Hochspannungs-Auslöseschalter und Betriebsmechanismusausfälle
Hochspannungs-Schaltvorrichtungen (HVDs) sind entscheidende Schaltgeräte in Stromnetzen und werden hauptsächlich zur Isolierung von Energiequellen in Verbindung mit Schaltstufen verwendet. Mit dem Vorschlag für "digitale Netze", den ständigen Fortschritten in der Hochspannungsschalttechnologie und der Ausdehnung des chinesischen Stromnetzes haben sich die Anwendungen von HVDs sowohl in Menge als auch in Vielfalt stark erhöht. Die elektrische Betriebsmechanik, eine wichtige Komponente, die die Schaltbewegungen von HVDs steuert, erfordert außergewöhnliche Zuverlässigkeit und Stabilität.
HVDs haben einen hohen Ausfallanteil unter Hochspannungsausrüstungen, wobei die Betriebsmechaniken die Hauptursache für Fehlfunktionen sind. Häufige Fehlfunktionen der Betriebsmechanik umfassen Weigerung zum Schalten, Betriebsfehler und unvollständiges Öffnen/Schließen. Ein Durchdrehen der Betriebsmechanik, bei dem der Motor weiterläuft, kann zu großen Stromausfällen in Netzgeräten führen. Darunter haben Öffnen/Schließen-Fehler (einschließlich Weigerung zum Schalten, unvollständige Operation und geringe Schaltgenauigkeit) einen erheblichen Einfluss auf die Netzstabilität.
Studien zeigen, dass HVD-Ausfälle, die durch elektrische Betriebsmechaniken verursacht werden, überwiegend aus Problemen im Sekundärkreis resultieren, wie Steuerfehler aufgrund minderwertiger elektrischer Bauteile oder lockerer Verbindungen im Sekundärkreis. Für weit verbreitete CJx-Typ-Elektrische Betriebsmechaniken werden die internen Motoren durch thermomagnetische Schaltzüge und elektronische Motorschutzgeräte geschützt. Langfristig im Freien ausgesetzt, behalten diese Mechaniken ihre Betriebspositionen 3-6 Jahre nach Inbetriebnahme, aber ihre elektrischen Steuerkomponenten sind empfindlich und sehr anfällig gegenüber Umweltfaktoren.
Lange Betriebsdauer können Grenzschalter und Bolzen lockern, was zu unvollständigem Schalten führt, wenn es nicht bemerkt wird (z.B. die 5°-Positionsaufweichung in Abbildung 1 stellt ein Netzrisiko dar). Reiseschalter, die für den Übergang beim Schaltprozess entscheidend sind, leiden unter oxidierten Kontakten und verkürzter Lebensdauer aufgrund umwelteinflüssen.
Zusammenfassung und Forschungsstand der Fehler von Hochspannungs-Schaltvorrichtungen
Zusammengefasst lassen sich die Hauptursachen für Öffnen/Schließen-Fehler von Hochspannungs-Schaltvorrichtungen (HVDs) in zwei Kategorien einteilen: Elektrische Steuerkreisfehler und mechanische Systemfehler. Dieser Artikel konzentriert sich auf den elektrischen Steuerkreis, der hauptsächlich Motorkreisfehler, Fehlfunktionen von Grenzschaltern und Probleme im Sekundärkreis beinhaltet. Die Analyse zeigt, dass hohe Schaltfehlerraten vor allem auf Motoren- und Sekundärkreisfehler zurückzuführen sind, die den Betrieb von HVDs erheblich beeinflussen. Daher ist es dringend erforderlich, die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Betriebsmechaniken von HVDs zu verbessern.
1. Forschungsstand der Hochspannungs-Schaltvorrichtungen
Relevante Forscher und Ingenieure haben umfangreiche Studien zu den oben genannten Themen durchgeführt und konstruktive Lösungen vorgeschlagen, die in zwei wesentlichen Aspekten zusammengefasst sind:
1.1 Forschungsstand der Sekundärkreisfehler
Viele Studien haben elektrische Bauteilprobleme im Sekundärkreis untersucht. Eine schlechte Abdichtung des Gehäuses der Betriebsmechanik ermöglicht das Eindringen von Regenwasser, was zu Korrosion von Komponenten, Versagen von Hilfsschaltern/Relais, lockerem Kontakt von Tastern und mechanischen Blockierungen führt, was wiederum zu einer Weigerung zum Schalten oder unvollständigen Operation führt. Vorgeschlagene Lösungen umfassen regelmäßige Wartung, Feuchteschutzmaßnahmen und Fehlersuchdiagramme für schnelle Fehlersuche.
Für mechanisches Verschleiß wie verformte Nadeln, lockere Grenzbolzen oder verschlissene Schrauben aufgrund der Trägheit des Motors werden Maßnahmen wie häufige Inspektionen und zeitgemäße Beseitigung von Defekten empfohlen. Antioxidationsmaterialien werden für korrodierte Kabelverbindungen vorgeschlagen, während Spannungs/Widerstands-Testmethoden helfen, Sekundärkreisfehler zu diagnostizieren, was durch Defektprotokollierung verbessert wird, um die Fehlersucheffizienz zu erhöhen. Heizeinrichtungen wurden vorgeschlagen, um Feuchtigkeitsbedingungen wie Fehljustage von Hilfsschaltern und schlechten Kontakt in elektrischen Betriebsmechaniken zu bewältigen.
Allerdings beschränken sich bestehende Studien darauf, Fehlerpunkte aufzulisten und die Wartung zu betonen, ohne grundlegende Lösungen anzubieten, was den geringen Aufmerksamkeitsschwerpunkt auf den Sekundärkreis widerspiegelt. Wartungspersonal schätzt oft elektrische Komponenten im Vergleich zu mechanischen Teilen gering ein, und die Unvertrautheit mit Strukturen und Prinzipien sekundärer Komponenten, kombiniert mit vernachlässigten regelmäßigen Inspektionen, sind indirekte Fehlerursachen.
1.2 Forschungsstand der Schaltgenauigkeitsprobleme
Um die Schaltgenauigkeit und mechanische Trägheit zu verbessern, haben Forscher die Motorkontrolle durch die Entwicklung von bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC) und Permanentmagnetsynchronmotoren (PMSM) verbessert. Ein BLDC-basierter HVD-Mechanismus mit DSP-Kern und dualer Regelkreisstrategie hat sich als effektiv zur Regulierung der Schaltgeschwindigkeit erwiesen. Ähnliche Methoden zur Echtzeit-Geschwindigkeitsüberwachung sorgen für reibungslosen Betrieb und verbesserte Schaltgenauigkeit, legen den Grundstein für die Entwicklung intelligenter Netze. Beachtenswert ist, dass diese Entwürfe noch im Stadium der theoretischen Forschung und Laboratoriumssimulationen stehen, mit unbestätigter Zuverlässigkeit in praktischen Anwendungen.
2 Verteilter Entwurf für elektrische Betriebsmechaniken
Basierend auf der obigen Analyse ist die Hauptursache für Betriebsmechanikfehler die mangelnde Zuverlässigkeit des elektrischen Steuerkreises, der sehr anfällig für Umweltfaktoren ist. Verzögerte Wartung oder andere Probleme können elektrische Komponenten beschädigen, was zu Schaltfehlern führt. Als Antwort darauf schlägt dieser Artikel einen verteilten Entwurf für elektrische Betriebsmechaniken vor.
2.1 Verteiltes Steuerkonzept für elektrische Betriebsmechaniken
Verteilte Steuerung teilt das gesamte System in separate Segmente, die jeweils unabhängig von einem Hauptsteuergerät gesteuert werden. Dieser Entwurf trennt das elektrische Steuermodul vom Motortreibmodul:
Angesichts der variablen Außenumgebung und der Anfälligkeit der Kabel wird eine Zeitmultiplex-Kabelstrategie basierend auf dem TRIZ-Prinzip der Mehrfachnutzung angewendet. Da Motorkontrollkreise und Schaltstatusanzeigekreise nicht gleichzeitig aktiviert werden müssen, ermöglicht dieser Ansatz die Signalübertragung für Motorkontrolle und Positionsanzeige der Schaltvorrichtung mit nur fünf Kabeln. Dies reduziert erheblich die externen Umweltbeeinflussungen auf die elektrische Betriebsmechanik. Das Gesamtsteuerkonzept der verteilten elektrischen Betriebsmechanik wird in Abbildung 2 dargestellt.
2.2 Entwurf verteilter Steuermodule
Die weit verbreiteten CJx-Reihen elektrischer Betriebsmechaniken sind mit integrierten elektrischen und mechanischen Komponenten ausgelegt und operieren seit der Inbetriebnahme jahresweit im Freien in fester Konfiguration. Diese Integration ist ein Schlüssel für ihren hohen Ausfallrate. Der modulare Entwurf stört diese alles-in-einem Freiluftaufstellung, indem er die Mechanik in zwei getrennte Module aufteilt: ein elektrisches Steuermodul und ein mechanisches Antriebsmodul.
Der modulare Entwurf bietet klare Vorteile: Er ermöglicht es, das elektrische Steuermodul in einer temperaturstabilisierten Umgebung unterzubringen, was die Umweltbeeinflussungen auf HVD-Schaltschaltungen erheblich reduziert; und er minimiert die Verkabelung zwischen den Modulen, was den schnellen Austausch defekter Module ermöglicht - Priorität auf "Erst austauschen, dann reparieren" um die Wartungseffizienz zu erhöhen und die Netzunterbrechungen zu reduzieren.
2.2.1 Elektrisches Steuermodul
Das elektrische Steuermodul besteht aus einem Hauptsteuergerät, einem Öffnen/Schließen-Umschaltknopf, Relais, Positionsanzeigekreisen und einem Phasenausfallschutz, wie in dem Entwurfskonzept in Abbildung 3 dargestellt.
Die Steuerlogik funktioniert wie folgt: Ein Schaltsignal (Öffnen/Schließen) vom Knopf wird an das Steuergerät gesendet, das den Motorenbetrieb gemäß dem Befehl regelt. Wenn die HVD im geöffneten Zustand ist, aktiviert sich der offene Positionskreis und beleuchtet den Anzeiger. Drücken des Schließen-Knopfs löst den Controller aus, um das Hauptmotorrelais und das Schließkreis-Umschaltrelais zu aktivieren, um die HVD zu schließen. Nach Abschluss deenergiert sich das Motorrelais, aktiviert den geschlossenen Positionskreis und den Anzeiger. Der Phasenausfallschutz schützt den Motorkreis mit Timerfunktion, um den Hauptkreis innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens bei Fehlern zu trennen.
2.2.2 Motortreibmodul
Das Motortreibmodul besteht hauptsächlich aus einem Wechselstrommotor, einem Geschwindigkeitsreducer, einem Reibkopplung, einem Siemens-Hilfsschalter, einem Thyristor-Bogenlöschkreis, Grenzstopps und einem mechanischen Verriegelungsgerät. Wenn das Hauptsteuergerät einen Öffnen/Schließen-Befehl sendet, wird der Motorkontrollkreis aktiviert, der den Geschwindigkeitsreducer und die Hauptwelle über den Motor für Schaltoperationen antreibt. Grenzstopps am oberen Ende der Hauptwelle, in Verbindung mit dem mechanischen Verriegelungsgerät, kontrollieren die Schaltstellengenauigkeit. Gleichzeitig arbeitet der Siemens-Hilfsschalter mit dem Thyristor-Bogenlöschkreis, um den Motorkontrollkreis zu trennen und den Motorenbetrieb zu stoppen. Ein Spiel von 90 Grad an der Verbindung zwischen Geschwindigkeitsreducer und Hauptwelle ermöglicht den Leerlaufstart des Motors. Das Aussehen des Motortreibmoduls ist in Abbildung 4 dargestellt.
2.3 Lösung für die Schaltgenauigkeit der Schaltvorrichtung
Die Schließaktion ist ein entscheidender Schritt für Hochspannungsschaltanlagen. Unzureichende Schaltgenauigkeit kann den stabilen Betrieb des gesamten Energiesystems beeinträchtigen. Um die Öffnen- und Schließen-Genauigkeit der elektrischen Betriebsmechanik weiter zu verbessern, setzt dieser Entwurf ein mechanisches Verriegelungsgerät ein, in Verbindung mit einem Siemens-Hilfsschalter und einem Reibkopplung, um die Genauigkeit in gewissem Maße zu verbessern.
2.3.1 Siemens-Hilfsschalter und Thyristor-Bogenlöschkreis
Der Hilfsschalter ist an den Hauptmotorkreis angeschlossen, um den Ein- und Ausschaltvorgang des Motorkreises zu steuern. Der Hilfsschalter ist nicht anfällig für Rost aufgrund externer Umweltbeeinflussungen, und sein interner Reibmechanismus verhindert zufällige Schließvorgänge. Die Kontakte verwenden eine federbelastete Nadel und einen harten Mantel, um stabile und zuverlässige Verbindungen sicherzustellen. Die spezifische Struktur ist in Abbildung 6 dargestellt.
Entwurfsprinzip des Thyristor-Bogenlöschkreises: Beim Trennen des Hilfsschalters entsteht ein Bogen. Um zu verhindern, dass der Bogen zu groß wird und den Schalter beschädigt, wird ein Thyristor-Bogenlöschkreis parallel zum Hilfsschalter angeschlossen, um den Bogen zu absorbieren. Der spezifische Kreisentwurf ist in Abbildung 7 dargestellt, wobei Kontakte 1, 2, 3 und 4 alle Kontakte des Hilfsschalters sind. (Kontakte 1 und 2 dienen zur Steuerung des Ein- und Ausschaltvorgangs des Thyristor-Bogenlöschkreises, und Kontakte 3 und 4 dienen zur Steuerung des Ein- und Ausschaltvorgangs des Hauptmotorkreises. Es ist so eingestellt, dass Kontakte 1 und 2 nach Kontakten 3 und 4 getrennt werden, um das Ziel der Bogenschaltung zu erreichen).
2.3.2 Funktion der Reibkopplung
Die Reibkopplung schützt den Motor unter allen abnormen Betriebsbedingungen. Sobald die Hochspannungs-Schaltvorrichtung nach dem Schließen in Position ist, wird der Hauptmotorkreis schnell getrennt. Aufgrund der mechanischen Drehmomentträge kann der Motor jedoch nicht sofort stoppen. In diesem Moment wirkt die Reibkopplung als Kraftabsorber. Sie ermöglicht es, dass das Reibrad leer läuft, um das mechanische Drehmoment des Motors abzugeben und die präzise Positionierung der Hochspannungs-Schaltvorrichtung während der Öffnen- und Schließen-Operationen sicherzustellen. Zusätzlich kann durch die Anpassung der Federkraft das Reibmoment angepasst werden, um den Öffnen- und Schließen-Vorgängen verschiedener Schaltvorrichtungen gerecht zu werden. Die Reibkopplung ist in Abbildung 8 dargestellt.
Vorteile des vorgeschlagenen Entwurfs gegenüber CJx-Typ elektrischen Betriebsmechaniken
Der vorgeschlagene Entwurf eliminiert elektrische Komponenten wie Reiseschalter und Grenzschalter, reduziert Instabilitätsfaktoren und erhöht die Zuverlässigkeit der elektrischen Betriebsmechanik. Er entfernt auch den Endblock mit zahlreichen Kontakten, vereinfacht den Verkabelungskreis. Mit einem modularen Design sind nur fünf Kabel erforderlich, um die beiden Module zu verbinden, was die Fehlerbehebungseffizienz erheblich verbessert. Darüber hinaus kann es mehrere Schutzschichten mit thermomagnetischen Schaltzügen und vorhandenen elektronischen Motorschutzgeräten bilden. Selbst wenn der elektrische Steuerkreis fehlschlägt, stellen das mechanische Verriegelungsgerät und die Reibkopplung die Motorsicherheit sicher. Die Reibkopplung neutralisiert die Kraft des motorischen Drehmomentes, und das mechanische Verriegelungsgerät verhindert, dass der Grenzstopper "zurückspringt", was die präzise Öffnen- und Schließen-Operation der Hochspannungs-Schaltvorrichtung und deren Integrität gewährleistet. Zudem minimiert der Leerlaufstart des Motors den Startstrom, vermeidet Geräteschocks und verlängert die Lebensdauer der Betriebsmechanik.
3 Experimentelle Überprüfung
In Übereinstimmung mit relevanten Normen wie "Hochspannungs-Wechselstrom-Schaltvorrichtungen und Erdungs-Schaltvorrichtungen" und "Gemeinsame technische Anforderungen an Hochspannungs-Wechselstrom-Schaltanlagen und -Steueranlagen" verbessert die Kombination aus mechanischem Verriegelungsgerät und Reibkopplung die Öffnen- und Schließen-Genauigkeit der Schaltvorrichtung weiter. Im Vergleich zu den CJx-Reihen elektrischer Betriebsmechaniken bietet sie höhere Zuverlässigkeit und Sicherheit. Die Fehlererkennung durch mehrere Öffnen- und Schließen-Tests und Winkelabweichungsmessungen zwischen dem Grenzstopper und dem Grenzschraube zeigt, dass sie eng übereinstimmen, mit einem tatsächlichen Bearbeitungsfehler von weniger als 1°, was vollständig den technologischen Standards entspricht. Die tatsächliche Position ist in Abbildung 9 dargestellt.
4 Schlussfolgerung
Als eines der wichtigsten Geräte im Stromnetz sind die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Betriebsmechanik von Hochspannungs-Schaltvorrichtungen von größter Bedeutung. In diesem Artikel wird die elektrische Betriebsmechanik als Forschungsobjekt genommen, ihr verteiltes Steuerkonzept detailliert entworfen und analysiert und durch Experimente überprüft, wobei die erwarteten Ergebnisse erreicht wurden.Basierend auf dem Konzept der verteilten Steuerung wird der Motor durch das Hauptsteuergerät sicher und genau gesteuert, um die Öffnen- und Schließen-Operationen der Hochspannungs-Schaltvorrichtungen zu kontrollieren.
Mit einem modularen Designansatz wird die elektrische Betriebsmechanik hauptsächlich in ein elektrisches Steuermodul und ein Motortreibmodul unterteilt, was die Verkabelungskomplexität reduziert und die Wartungsgeschwindigkeit verbessert.Ein mechanisches Verriegelungsgerät wurde eingerichtet. In Kombination mit den speziellen Strukturen des Siemens-Hilfsschalters und der Reibkopplung wurde die Öffnen- und Schließen-Genauigkeit der Schaltvorrichtung verbessert.
