Vysokonapěťové odpojovací spínace a selhání provozních mechanismů
Vysokonapěťové odpojovací spínace (HVD) jsou klíčovými přepínacími zařízeními v elektrických sítích, používanými primárně k izolaci zdrojů energie ve spojení s obvody. S návrhem „digitálních sítí“, neustálým pokrokem v technologii vysokonapěťového spínacího zařízení a rozšiřováním čínské elektrické sítě se počet a rozmanitost aplikací HVD značně zvýšily. Elektrický pohonný mechanismus, klíčová součást ovládající pohyby HVD, vyžaduje vynikající spolehlivost a stabilitu.
HVD tvoří vysoký podíl poruch mezi vysokonapěťovým zařízením, přičemž pohonné mechanismy jsou hlavní příčinou selhání. Běžné poruchy pohonného mechanismu zahrnují odmítnutí přepnutí, operační selhání a neúplné otevírání/zavírání. Útěk pohonného mechanismu – kdy motor pokračuje v chodu – může vést k velkým výpadkům proudu v síťovém zařízení. Mezi tyto patří neúplné otevírání/zavírání (včetně odmítnutí přepnutí, neúplné operace a nízké přesnosti přepnutí), které významně ovlivňují stabilitu sítě.
Výzkum ukazuje, že selhání HVD způsobená elektrickými pohonnými mechanismy převážně vznikají z problémů sekundárního obvodu, jako jsou kontrolovné selhání způsobené špatnou kvalitou elektrických komponent nebo volnými spoji v sekundárním obvodu. Pro široce používané CJx typy elektrických pohonných mechanismů jsou vnitřní motory chráněny termomagnetickými obvodovými přerušovači a elektronickými ochrannými zařízeními pro motory. Tyto mechanismy, dlouhodobě expozované venku, udržují operační postavení po 3–6 let po uvedení do provozu, ale jejich elektrické kontrolní komponenty jsou křehké a velmi citlivé na vnější faktory.
Dlouhodobá operace může způsobit uvolnění koncových spínačů a šroubů, což může vést k neúplnému přepnutí, pokud není detekováno (např. 5° pozicní odchylka na obrázku 1 představuje riziko pro síť). Cestové spínače, klíčové pro přechody při přepínacím procesu, trpí oxidovanými styky a zkrácenou životností kvůli vnějším vlivům.
Shrnutí a stav výzkumu poruch vysokonapěťových odpojovacích spínacích
Ve zkratce lze hlavní příčiny selhání otevírání/zavírání vysokonapěťových odpojovacích spínacích (HVD) rozdělit do dvou kategorií: poruchy elektrického řídicího obvodu a mechanické systémy. Tento článek se zaměřuje na elektrický řídicí obvod, který zahrnuje především selhání motorového obvodu, selhání koncových spínačů a problémy sekundárního obvodu. Analýza ukazuje, že vysoká míra selhání přepínání je převážně způsobena selháními motoru a sekundárního obvodu, což významně ovlivňuje fungování HVD. Proto je naléhavé řešit bezpečnost a spolehlivost pohonných mechanismů HVD.
1. Stav výzkumu vysokonapěťových odpojovacích spínacích
Relevantní výzkumníci a inženýři provedli rozsáhlé studie na tato témata a navrhli konstruktivní řešení, shrnutá v dvou klíčových aspektech:
1.1 Stav výzkumu poruch sekundárního obvodu
Mnoho studií se zabývá problémy elektrických komponent v sekundárních obvodech. Špatné uzavření skříně pohonného mechanismu umožňuje proniknutí deště, což způsobuje korozí komponent, selhání pomocných spínačů/relé, volné styky tlačítek a mechanické zaseknutí – vedoucí k odmítnutí přepnutí nebo neúplné operaci. Navržená řešení zahrnují pravidelnou údržbu, ochranu proti vlhkosti a diagramy toku poruch pro rychlé odstraňování.
Pro mechanické opotřebení, jako jsou deformované hřídele, volné koncové šrouby nebo opotřebované šrouby z důvodu inercie motoru, se doporučují opatření, jako jsou časté inspekce a včasné odstraňování vad. Anti-oxidacní materiály jsou navrženy pro korodované spoje drátů, zatímco metody testování napětí/odporu pomáhají diagnostikovat poruchy sekundárního obvodu – což je podpořeno záznamem vad pro zlepšení efektivity odstraňování poruch. Byly navrženy ohřívací zařízení pro řešení problémů způsobených vlhkostí, jako je nesprávné zarovnání pomocných spínačů a špatné spojení v elektrických pohonných mechanismech.
Nicméně, existující studie jen vypisují body poruch a zdůrazňují údržbu bez základních řešení, což odráží nízkou pozornost k sekundárním obvodům. Údržbáři často podhodnocují elektrické komponenty v porovnání s mechanickými částmi, a neznalost struktur a principů sekundárních komponent – kombinována s opomenutou pravidelnou inspekci – jsou nepřímými příčinami selhání.
1.2 Stav výzkumu problémů přesnosti přepínání
Aby byly řešeny problémy přesnosti přepínání a mechanické inercie, vědci vylepšili řízení motoru navržením pohonných mechanismů s bezšetřivkovými stejnosměrnými motory (BLDC) a stálými magnety (PMSM). Mechanismus HVD založený na BLDC s jádrem DSP a dvojitou uzavřenou smyčkovou strategií ukázal efektivní regulaci rychlosti přepínání. Podobné metody pro reálné časové monitorování rychlosti zajistily hladkou operaci a zlepšenou přesnost zavírání, což položilo základy pro rozvoj inteligentních sítí. Je důležité poznamenat, že tyto návrhy stále zůstávají ve fázi teoretického výzkumu a laboratorní simulace, s neprokázanou spolehlivostí v praktických aplikacích.
2 Návrh distribuovaného elektrického pohonného mechanismu
Na základě výše uvedené analýzy je hlavní příčinou selhání pohonného mechanismu nízká spolehlivost elektrického řídicího obvodu, který je velmi citlivý na vnější faktory. Zpožděná údržba nebo jiné problémy mohou poškodit elektrické komponenty, což vede k selhání přepínání. V reakci na to tento článek navrhuje distribuovaný návrh elektrického pohonného mechanismu.
2.1 Koncept distribuovaného řízení elektrického pohonného mechanismu
Distribuované řízení rozděluje celý systém na samostatné segmenty, každý nezávisle ovládaný hlavním řadičem. Tento návrh odděluje elektrický řídicí modul od modulu pohonu motoru:
S ohledem na proměnlivé venkovní prostředí a citlivost kabelů je zavedena strategie sdílení kabelů v čase na základě principu TRIZ o více použití. Protože obvody pro řízení motoru a indikátor postavení spínacího nevyžadují současnou aktivaci, tento přístup umožňuje přenos signálů pro řízení motoru a indikaci postavení odpojovacího spínacího pouze 5 kabely. To značně snižuje vnější vlivy na elektrický pohonný mechanismus. Celkový koncept distribuovaného elektrického pohonného mechanismu je znázorněn na obrázku 2.
2.2 Návrh distribuovaných řídicích modulů
Široce používané série CJx elektrických pohonných mechanismů jsou navrženy s integrovanými elektrickými a mechanickými komponenty, fungujícími venku rok co rok v pevném uspořádání od uvedení do provozu. Toto integrování je klíčovým faktorem přispívajícím k jejich vysoké míře selhání. Modulární návrh ruší tento integrovaný venkovní systém tím, že rozděluje mechanismus na dva samostatné moduly: elektrický řídicí modul a mechanický pohonný modul.
Modulární návrh nabízí významné výhody: umožňuje umístění elektrického řídicího modulu do stabilizovaného prostředí, což značně snižuje vnější vlivy na operace přepínání HVD; a minimalizuje propojování mezi moduly, umožňující rychlou výměnu vadných modulů – upřednostňuje „nejdříve vyměnit, poté opravit“ pro zlepšení efektivity údržby a snížení výpadků sítě.
2.2.1 Elektrický řídicí modul
Elektrický řídicí modul zahrnuje hlavní řadič, přepínač otevírání/zavírání, relé, obvody indikace postavení a ochránci před fázovým nedostatkem, jak je popsáno v návrhovém konceptu na obrázku 3.
Řídicí logika funguje následovně: signál přepínání (otevření/zavření) z tlačítka je odeslán do řadiče, který řídí operaci motoru na základě příkazu. Když je HVD v otevřeném stavu, aktivuje se obvod otevřeného postavení, osvětlující indikátor. Stisknutí tlačítka zavírání aktivuje řadič k zapnutí hlavního relé motoru a relé přepínání obvodu zavírání, pohánějící HVD k zavření. Po dokončení se relé motoru vypne, aktivuje obvod zavřeného postavení a indikátor. Ochránce před fázovým nedostatkem chrání obvod motoru s funkci časovače, odpojující hlavní obvod v určité době v případě selhání.
2.2.2 Pohonný modul motoru
Pohonný modul motoru se především skládá z AC motoru, reduktoru, fricčního spoje, pomocného spínače Siemens, thyristorového obvodu pro potlačení oblouku, koncových spínačů a mechanického uzamykacího zařízení. Když hlavní řadič odesílá příkaz otevírání/zavírání, aktivuje se obvod řízení motoru, pohánějící reduktor a hlavní hřídel prostřednictvím motoru pro operace přepínání. Koncové spínače na vrcholu hlavní hřídele, spolu s mechanickým uzamykacím zařízením, řídí přesnost postavení přepínání. Zároveň pomocný spínač Siemens spolupracuje s thyristorovým obvodem pro potlačení oblouku, odpojující obvod řízení motoru a zastavující operaci motoru. 90° rotace mezi reduktorem a hlavní hřídelí umožňuje start motoru bez zatížení. Vzhled pohonného modulu motoru je znázorněn na obrázku 4.
2.3 Řešení přesnosti zavírání odpojovacího spínacího
Operace zavírání je klíčovým krokem pro vysokonapěťové spínací zařízení. Nedostatečná přesnost zavírání může ovlivnit stabilní operaci celého elektrického systému. Aby byla dále zlepšena přesnost otevírání a zavírání elektrického pohonného mechanismu, tento návrh používá mechanické uzamykací zařízení, spolu s pomocným spínačem Siemens a fricčním spojem, aby zlepšil přesnost do určité míry.
2.3.1 Pomocný spínač Siemens a thyristorový obvod pro potlačení oblouku
Pomocný spínač je připojen k hlavnímu obvodu motoru pro řízení zapnutí/vypnutí obvodu motoru. Pomocný spínač není náchylný k korozí z důvodu vnějších vlivů, a jeho vnitřní fricční mechanismus brání náhodnému zavření. Styky používají pružinový pin a tvrdou obalu, aby zajistily stabilní a spolehlivé spojení. Specifická struktura je znázorněna na obrázku 6.
Princip návrhu thyristorového obvodu pro potlačení oblouku: Během odpojení pomocného spínače se generuje oblouk. Aby se zabránilo tomu, aby byl oblouk příliš velký a poškodil spínač, je paralelně s pomocným spínačem připojen thyristorový obvod pro potlačení oblouku, který absorbuje oblouk. Specifický návrh obvodu je znázorněn na obrázku 7, kde styky 1, 2, 3 a 4 jsou všechny styky pomocného spínače. (Styky 1 a 2 slouží k řízení zapnutí/vypnutí thyristorového obvodu pro potlačení oblouku, a styky 3 a 4 slouží k řízení zapnutí/vypnutí hlavního obvodu motoru. Je nastaveno, že styky 1 a 2 odpojí po stykách 3 a 4, aby byl dosažen cíl potlačení oblouku).
2.3.2 Funkce fricčního spoje
Fricční spoj chrání motor před jakýmkoli neobvyklým operačním stavem. Jakmile je vysokonapěťový odpojovací spínací na místě po zavření, je rychle odpojen hlavní obvod motoru. Nicméně, z důvodu mechanické rotace inercie, motor nemůže okamžitě zastavit. V této chvíli fricční spoj funguje jako komponenta pro uvolnění síly. Umožňuje fricčnímu ozubení beztížně běžet, disipující mechanickou inerci motoru a zajistí přesné postavení vysokonapěťového odpojovacího spínacího během operací otevírání a zavírání. Kromě toho lze upravit sílu pružiny, aby byl upraven fricční moment, aby odpovídal operacím otevírání a zavírání různých odpojovacích spínacích. Fricční spoj je znázorněn na obrázku 8.
Výhody navrženého řešení oproti CJx typu elektrických pohonných mechanismů
Navržený návrh eliminuje elektrické komponenty, jako jsou cestové spínače a koncové spínače, snižuje faktory nestability a zvyšuje spolehlivost elektrického pohonného mechanismu. Také odstraňuje terminálový blok s mnoha styky, zjednodušuje obvod spojení. S modulárním návrhem jsou pouze pět kabelů spojuje dva moduly, což značně zlepšuje efektivitu odstraňování poruch. Kromě toho může tvořit více vrstev ochrany s termomagnetickými obvodovými přerušovači a stávajícími elektronickými ochrannými zařízeními pro motory. I v případě, že by selhal elektrický řídicí obvod, mechanické uzamykací zařízení a fricční spoj zajišťují bezpečnost motoru. Fricční spoj kompenzuje sílu z mechanické inercie motoru, a mechanické uzamykací zařízení brání koncovému spínači, aby „odbil“, což zajišťuje přesné otevírání a zavírání vysokonapěťového odpojovacího spínacího a chrání jeho celistvost. Kromě toho beztížný start motoru minimalizuje startovací proud, což předchází otřesu zařízení a prodlužuje životnost pohonného mechanismu.
3 Experimentální ověření
V souladu s relevantními normami, jako jsou „Vysokonapěťové odpojovací spínací a zazemňovací spínací“ a „Společné technické požadavky na vysokonapěťové spínací a řídicí zařízení“, kombinace mechanického uzamykacího zařízení a fricčního spoje dále zlepšuje přesnost otevírání a zavírání odpojovacího spínacího. V porovnání s sérií CJx elektrických pohonných mechanismů nabízí vyšší spolehlivost a bezpečnost. Detekce chyb, prostřednictvím mnoha testů otevírání a zavírání a měření úhlového odchylky mezi koncovým spínačem a koncovým šroubem, ukazuje, že jsou těsně zarovnány, s skutečnou výrobní chybou v rámci 1°, plně splňují technologické normy. Skutečná poloha je znázorněna na obrázku 9.
4 Závěr
Jako jedno z klíčových zařízení v elektrické síti má spolehlivost a bezpečnost pohonného mechanismu vysokonapěťových odpojovacích spínacích nejvyšší prioritu. Tento článek bere elektrický pohonný mechanismus jako objekt výzkumu, provádí detailní návrh a analýzu jeho distribuovaného řídicího způsobu a ověřuje ho prostřednictvím experimentů, dosahující očekávaných výsledků.Na základě konceptu distribuovaného řízení je motor ovládán hlavním řadičem, který bezpečně a přesně řídí operace otevírání a zavírání vysokonapěťových odpojovacích spínacích.
S modulárním přístupem k návrhu je elektrický pohonný mechanismus hlavně rozdělen na elektrický řídicí modul a pohonný modul motoru, což snižuje složitost spojů a zlepšuje rychlost údržby.Je nastaveno mechanické uzamykací zařízení. V
