Højspændingsafbrydere og fejl i driftsmekanismer
Højspændingsafbrydere (HVD) er afgørende switching-enheder i strømnet, primært anvendt til at isolere strømkilder sammen med kredsløbsbrydere. Med foreslået "digitale net", kontinuerlige fremskridt i højspændingsbryder-teknologi, og udvidelse af Kinas strømnet, har HVD-applikationer øget sig både i mængde og diversitet. Den elektriske driftsmekanisme, en vigtig komponent, der kontrollerer HVD-switching-bevægelser, kræver ekseptionel pålidelighed og stabilitи.
HVD'er udgør en høj fejlrate blandt højspændingsudstyr, hvor driftsmekanismer er den primære årsag til fejl. Almindelige driftsmekanisme-fejl inkluderer afvisning af switching, driftsfejl, og ufuldstændig åbning/lukning. Driftsmechanismens løben, hvor motoren fortsætter med at køre, kan føre til store strømafbrydelser i netudstyr. Af disse er åbning/lukningsfejl (herunder afvisning af switching, ufuldstændig drift, og lav switching-nøjagtighed) betydelige for netstabiliteten.
Forskning viser, at HVD-fejl, forårsaget af elektriske driftsmekanismer, primært skyldes sekundærkredsløbsproblemer, som kontrolfejl på grund af dårlig kvalitet på elektriske komponenter eller løse forbindelser i sekundærkredsløbet. For bredt anvendte CJx-type elektriske driftsmekanismer, er interne motorer beskyttet af termomagnetiske kredsløbsbrydere og elektroniske motorebeskyttelsesenheder. Udsat for det frie vejr i lang tid, vedbliver disse mekanismer at være i driftstilladelse i 3-6 år efter indføring, men deres elektriske styringskomponenter er fragile og meget følsomme over for miljøfaktorer.
Længere drift kan løsne grænsekontakter og boldhoder, hvilket kan føre til ufuldstændig switching, hvis ikke opdaget (f.eks. den 5° positionelle afvigelse i figur 1 indebærer risici for nettet). Rejseskridtkontakter, som er afgørende for overgangen i switching-processen, lider af oxiderede kontakter og forkortet levetid på grund af miljøpåvirkninger.
Samlet set kan de primære årsager til højspændingsafbryders (HVD) åbning/lukningsfejl inddeles i to typer: elektriske styringskredsløbsfejl og mekaniske systemfejl. Denne artikel fokuserer på det elektriske styringskredsløb, som hovedsageligt inkluderer motor-kredsløbsfejl, grænsekontaktmalfunctioner, og sekundærkredsløbsproblemer. Analyse viser, at høje switching-fejlhastigheder primært skyldes motor- og sekundærkredsløbsfejl, som betydeligt påvirker HVD-drift. Derfor er det presserende at løse sikkerhed og pålidelighed af HVD-driftsmekanismer. 1. Forskningsstatus for højspændingsafbrydere Relevante forskere og ingeniører har gennemført omfattende studier af ovenstående problemer og foreslået konstruktive løsninger, summeret i to nøgleaspekter: 1.1 Forskningsstatus for sekundærkredsløbsfejl Mange studier har behandlet elektriske komponentproblemer i sekundærkredsløb. Dårlig tæthed på driftsmechanisme-boksen tillader regnvand at trænge ind, hvilket forårsager komponentkorrosion, hjælpekontakt/relæfejl, løse knapkontakter, og mekaniske stopper - hvilket fører til afvisning af switching eller ufuldstændig drift. Foreslåede løsninger inkluderer regelmæssig vedligeholdelse, fugtbeskyttelse, og fejlflowcharts for hurtig fejlfinding. For mekanisk slitage som deformerede pinner, løse grænseboldhoder, eller slidte skruer på grund af motorinertie, anbefales ofte inspektioner og tidsberettiget fejludryddelse. Anti-oxidationsmaterialer foreslås for korroderte ledningsforbindelser, mens spænding/modstandstestmetoder hjælper med at diagnosticere sekundærkredsløbsfejl - forbedret ved fejllogning for at forbedre fejlfindningseffektiviteten. Opvarmningsenheder er foreslået for at tackle fugtinduceret problemer som misjustering af hjælpekontakter og dårlig kontakt i elektriske driftsmekanismer. Dog lister eksisterende studier kun fejlpunkter og lægger vægt på vedligeholdelse uden grundlæggende løsninger, hvilket afspejler lav opmærksomhed på sekundærkredsløb. Vedligeholdelsespersonale undervurderer ofte elektriske komponenter i forhold til mekaniske dele, og ubekendtskab med sekundærkomponentstrukturer/principper - kombineret med overset regelmæssig inspektion - er indirekte fejlårsager. 1.2 Forskningsstatus for switching-nøjagtighedsproblemer For at tackle switching-nøjagtighed og mekanisk inertie, har forskere forbedret motorstyring ved at designe børstefri strømledermotor (BLDC) og permanent magnet synchronous motor (PMSM) driftsmekanismer. En BLDC-baseret HVD-mekanisme med DSP-core og dual lukket-loop styringsstrategi har vist effektiv regulering af switching-hastighed. Lignende metoder for realtidshastighedsmonitoring sikrer jævn drift og forbedret lukning-nøjagtighed, hvilket ligger grundlaget for smart grid-udvikling. Bemærk, at disse design stadig befinder sig i teoretisk forskning og laboratorie-simuleringsfaser, med ubevist pålidelighed i praktiske applikationer. 2 Fordelt elektrisk driftsmekanismes designscheme Baseret på ovenstående analyse, er den primære årsag til driftsmechanisme-fejl dårlig pålidelighed af det elektriske styringskredsløb, som er højst følsomt over for miljøfaktorer. Forsinket vedligeholdelse eller andre problemer kan skade elektriske komponenter, hvilket fører til switching-fejl. I respons herpå foreslår denne artikel et fordelt design for elektriske driftsmekanismer. 2.1 Fordelt kontrolkoncept for elektriske driftsmekanismer Fordelt kontrol deler hele systemet i separate segmenter, hver styret uafhængigt af en hovedcontroller. Dette design adskiller den elektriske styringsmodule fra motorstyringsmodulet: Med hensyn til variabelt udendørs miljø og kablers følsomhed, anvendes en tidsfordelt delt kabelstrategi baseret på TRIZ's princip om flerbrug. Da motorstyringskredsløb og switching-status-indikator-kredsløb ikke behøver aktivering samtidigt, gør denne tilgang det muligt at sende signaler for både motorstyring og afbryderposition-indikation ved hjælp af kun 5 kabler. Dette reducerer betydeligt ydre miljøpåvirkninger på den elektriske driftsmechanisme. Det samlede kontrolkoncept for den fordelte elektriske driftsmechanisme er illustreret i figur 2. 2.2 Design af fordelte kontrolmoduler De bredt anvendte CJx-serie elektriske driftsmekanismer er designet med integrerede elektriske og mekaniske komponenter, der opererer udendørs i alt året igennem i en fast konfiguration siden indføring. Denne integration er en nøglesag, der bidrager til deres høje fejlrate. Moduldesignet bryder dette all-in-one udendørs opsætning ved at opdele mekanismen i to separate moduler: en elektrisk styringsmodule og en mekanisk drivmodule. Moduldesignet byder på klare fordele: det gør det muligt at house den elektriske styringsmodule i et temperaturstabiliseret miljø, hvilket betydeligt reducerer miljøpåvirkningen på HVD-switching-operationer; og det minimiserer kablings mellem moduler, hvilket gør det muligt at hurtigt udskifte defekte moduler - prioritering af "udskift først, reparér senere" for at forbedre vedligeholdelseseffektiviteten og reducere netdowntime. 2.2.1 Elektrisk styringsmodule Elektrisk styringsmodule består af en hovedcontroller, åbn/luk transferkontakt, relæer, positionsindikator-kredsløb, og en fase-manglende beskytter, som redegøres for i designkonceptet i figur 3. Styringslogikken fungerer som følgende: et switching-signal (åbn/luk) fra knappen sendes til controlleren, der regulerer motordrift baseret på kommandoen. Når HVD er i åben tilstand, aktiveres åben-positionskredsløb, der tænder indikatoren. Tryk på luk-knappen udløser, at controlleren aktiverer hovedmotorrelæet og lukkredsløbs-overføringsrelæet, der drev HVD til at lukke. Efter fuldførelse, deenergiserer motorrelæet, aktiverer luk-positionskredsløb og indikator. Fase-manglende beskytter beskytter motorkredsløbet med timer-funktion, der afbryder hovedkredsløbet inden for en angivet tidsramme i tilfælde af fejl. 2.2.2 Motorstyringsmodule Motorstyringsmodule består primært af en AC-motor, hastighedsreducer, friktionskopling, Siemens-hjælpekontakt, thyristor-bue-dempningskredsløb, grænsestopper, og mekanisk låsesystem. Når hovedcontrolleren sender et åbn/luk-kommando, aktiveres motorstyringskredsløbet, der drev hastighedsreduceren og hovedakslen via motoren for switching-operationer. Grænsestopper på toppen af hovedakslen, i forbindelse med mekanisk låsesystem, kontrollerer switching-positionsnøjagtigheden. Samtidig arbejder Siemens-hjælpekontakten med thyristor-bue-dempningskredsløbet for at afbryde motorstyringskredsløbet, stoppe motordrift. En 90-graders rotationsmargin ved forbindelsen mellem hastighedsreduceren og hovedakslen gør det muligt at starte motor uden last. Udseendet af motorstyringsmodulet er vist i figur 4. 2.3 Løsning for afbryderlukning-nøjagtighed Lukningshandlingen er et afgørende trin for højspændingsbrydere. Utilstrækkelig lukning-nøjagtighed kan påvirke den stabile drift af hele strømsystemet. For at yderligere forbedre åbnings- og lukningsnøjagtigheden af den elektriske driftsmechanisme, anvender dette design et mekanisk låsesystem, i forbindelse med en Siemens-hjælpekontakt og en friktionskopling, for at forbedre nøjagtigheden til en vis grad. 2.3.1 Siemens-hjælpekontakt og thyristor-bue-dempningskredsløb Hjælpekontakten er forbundet til hovedmotorkredsløbet for at kontrollere tænd/sluk for motorkredsløbet. Hjælpekontakten er ikke rustpræget på grund af ydre miljøpåvirkninger, og dens interne friktionsmekanisme forhindrer uheldige lukninger. Kontakterne bruger en fjeder-belasted pin og en hård skjorte for at sikre stabile og pålidelige forbindelser. Den specifikke struktur er vist i figur 6. Designprincip for thyristor-bue-dempningskredsløb: Under afbrydelsen af hjælpekontakten dannes en bue. For at forhindre, at buen bliver for stor og skader kontakten, er et thyristor-bue-dempningskredsløb forbundet parallel med hjælpekontakten for at absorbere buen. Det specifikke kredsløbsdesign er vist i figur 7, hvor kontakter 1, 2, 3, og 4 alle er hjælpekontaktkontakter. (Kontakter 1 og 2 bruges til at kontrollere tænd/sluk for thyristor-bue-dempningskredsløbet, og kontakter 3 og 4 bruges til at kontrollere tænd/sluk for hovedmotorkredsløbet. Det er sat, at kontakter 1 og 2 afbrydes efter kontakter 3 og 4 for at opnå formålet med bue-dempning). 2.3.2 Funktionen af friktionskoplingen Friktionskoplingen beskytter motoren under enhver abnorm drift. Når højspændingsafbryderen er på plads efter lukning, afbrydes hovedmotorkredsløbet hurtigt. Men på grund af mekanisk rotatorisk inertie, kan motoren ikke stoppe med det samme. I dette øjeblik fungerer friktionskoplingen som en kraftabsorberende komponent. Den gør det muligt for friktionsgear att idling, dissiperer motorens mekaniske inertie, og sikrer præcis positionering af højspændingsafbryderen under åbning- og lukningsoperationer. Desuden kan ved at justere fasthed af fjeder, friktionsmomentet ændres for at passende til åbning- og lukningsoperationer for forskellige afbrydere. Friktionskoplingen er vist i figur 8. Forskelene mellem det foreslåede design og CJx-type elektriske driftsmekanismer Det foreslåede design eliminerer elektriske komponenter som rejsekredsløbskontakter og grænsekontakter, reducerer ustabilitetsfaktorer, og forbedrer pålideligheden af den elektriske driftsmechanisme. Det fjerner også terminalblokken med mange kontakter, forenkler kablingskredsløbet. Med et moduldesign forbinder kun fem kabler de to moduler, hvilket betydeligt forbedrer fejlreparations-effektiviteten. Desuden kan det danne flere beskyttelseslag med termomagnetiske kredsløbsbrydere og eksisterende elektroniske motorebeskyttelsesenheder. Selv hvis det elektriske styringskredsløb mislykkes, sikrer mekanisk låsesystem og friktionskopling motorens sikkerhed. Friktionskoplingen modvirker kraften fra motorinertien, og mekanisk låsesystem forhindrer grænsestopper fra at "rebounce", hvilket sikrer præcis åbning og lukning af højspændingsafbryderen og beskytter dens integritet. Desuden minimaliserer motorstarten uden last startstrømmen, undgår udstyrsskok, og forlænger driftsmechanismens levetid. 3 Eksperimentel verificering I overensstemmelse med relevante standarder som "Højspændings AC-afbrydere og jordingsbrydere" og "Almene tekniske krav til højspændings AC-brydere og styringsudstyr", forbedrer kombinationen af et mekanisk låsesystem og en friktionskopling yderligere åbning- og lukningsnøjagtigheden af afbryderen. I forhold til CJx-serie elektriske driftsmekanismer, tilbyder det højere pålidelighed og sikkerhed. Fejlregistrering gennem flere åbning- og luknings-tester og vinkelafvigelsesmålinger mellem grænsestopper og grænsebolde viser, at de er tæt sammenhængende, med en faktisk bearbejdningfejl inden for 1°, fuldt ud opfylder teknologiske standarder. Den faktiske position er vist i figur 9. 4 Konklusion
Oversigt og forskningsstatus for højspændingsafbryderfejl
Som en af de vigtigste enheder i strømnet, er pålidelighed og sikkerhed af driftsmechanismer for højspændingsafbrydere af allerhøjeste vigtighed. Denne artikel tager den elektriske driftsmechanisme som forskningsobjekt, udfører en detaljeret design og analyse af dens fordelt kontrolmetode, og verificerer det gennem eksperimenter, og opnår de forventede resultater.Basert på konceptet om fordelt kontrol, drives motoren af hovedcontrolleren for at sikre og præcis kontrollere åbning- og lukningsoperationer af højspændingsafbrydere.
Med et moduldesign tilgang, er den elektriske driftsmechanisme hovedsageligt opdelt i en elektrisk styringsmodule og en motorstyringsmodule, hvilket reducerer kompleksiteten af kablings og forbedrer vedligeholdelseshastigheden.Et mekanisk låsesystem er oprettet. I kombination med de specielle strukturer af Siemens-hjælpekontakten og friktionskoplingen, er åbning- og lukningsnøjagtigheden af afbryderen blevet forbedret.
