Високонапрегови изолаторни ключове и неизправности на оперативните механизми
Високонапреговите разключващи ключове (HVD) са важни превключвателни устройства в електрическата мрежа, основно използвани за изолиране на източници на енергия в комбинация с предпазни автомати. С предложението за "цифрови мрежи", непрекъснатото развитие на технологията за високонапрегови превключватели и разширяването на китайската електрическа мрежа, приложенията на HVD са нараснали както по количество, така и по разнообразие. Електрическият механизъм за управление, който е важен компонент, контролиращ движението на HVD, изисква изключителна надеждност и стабилност.
HVD-тата представляват висок процент от дефектите сред високонапреговото оборудване, като механизми за управление са основната причина за дефекти. Общи дефекти на операционния механизм включват отказ на превключването, оперативен отказ и неизцяло отваряне/затваряне. Бездействие на операционния механизъм – когато моторът продължава да работи – може да доведе до сериозни прекъсвания на електроенергията в оборудването на мрежата. От тези, дефектите при отваряне/затваряне (включително отказ на превключването, неизцяло извършено действие и ниска точност на превключването) значително влияят върху стабилността на мрежата.
Изследванията показват, че дефектите на HVD, причинени от електрически механизми за управление, най-често произтичат от проблеми в вторичната верига, като откази на контрола поради лошо качество на електрически компоненти или ослабени връзки в вторичната верига. За широко използваните механизми за управление тип CJx, вътрешните мотори са защитени с термомагнитни предпазни автомати и електронни устройства за защита на мотора. Изложени дълго време на открито, тези механизми поддържат оперативни позиции за 3–6 години след влизане в употреба, но електрическите им компоненти за управление са хрупки и много чувствителни към околната среда.
Дългосрочната работа може да ослаби крайни ограничителни релета и болтове, водейки до неизцяло извършено превключване, ако не бъде обнаружено (например, 5° отклонение на положението, показано на Фигура 1, представлява риск за мрежата). Путешествието на релетата, които са важни за преходите в процеса на превключване, страда от оксидирани контакти и съкращена жизнеспособност поради влияние на околната среда.
Резюме и състояние на изследванията на дефектите на високонапреговите разключващи ключове
По същество, основните причини за дефектите при отваряне/затваряне на високонапреговите разключващи ключове (HVD) могат да бъдат категоризирани в два типа: дефекти в електрическата верига за управление и механични системни дефекти. Тази статия се фокусира върху електрическата верига за управление, която включва главно дефекти в моторната верига, дефекти на крайни ограничителни релета и проблеми в вторичната верига. Анализът показва, че високите проценти на дефекти при превключването са основно приписвани на дефекти в мотора и вторичната верига, които значително влияят върху функционирането на HVD. Следователно решаването на безопасността и надеждността на механизма за управление на HVD е спешно.
1. Състояние на изследванията на високонапреговите разключващи ключове
Съответните изследователи и инженери са провели обширни изследвания върху гореспоменатите проблеми и предложили конструктивни решения, обобщени в две ключови аспекти:
1.1 Състояние на изследванията на дефектите в вторичната верига
Много изследвания са се занимавали с проблеми на електрическите компоненти в вторичната верига. Лошо запечатване на кутията на механизма за управление позволява влизането на дъждовна вода, причинява корозия на компонентите, отказ на допълнителни реле/релета, ослабени контакти на бутоните и механични блокировки – водещи до отказ на превключването или неизцяло извършено действие. Предложени решения включват регулярно поддържане, защита срещу влага и диаграми на потока на грешките за бързо откриване на грешки.
За механично износване, като деформирани шипове, ослабени болтове на крайни ограничителни релета или износени винтове поради инерцията на мотора, се препоръчват мерки като често проверяване и своевременно устраняване на дефекти. Се предлага използването на антиоксидантни материали за корозираните връзки, докато методи за измерване на напрежение/съпротивление помагат за диагностика на дефекти в вторичната верига – подобрени чрез записване на дефектите, за да се подобри ефективността на откриването на грешки. Се предлагат нагревателни устройства за справяне с проблеми, причинени от влажност, като неверни позиции на допълнителни релета и лоши контакти в електрически механизми за управление.
Остават обаче, че съществуващите изследвания само изброяват точки на дефектите и подчертават поддръжката, без фундаментални решения, което отразява ниско внимание към вторичните вериги. Персоналът за поддръжка често подценява електрическите компоненти в сравнение с механичните части, и непознаването на структурите/принципите на вторичните компоненти – в комбинация с пренебрегване на регулярните проверки – са косвени причини за дефекти.
1.2 Състояние на изследванията на проблеми с точността на превключването
За справяне с точността на превключването и механичната инерция, учени са подобрили контрола на мотора чрез проектиране на механизми за управление, базирани на бесщеткови DC мотори (BLDC) и постоянномагнитни синхронни мотори (PMSM). Механизъм за управление на HVD, основан на BLDC, с ядро DSP и двойна затворена петлова стратегия, е показал ефективно регулиране на скоростта на превключването. Подобни методи за реално време за наблюдение на скоростта осигуряват гладко функциониране и подобрена точност при затваряне, като залагат основа за развитието на умната мрежа. Забележимо, че тези дизайни все още се намират в теоретически изследвания и лабораторни симулации, с непроверена надеждност в практически приложения.
2 Проект на разпределен електрически механизъм за управление
На основата на горепосочения анализ, основната причина за дефектите на механизма за управление е слабата надеждност на електрическата верига за управление, която е много чувствителна към околната среда. Забавена поддръжка или други проблеми могат да повредят електрическите компоненти, водейки до дефекти при превключването. В отговор, тази статия предлага разпределен дизайн за електрически механизми за управление.
2.1 Концепция за разпределено управление на електрически механизми за управление
Разпределеното управление разделя цялата система на отделни сегменти, всеки от които се контролира независимо от главен контролер. Този дизайн разделя модула за електрическо управление от модула за управление на мотора:
Учитвайки променливата външна среда и чувствителността на кабелите, се приема стратегия за разделено използване на кабели, основана на принципа на многократно използване в TRIZ. Тъй като веригите за управление на мотора и за указание на позицията на превключването не изискват едновременно активиране, този подход позволява предаване на сигнали за управление на мотора и указание на позицията на разключващия ключ, използвайки само 5 кабела. Това значително намалява въздействието на външната среда върху електрическия механизъм за управление. Общата концепция за управление на разпределените електрически механизми за управление е илюстрирана на Фигура 2.
2.2 Дизайн на разпределени контролни модули
Широко използваните механизми за управление серия CJx са проектирани с интегрирани електрически и механични компоненти, функциониращи на открито през цялата година в фиксирана конфигурация след влизане в употреба. Тази интеграция е ключов фактор, допринасящ за високия процент на дефекти. Модулен дизайн разделя този единен външен набор, като дели механизма на два отделни модула: модул за електрическо управление и модул за механично управление.
Модулен дизайн предлага явни преимущества: позволява модула за електрическо управление да бъде разположен в стабилна температурна среда, значително намалявайки влиянието на околната среда върху операциите с HVD; и минимизира връзките между модулите, позволявайки бърза замяна на дефектни модули – придавайки приоритет на "замяна първо, ремонт после" за подобряване на ефективността на поддръжката и намаляване на прекъсванията на мрежата.
2.2.1 Модул за електрическо управление
Модулът за електрическо управление включва главен контролер, реле за превключване на отваряне/затваряне, реле, вериги за указание на позицията и защитен устройство за фазово недостиг, както е представено в концепцията на Фигура 3.
Логиката за управление функционира по следния начин: сигнал за превключване (отваряне/затваряне) от бутона се изпраща до контролера, който регулира работата на мотора въз основа на командата. Когато HVD е в отворено състояние, се активира веригата за отворено състояние, светейки индикатора. Натискането на бутона за затваряне задейства контролера да включи главното реле на мотора и реле за превключване на затваряне, задвижвайки HVD да се затвори. По завършване, реле на мотора се деактивира, активирайки веригата за затворено състояние и индикатора. Защитното устройство за фазово недостиг защитава веригата на мотора с функция на таймер, разединявайки главната верига в определен период от време в случай на дефекти.
2.2.2 Модул за управление на мотора
Модулът за управление на мотора включва главно AC мотор, редуктор, тривиална купла, допълнително реле Siemens, тиристорна верига за гасене на дъга, крайни ограничителни релета и механично заключващо устройство. Когато главният контролер изпраща команда за отваряне/затваряне, се активира веригата за управление на мотора, задвижвайки редуктора и главната ос чрез мотора за превключване. Крайните ограничителни релета върху върха на главната ос, в комбинация с механичното заключващо устройство, контролират точността на позицията на превключването. Междувременно, допълнителното реле Siemens работи с тиристорната верига за гасене на дъга, за да разедини веригата за управление на мотора, спирайки работата на мотора. Угловият диапазон на 90 градуса на връзката между редуктора и главната ос позволява безнагласно стартиране на мотора. Видът на модула за управление на мотора е показан на Фигура 4.
2.3 Решение за точността на затваряне на разключващия ключ
Затварящото действие е ключов момент за високонапреговите превключватели. Недостатъчна точност при затваряне може да повлияе на стабилната работа на цялата електроенергийна система. За допълнително подобряване на точността при отваряне и затваряне на електрическия механизъм за управление, този дизайн използва механично заключващо устройство, в комбинация с допълнително реле Siemens и тривиална купла, за да подобри точността до известна степен.
2.3.1 Допълнително реле Siemens и тиристорна верига за гасене на дъга
Допълнителното реле е свързано с главната верига на мотора, за да контролира включването/изключването на веригата на мотора. Допълнителното реле не е склонно към заръждане поради влияние на околната среда, и неговата вътрешна тривиална купла предотвратява случайни затваряния. Контактите използват пружинен шип и твърдо покритие, за да гарантират стабилни и надеждни връзки. Специфичната структура е показана на Фигура 6.
Принцип на проектиране на тиристорна верига за гасене на дъга: При разединяването на допълнителното реле, се генерира дъга. За да се предотврати дъгата да стане твърде голяма и да повреди реле, тиристорна верига за гасене на дъга е свързана паралелно с допълнителното реле, за да абсорбира дъгата. Специфичният дизайн на веригата е показан на Фигура 7, където контакти 1, 2, 3 и 4 са всички контакти на допълнителното реле. (Контактите 1 и 2 се използват за контрол на включването/изключването на тиристорната верига за гасене на дъга, а контактите 3 и 4 се използват за контрол на включването/изключването на главната верига на мотора. Е установено, че контактите 1 и 2 се разединяват след контактите 3 и 4, за да се постигне целта на гасене на дъгата).
2.3.2 Функция на тривиалната купла
Тривиалната купла защитава мотора при всякакви аномални условия на работа. Веднъж, когато високонапреговият разключващ ключ е на място след затваряне, главната верига на мотора бързо се разединява. Но поради механичната инерция, моторът не може да спре незабавно. В този момент, тривиалната купла действа като компонент за намаляване на усилието. Тя позволява тривиалното колело да работи без нагрузка, разсейвайки механичната инерция на мотора и осигурявайки точната позиция на високонапреговия разключващ ключ при отваряне и затваряне. Освен това, чрез регулиране на силата на пружината, тривиалното момента може да бъде променено, за да се адаптира към операциите за отваряне и затваряне на различни разключващи ключове. Тривиалната купла е показана на Фигура 8.
Преимущества на проекта в сравнение с механизми за управление тип CJx
Предложените дизайни елиминират електрически компоненти като релета за път и крайни ограничителни релета, намалявайки факторите за нестабилност и подобрявайки надеждността на електрическия механизъм за управление. Той също така премахва клемник с множество контакти, опростявайки веригата за връзки. С модулен дизайн, само пет кабела свързват двете модули, значително подобрявайки ефективността на поправянето на дефекти. Освен това, той може да създаде множество защитни слоеве с термомагнитни предпазни автомати и съществуващи електронни устройства за защита на мотора. Дори и ако електрическата верига за управление даде дефект, механичното заключващо устройство и тривиалната купла осигуряват безопасността на мотора. Тривиалната купла противодейства на усилието от механичната инерция на мотора, а механичното заключващо устройство предотвратява "отскачането" на крайните ограничителни релета, осигурявайки точното отваряне и затваряне на високонапреговия разключващ ключ и защитавайки неговата целост. Освен това, безнагласното стартиране на мотора минимизира стартиращата ток, избягвайки удар на оборудването и удължавайки срока на ползване на механизма за управление.
3 Експериментално потвърждение
Съгласно съответните стандарти, като "Високонапрегови разключващи ключове и заземяващи ключове" и "Общи технически изисквания за високонапрегови превключватели и управления", комбинацията от механично заключващо устройство и тривиална купла допълнително подобрява точността при отваряне и затваряне на разключващия ключ. В сравнение с механизми за управление серия CJx, той предлага по-висока надеждност и безопасност. Обкръжението на грешките, чрез многократни тестове за отваряне и затваряне и измерване на ъгловите отклонения между крайните ограничителни релета и ограничителните винтове, показва, че те са тясно съвпадащи, с фактична машинна грешка в рамките на 1°, напълно отговарящи на технологичните стандарти. Фактичната позиция е показана на Фигура 9.
4 Заключение
Като едно от ключовите оборудвания в електроенергийната мрежа, надеждността и безопасността на механизма за управление на високонапреговите разключващи ключове са от изключителна важност. Тази статия взема електрическия механизъм за управление като обект на изследване, провежда детайлно проектиране и анализ на неговия метод за разпределено управление и го потвърждава чрез експерименти, достигайки очакваните резултати.
