Interruptors de desconnectar d'alta tensió i fallades del mecanisme operatiu
Els interruptors de desconnexió d'alta tensió (HVDs) són dispositius de commutació crítics en les xarxes elèctriques, principalment utilitzats per aïllar fonts d'energia en conjunció amb els interruptors automàtics. Amb la proposta de "xarxes digitals", els continuos avanços en la tecnologia de l'equipament d'alta tensió i l'ampliació de la xarxa elèctrica de la Xina, les aplicacions d'HVD han augmentat tant en quantitat com en diversitat. El mecanisme d'operació elèctric, un component vital que controla els moviments de commutació dels HVD, requereix una excepcional fiabilitat i estabilitat.
Els HVD tenen una alta taxa de fallada entre l'equipament d'alta tensió, amb els mecanismes d'operació sent la causa principal de les malfuncions. Les falles comunes dels mecanismes d'operació inclouen la negativa a commutar, la falla operativa i l'apertura/tancament incomplet. La fuga del mecanisme d'operació, on el motor continua funcionant, pot provocar grans interrupcions de l'electricitat en l'equipament de la xarxa. Entre aquests, les fallades d'apertura/tancament (incloent la negativa a commutar, l'operació incompleta i la baixa precisió de commutació) afecten significativament la estabilitat de la xarxa.
La recerca indica que les fallades dels HVD causades pels mecanismes d'operació elèctric provienen principalment de problemes en el circuit secundari, com falles de control degudes a components elèctrics de mala qualitat o connexions suaus en el circuit secundari. Per als mecanismes d'operació elèctric CJx ampliament utilitzats, els motors interns estan protegits per disjuntores tèrmico-magnètics i dispositius de protecció electrònica del motor. Exposats a l'exterior durant períodes llargs, aquests mecanismes mantenien postures operatives durant 3-6 anys després de la posada en servei, però els seus components de control elèctric són fràgils i molt sensibles als factors ambientals.
L'operació prolongada pot alliberar els interruptors límit i els vintalls, conduint a una commutació incompleta si no es detecta (per exemple, la desviació posicional de 5° en la Figura 1 presenta riscos per a la xarxa). Els interruptors de recorregut, crucials per les transicions en el procés de commutació, patixen contactes oxidats i una vida útil reduïda deguda a l'influència ambiental.
Resum i estat de la recerca sobre les fallades dels interruptors de desconnexió d'alta tensió
En resum, les causes principals de les fallades d'apertura/tancament dels interruptors de desconnexió d'alta tensió (HVD) es poden categoritzar en dos tipus: falles en el circuit de control elèctric i falles en el sistema mecànic. Aquest article es centra en el circuit de control elèctric, que inclou principalment falles en el circuit del motor, malfuncionaments dels interruptors límit i problemes en el circuit secundari. L'anàlisi mostra que les altes taxes de fallada en la commutació es deuen principalment a falles del motor i del circuit secundari, impactant significativament l'operació dels HVD. Així, és urgent solucionar la seguretat i fiabilitat dels mecanismes d'operació dels HVD.
1. Estat de la recerca sobre els interruptors de desconnexió d'alta tensió
Investigadors i enginyers rellevants han realitzat extenses investigacions sobre aquests assumptes i han proposat solucions constructives, resumides en dos aspectes clau:
1.1 Estat de la recerca sobre les falles en el circuit secundari
Nombrosos estudis han abordat els problemes dels components elèctrics en els circuits secundaris. Un mal hermetisme de la caixa del mecanisme d'operació permet l'ingrés d'aigua pluja, causant corrosió dels components, falla dels interruptors auxiliars/releus, contactes de botons suaus i aturades mecàniques, que porten a la negativa a commutar o a una operació incompleta. S'han proposat solucions com la manutençó regular, la protecció contra l'humitat i esquemes de flux de falles per a la resolució ràpida de problemes.
Per a l'ús mecànic com ara els pins deformats, els vintalls límits suaus o els tornills gairebé desgastats per a l'inèrcia del motor, es recomana inspeccions freqüents i l'eliminació oportuna de defectes. Es suggerixen materials anti-oxidació per a les unions de fils corroïdes, mentre que els mètodes de prova de tensió/resistència ajuden a diagnosticar les falles del circuit secundari, millorats pel registre de defectes per a incrementar l'eficiència de la resolució de problemes. S'han proposat dispositius de calefacció per a abordar els problemes causats per l'humitat, com la mala alineació dels interruptors auxiliars i el contacte deficient en els mecanismes d'operació elèctric.
No obstant això, els estudis existents només enumeren punts de falla i enfatisen la manutençó sense solucions fonamentals, reflectint una baixa atenció als circuits secundaris. El personal de manutençó sovint subestima els components elèctrics en comparació amb els components mecànics, i la falta de familiarització amb les estructures i principis dels components secundaris, combinada amb l'omissió de les inspeccions regulars, són causes indirectes de falla.
1.2 Estat de la recerca sobre els problemes de precisió en la commutació
Per abordar la precisió de la commutació i l'inèrcia mecànica, els savis han millorat el control del motor dissenyant mecanismes d'operació basats en motors DC brushless (BLDC) i motors síncrons de magnèt permanent (PMSM). Un mecanisme d'HVD basat en BLDC amb un nucli DSP i una estratègia de doble bucle tancat ha mostrat una regulació efectiva de la velocitat de commutació. Mètodes similars per a la monitorització de la velocitat en temps real asseguren una operació suau i milloren la precisió de tancament, posant les bases per al desenvolupament de xarxes intel·ligents. Notablement, aquests dissenys encara estan en fases de recerca teòrica i simulació en laboratori, amb una fiabilitat no demostrada en aplicacions pràctiques.
2 Disseny de mecanisme d'operació elèctric distribuït
Basant-se en l'anàlisi anterior, la causa principal de les fallades dels mecanismes d'operació és la baixa fiabilitat del circuit de control elèctric, que és altament sensible als factors ambientals. La manutençó retardada o altres problemes poden enderrocar els components elèctrics, provocant falles de commutació. En resposta, aquest article proposa un disseny distribuït per als mecanismes d'operació elèctric.
2.1 Concepte de control distribuït per als mecanismes d'operació elèctric
El control distribuït divideix tot el sistema en segments separats, cadascun controlat independentment per un controlador principal. Aquest disseny separa el mòdul de control elèctric del mòdul de conducció del motor:
Considerant l'ambient exterior variable i la susceptibilitat dels cables, s'adopta una estratègia de cable compartit en temps dividit basada en el principi de multi-us del TRIZ. Com que els circuits de control del motor i els circuits indicadors de l'estat de commutació no necessiten activació simultània, aquest enfocament permet la transmissió de senyals per al control del motor i la indicació de la posició de l'interruptor de desconnexió utilitzant només 5 cables. Això redueix significativament els impacts externs en el mecanisme d'operació elèctric. El concepte general de control del mecanisme d'operació elèctric distribuït es il·lustra en la Figura 2.
2.2 Disseny dels mòduls de control distribuït
Els mecanismes d'operació elèctric de la sèrie CJx ampliament aplicats estan dissenyats amb components elèctrics i mecànics integrats, operant a l'exterior tot l'any en una configuració fixa des de la seva posada en servei. Aquesta integració és un factor clau que contribueix a la seva alta taxa de fallada. El disseny modular treu aquesta configuració integral al exterior dividint el mecanisme en dos mòduls separats: un mòdul de control elèctric i un mòdul de conducció mecànica.
El disseny modular ofereix avantatges distintes: permet que el mòdul de control elèctric es col·loqui en un entorn amb temperatura estabilitzada, reduint significativament els impacts ambientals en les operacions de commutació dels HVD; i minimitza el cablatge entre mòduls, permetent la substitució ràpida de mòduls defectuosos, priorititzant la "substitució primer, reparació després" per millorar l'eficiència de la manutençó i reduir el temps d'aturada de la xarxa.
2.2.1 Mòdul de control elèctric
El mòdul de control elèctric consta d'un controlador principal, un interruptor de transferència d'obertura/tancament, releus, circuits indicadors de posició i un protector de fase, tal com es detalla en el concepte de disseny de la Figura 3.
La lògica de control funciona de la següent manera: un senyal de commutació (obertura/tancament) del botó s'envia al controlador, que regula l'operació del motor basant-se en la comanda. Quan el HVD està en estat obert, s'activa el circuit de posició oberta, il·luminant l'indicador. Premre el botó de tancament fa que el controlador activi el rellotge principal del motor i el rellotge de transferència del circuit de tancament, impulsionant el HVD a tancar. Un cop completat, el rellotge del motor desenergiza, activant el circuit de posició tancada i l'indicador. El protector de fase protegeix el circuit del motor amb funcionalitat de temporitzador, desconectant el circuit principal en un temps especificat en cas de falles.
2.2.2 Mòdul de conducció del motor
El mòdul de conducció del motor consta principalment d'un motor AC, un reductor de velocitat, un acoblament de fricció, un interruptor auxiliar Siemens, un circuit de supressió d'arc de tiristor, parades límit i un dispositiu de bloqueig mecànic. Quan el controlador principal envia una comanda d'obertura/tancament, s'activa el circuit de control del motor, impulsionant el reductor de velocitat i l'eix principal a través del motor per a les operacions de commutació. Les parades límit en la part superior de l'eix principal, en conjunció amb el dispositiu de bloqueig mecànic, controlen la precisió de la posició de commutació. Alhora, l'interruptor auxiliar Siemens treballa amb el circuit de supressió d'arc de tiristor per desconectar el circuit de control del motor, aturant l'operació del motor. Un marge de rotació de 90 graus a la connexió entre el reductor de velocitat i l'eix principal permet l'arrancada a buit del motor. L'aparença del mòdul de conducció del motor es mostra en la Figura 4.
2.3 Solució per a la precisió de tancament de l'interruptor de desconnexió
L'acció de tancament és un pas crucial per a l'equipament de commutació d'alta tensió. Una precisió de tancament inadequada pot afectar l'operació estable de tot el sistema elèctric. Per millorar encara més la precisió d'obertura i tancament del mecanisme d'operació elèctric, aquest disseny utilitza un dispositiu de bloqueig mecànic, en conjunció amb un interruptor auxiliar Siemens i un acoblament de fricció, per millorar la precisió en certa mesura.
2.3.1 Interruptor auxiliar Siemens i circuit de supressió d'arc de tiristor
L'interruptor auxiliar està connectat al circuit principal del motor per controlar l'encendiment i apagament del circuit del motor. L'interruptor auxiliar no es corroeix fàcilment per les influències ambientals externes, i el seu mecanisme intern de fricció evita els tancaments accidentals. Els contactes utilitzen un pin carregat amb molla i una funda dura per assegurar connexions estables i fiables. La estructura específica es mostra en la Figura 6.
Principi de disseny del circuit de supressió d'arc de tiristor: Durant la desconnexió de l'interruptor auxiliar, es genera un arc. Per prevenir que l'arc sigui massa gran i enderrocï l'interruptor, es connecta un circuit de supressió d'arc de tiristor en paral·lel amb l'interruptor auxiliar per absorir l'arc. El disseny específic del circuit es mostra en la Figura 7, on els contactes 1, 2, 3 i 4 són tots contactes de l'interruptor auxiliar. (Els contactes 1 i 2 s'utilitzen per controlar l'encendiment i apagament del circuit de supressió d'arc de tiristor, i els contactes 3 i 4 s'utilitzen per controlar l'encendiment i apagament del circuit principal del motor. Es preveu que els contactes 1 i 2 es desconnectin després dels contactes 3 i 4 per aconseguir l'objectiu de la supressió d'arc).
2.3.2 Funció de l'acoblament de fricció
L'acoblament de fricció protegeix el motor en qualsevol condició d'operació anormal. Un cop l'interruptor de desconnexió d'alta tensió està en posició després del tancament, el circuit principal del motor es desconnecta ràpidament. No obstant això, a causa de l'inèrcia rotacional mecànica, el motor no pot aturar-se immediatament. En aquest moment, l'acoblament de fricció actua com un component de relaxació de força. Permet que la roda de fricció giri a buit, dissipant l'inèrcia mecànica del motor i assegurant la posició precisa de l'interruptor de desconnexió d'alta tensió durant les operacions d'obertura i tancament. Addicionalment, ajustant la tensió de la molla, es pot modificar el torque de fricció per adaptar-se a les operacions d'obertura i tancament de diversos interruptors de desconnexió. L'acoblament de fricció es mostra en la Figura 8.
Avantatges del disseny propost sobre els mecanismes d'operació elèctric de la sèrie CJx
El disseny proposat elimina components elèctrics com els interruptors de recorregut i els interruptors límit, reduint els factors d'inestabilitat i millorant la fiabilitat del mecanisme d'operació elèctric. També elimina el terminal amb nombrosos contactes, simplificant el circuit de cablatge. Amb un disseny modular, només cinc cables connecten els dos mòduls, millorant significativament l'eficiència de la reparació de falles. A més, pot formar múltiples capes de protecció amb disjuntores tèrmico-magnètics i dispositius de protecció electrònica del motor existents. Fins i tot si el circuit de control elèctric falla, el dispositiu de bloqueig mecànic i l'acoblament de fricció asseguren la seguretat del motor. L'acoblament de fricció contraresta la força de l'inèrcia mecànica del motor, i el dispositiu de bloqueig mecànic evita que la para límit "rebotti", assegurant l'obertura i tancament precisos de l'interruptor de desconnexió d'alta tensió i protegint-ne la integritat. A més, l'arrancada a buit del motor minimitza la corrent d'arrancada, evitant el xoc de l'equipament i prolongant la vida útil del mecanisme d'operació.
3 Verificació experimental
Adherint-se a normes rellevants com "Interruptors de desconnexió d'alta tensió i interruptors de terra" i "Requisits tècnics comuns per a equipament de commutació i control d'alta tensió", la combinació d'un dispositiu de bloqueig mecànic i un acoblament de fricció millora encara més la precisió d'obertura i tancament de l'interruptor de desconnexió. En comparació amb els mecanismes d'operació elèctric de la sèrie CJx, ofereix una major fiabilitat i seguretat. La detecció d'errors, a través de nombrosos tests d'obertura i tancament i mesures de desviació angular entre la para límit i el tornill límit, mostra que estan estretament alineats, amb un error de maquinatge real dins de 1°, complint totalment els estàndards tècnics. La posició real es mostra en la Figura 9.
4 Conclusió
Com un dels equips clau en la xarxa elèctrica, la fiabilitat i seguretat del mecanisme d'operació dels interruptors de desconnexió d'alta tensió són d'extrema importància. Aquest article pren el mecanisme d'operació elèctric com a objecte de recerca, realitza un disseny i anàlisi detallats del seu mètode de control distribuït, i ho verifica mitjançant experiments, assolint els resultats esperats.Basant-se en el concepte de control distribuït, el motor és impulsat pel controlador principal per controlar de manera segura i precisa les operacions d'obertura i tancament dels interruptors de desconnexió d'alta tensió.
Amb un enfocament de disseny modular, el mecanisme d'operació elèctric es divideix principalment en un mòdul de control elèctric i un mòdul de conducció del motor, reduint la complexitat del cablatge i millorant la velocitat de manutençó.S'ha establert un dispositiu de bloqueig mecànic. Combinat amb les estructures especials de l'interruptor auxiliar Siemens i l'acoblament de fricció, s'ha millorat la precisió d'obertura i tancament de l'interruptor de desconnexió.
