التبديل والتثاقل الميكانيكي، قام العلماء بتحسين التحكم في المحرك عبر تصميم آليات تشغيلية مستندة إلى محركات التيار المباشر بدون فرشاة (BLDC) ومحركات التزامن الدائم (PMSM). أظهرت آليات HVD المستندة إلى BLDC مع نواة DSP واستراتيجية التحكم في الحلقة المغلقة المزدوجة تنظيم فعال لسرعة التبديل. تضمن الطرق المماثلة لمراقبة السرعة في الوقت الحقيقي تشغيلًا سلسًا وتحسينًا في دقة الإغلاق، مما يضع الأساس لتطوير الشبكات الذكية. ومن الجدير بالذكر أن هذه التصاميم لا تزال في مرحلة البحث النظرية والمحاكاة المخبرية، ولم يتم إثبات موثوقيتها في التطبيقات العملية.

2. تصميم نظام الآلية الكهربائية التشغيلية الموزعة

بناءً على التحليل السابق، يعتبر السبب الرئيسي للأعطال في الآليات التشغيلية هو ضعف موثوقية دائرة التحكم الكهربائية، والتي تكون عرضة بشدة للتأثيرات البيئية. يمكن أن يؤدي تأخير الصيانة أو مشاكل أخرى إلى تلف المكونات الكهربائية، مما يؤدي إلى أخطاء في التبديل. ردًا على ذلك، يقدم هذا البحث تصميمًا موزعًا للآليات الكهربائية التشغيلية.

2.1 مفهوم التحكم الموزع للآليات الكهربائية التشغيلية

يقسم التحكم الموزع النظام بأكمله إلى أجزاء منفصلة، كل منها يتم التحكم فيه بشكل مستقل بواسطة وحدة تحكم رئيسية. يقوم هذا التصميم بتقسيم الوحدة الكهربائية للتحكم عن وحدة قيادة المحرك:

• تتكون الوحدة الكهربائية للتحكم من مكونات إلكترونية مع عدد كبير من نقاط الاتصال السلكية، وهي عرضة للتأثيرات البيئية. ولذلك، يتم وضعها في محطة فرعية ذات درجة حرارة ثابتة داخل الغرفة.

• وحدة قيادة المحرك، التي تكون أكثر مقاومة للتغيرات البيئية، يتم وضعها بالقرب من محول الفصل عالي الجهد.

نظرًا للتغيرات البيئية الخارجية وقدرة الكابلات على التأثر بها، تم تبني استراتيجية تقاسم الكابلات على أساس الزمن بناءً على مبدأ الاستخدام المتعدد في TRIZ. بما أن دوائر التحكم في المحرك ودوائر مؤشر حالة التبديل لا تحتاج إلى التفعيل في نفس الوقت، فإن هذا النهج يمكّن من نقل الإشارات لكل من التحكم في المحرك ومؤشر موقع محول الفصل باستخدام خمسة كابلات فقط. هذا يقلل بشكل كبير من التأثيرات البيئية الخارجية على الآلية الكهربائية التشغيلية. يتم توضيح مفهوم التحكم الكلي للآلية الكهربائية التشغيلية الموزعة في الشكل 2.

2.2 تصميم الوحدات الموزعة للتحكم

تم تصميم الآليات الكهربائية التشغيلية CJx المعروفة على نطاق واسع مع مكونات كهربائية وميكانيكية متكاملة، تعمل في الهواء الطلق بشكل ثابت منذ بدء التشغيل. يعد هذا التكامل عاملاً رئيسيًا في معدل الأعطال المرتفع. يقوم التصميم المعياري بتفكيك هذا التكوين الخارجي المتكامل عبر تقسيم الآلية إلى وحدتين منفصلتين: الوحدة الكهربائية للتحكم والوحدة الميكانيكية للقيادة.

يوفر التصميم المعياري مزايا واضحة: فهو يسمح بوضع الوحدة الكهربائية للتحكم في بيئة ذات درجة حرارة مستقرة، مما يقلل بشكل كبير من التأثيرات البيئية على عمليات تبديل HVD؛ ويقلل من التوصيلات بين الوحدات، مما يسمح باستبدال الوحدات المعيبة بسرعة - مع التركيز على "الاستبدال أولاً، ثم الإصلاح" لتعزيز كفاءة الصيانة وتقليل وقت انقطاع الشبكة.

2.2.1 الوحدة الكهربائية للتحكم

تتكون الوحدة الكهربائية للتحكم من وحدة تحكم رئيسية، ومفتاح تحويل لفتح/إغلاق، ومفاتيح توصيل، ودوائر مؤشر الموقع، ووحدة حماية فقدان الطور، كما هو موضح في مفهوم التصميم في الشكل 3.

تعمل المنطقية التحكمية كالتالي: يتم إرسال إشارة التبديل (فتح/إغلاق) من الزر إلى الوحدة المتحكم بها، والتي تقوم بتنظيم تشغيل المحرك بناءً على الأمر. عندما يكون HVD في حالة الفتح، يتم تنشيط دائرة الموضع المفتوح، مما يضيء المؤشر. الضغط على زر الإغلاق يثير الوحدة المتحكم بها لتوصيل المفتاح الرئيسي للمحرك ومفتاح تحويل دارة الإغلاق، مما يدفع HVD لإغلاق. عند الانتهاء، يتم قطع تيار المفتاح الرئيسي للمحرك، مما ينشط دائرة الموضع المغلق والمُؤشر. تقوم وحدة حماية فقدان الطور بحماية دارة المحرك بوظيفة توقيت، حيث تقوم بقطع الدارة الرئيسية ضمن فترة زمنية محددة في حالة حدوث أعطال.

2.2.2 وحدة قيادة المحرك

تتكون وحدة قيادة المحرك بشكل أساسي من محرك كهربائي تيار متردد، وناقص سرعة، وربط احتكاك، ومفتاح مساعد سيمنز، ودارة قطع القوس بالثريستور، وحدود التوقف، وустройство القفل الميكانيكي. عندما ترسل الوحدة المتحكم بها الرئيسية أمر فتح/إغلاق، يتم تنشيط دارة التحكم في المحرك، مما يحرك الناقص السرعة والمحور الرئيسي عبر المحرك لعمليات التبديل. تعمل حدود التوقف في أعلى المحور الرئيسي، بالاشتراك مع الجهاز القفل الميكانيكي، على التحكم بدقة مكان التبديل. في الوقت نفسه، يعمل مفتاح سيمنز المساعد مع دارة قطع القوس بالثريستور على قطع دارة التحكم في المحرك، مما يتوقف عن تشغيل المحرك. يتم توفير هامش دوران بـ 90 درجة في الاتصال بين الناقص السرعة والمحور الرئيسي لبدء المحرك بدون تحميل. يظهر مظهر وحدة قيادة المحرك في الشكل 4.

2.3 حل لدقة إغلاق محول الفصل

تعتبر عملية الإغلاق خطوة مهمة لمحولات الفصل عالي الجهد. يمكن أن يؤثر عدم دقة الإغلاق على التشغيل المستقر لنظام الطاقة بأكمله. لتعزيز دقة فتح وإغلاق الآلية الكهربائية التشغيلية بشكل أكبر، يستخدم هذا التصميم جهاز قفل ميكانيكي، بالاشتراك مع مفتاح سيمنز المساعد وربط احتكاك، لتحسين الدقة إلى حد ما.

2.3.1 مفتاح سيمنز المساعد ودارة قطع القوس بالثريستور

يتم توصيل المفتاح المساعد بالدارة الرئيسية للمحرك لتوفير التحكم في تشغيل وإيقاف الدارة. المفتاح المساعد ليس عرضة للصدأ بسبب التأثيرات البيئية الخارجية، وآلية الاحتكاك الداخلية在里面的内容似乎被截断了。请提供完整的内容，以便我能够继续翻译。