Hoogspanningsafschakelaars en storingen in het bedieningsmechanisme
Hoogspanningsafsluiters (HVDs) zijn cruciale schakelapparaten in elektriciteitsnetwerken, voornamelijk gebruikt om energiebronnen te isoleren in combinatie met stroomonderbrekers. Met de introductie van "digitale netwerken", continue vooruitgang in hoogspanningschakelaartechnologie en de uitbreiding van het Chinese elektriciteitsnetwerk, is er een toename gezien in zowel de hoeveelheid als de diversiteit van HVD-toepassingen. Het elektrische bedieningsmechanisme, een essentieel onderdeel dat de schakelbewegingen van HVD's regelt, vereist uitzonderlijke betrouwbaarheid en stabiliteit.
HVD's hebben een hoge foutfrequentie onder hoogspanningsapparatuur, waarbij de bedieningsmechanismen de belangrijkste oorzaak van storingen zijn. Algemene bedieningsmechanismestoringen omvatten weigering om te schakelen, functioneringsfouten en onvolledige opening/sluiting. Een doorlopen van het bedieningsmechanisme - waarbij de motor blijft lopen - kan leiden tot grote stroomuitval in netwerkinfrastructuur. Onder deze, opening/sluiting fouten (inclusief weigering om te schakelen, onvolledige bewerking en lage schakelaccurate) hebben een significante invloed op de netstabiliteit.
Onderzoek wijst uit dat HVD-fouten veroorzaakt door elektrische bedieningsmechanismen voornamelijk voortkomen uit secundaire circuitproblemen, zoals besturingsfouten door slechte kwaliteit van elektrische componenten of losse verbindingen in het secundaire circuit. Voor wijdverspreide CJx-type elektrische bedieningsmechanismen worden de interne motoren beschermd door thermomagnetische stroomonderbrekers en elektronische motorknoppen. Langdurig blootgesteld aan buitenlucht, behouden deze mechanismen hun werkhouding gedurende 3-6 jaar na inbedrijfstelling, maar hun elektrische besturingselementen zijn kwetsbaar en zeer gevoelig voor omgevingsfactoren.
Langdurige werking kan eindschakelaars en bouten losser maken, wat leidt tot onvolledige schakeling indien niet opgemerkt (bijvoorbeeld, de 5° positieafwijking in figuur 1 brengt risico's voor het net mee). Reisschakelaars, cruciaal voor overgangen in het schakelproces, lijden onder oxidatie van contacten en verkorting van levensduur door omgevingsinvloeden.
Samenvatting en Onderzoeksstatus van Hoogspanningsafsluiter Fouten
Samengevat kunnen de primaire oorzaken van openen/sluiten fouten in hoogspanningsafsluiters (HVD) worden gecategoriseerd in twee typen: elektrische besturingscircuitfouten en mechanische systeemfouten. Dit artikel richt zich op het elektrische besturingscircuit, dat voornamelijk bestaat uit motorcircuitfouten, eindschakelaar storingen en secundaire circuitproblemen. Analyse toont aan dat hoge schakelfoutpercentages vooral worden toegeschreven aan motoren en secundaire circuitfouten, die aanzienlijk de werking van HVD's beïnvloeden. Daarom is het dringend noodzakelijk de veiligheid en betrouwbaarheid van HVD-bedieningsmechanismen op te lossen.
1. Onderzoeksstatus van Hoogspanningsafsluiters
Relevante onderzoekers en ingenieurs hebben uitgebreide studies verricht naar bovenstaande problemen en constructieve oplossingen voorgesteld, samengevat in twee belangrijke aspecten:
1.1 Onderzoeksstatus van Secundaire Circuit Fouten
Talloze studies hebben de elektrische componentproblemen in secundaire circuits behandeld. Slechte afsluiting van de bedieningsmechanismehuisjes laat regenwater toe, wat leidt tot corrosie van componenten, hulpknoppen/relaisfouten, losse knopcontacten en mechanische verstoppingen - wat resulteert in weigering om te schakelen of onvolledige bewerking. Voorgestelde oplossingen omvatten regelmatige onderhoudsmaatregelen, vochtbescherming en foutstromen voor snelle probleemoplossing.
Voor mechanische slijtage zoals vervormde pennen, losse eindschroeven of versleten bouten door motortrilling, wordt aanbevolen regelmatige inspecties en tijdige defecteliminatie. Anti-oxidatie materialen worden voorgesteld voor verroeste draadverbindingen, terwijl spanning/weerstandstestmethoden helpen bij het diagnosticeren van secundaire circuitfouten - versterkt door defectregistratie om de efficiëntie van probleemoplossing te verbeteren. Verwarmingsapparatuur is voorgesteld om vochtgerelateerde problemen zoals hulpknopmisplaatst en slechte contacten in elektrische bedieningsmechanismen te tackelen.
Echter, bestaande studies lijsten slechts foutpunten op en benadrukken onderhoud zonder fundamentele oplossingen, wat weinig aandacht weerspiegelt voor secundaire circuits. Onderhoudspersoneel waarderen vaak elektrische componenten minder dan mechanische delen, en onbekendheid met secundaire componentstructuren/principes - gecombineerd met verwaarloosde regelmatige inspecties - zijn indirecte oorzaken van fouten.
1.2 Onderzoeksstatus van Schakelaccurate Problemen
Om schakelaccurate en mechanische trillingen te tackelen, hebben wetenschappers de motoraansturing verbeterd door borstelloze gelijkstroommotoren (BLDC) en permanente magneet synchrone motoren (PMSM) te ontwerpen. Een BLDC-gebaseerd HVD-mechanisme met een DSP-kern en dubbele gesloten lus controlestrategie heeft effectieve schakelsnelheidsregulatie getoond. Vergelijkbare methoden voor real-time snelheidsmonitoring zorgen voor vlotte werking en verbeterde sluitaccurate, leggen een fundament voor de ontwikkeling van slimme netwerken. Merk op dat deze ontwerpen nog steeds in theorie en laboratoriumsimulaties zijn, met onbewezen betrouwbaarheid in praktische toepassingen.
2 Gedistribueerd Elektrisch Bedieningsmechanisme Ontwerp Scheme
Op basis van de bovenstaande analyse is de primaire oorzaak van bedieningsmechanisme fouten de slechte betrouwbaarheid van het elektrische besturingscircuit, dat zeer gevoelig is voor omgevingsfactoren. Vertraagd onderhoud of andere problemen kunnen elektrische componenten beschadigen, wat leidt tot schakelfouten. Als reactie hierop stelt dit artikel een gedistribueerd ontwerp voor elektrische bedieningsmechanismen voor.
2.1 Gedistribueerde Controle Concept voor Elektrische Bedieningsmechanismen
Gedistribueerde controle verdeelt het hele systeem in afzonderlijke segmenten, elk onafhankelijk gecontroleerd door een hoofdcontroller. Dit ontwerp scheurt het elektrische besturingsmodule los van het motordrive module:
Met inachtneming van de variabele buitenomgeving en de gevoeligheid van kabels, wordt een tijdsdeling gedeelde kabelstrategie toegepast op basis van TRIZ's principe van meervoudig gebruik. Aangezien motorbesturingscircuits en schakelstatusindicatiecircuits geen simultane activering nodig hebben, stelt deze benadering signalen voor beide motorbesturing en afsluiterpositie-indicatie mogelijk met slechts 5 kabels. Dit vermindert aanzienlijk externe omgevingsinvloeden op het elektrische bedieningsmechanisme. Het algemene controleconcept van het gedistribueerde elektrische bedieningsmechanisme wordt weergegeven in Figuur 2.
2.2 Ontwerp van Gedistribueerde Controle Modules
De wijdverspreide CJx-serie elektrische bedieningsmechanismen zijn ontworpen met geïntegreerde elektrische en mechanische componenten, werkend het hele jaar door in de buitenlucht in een vaste configuratie sinds inbedrijfstelling. Deze integratie is een belangrijke factor die bijdraagt aan hun hoge foutpercentage. Het modulaire ontwerp doorbreekt deze alles-in-één buitenopstelling door het mechanisme te splitsen in twee afzonderlijke modules: een elektrisch besturingsmodule en een mechanische aandrijfmodule.
Het modulaire ontwerp biedt duidelijke voordelen: het stelt het elektrische besturingsmodule in staat om gehuisvest te worden in een temperatuurstabiele omgeving, wat aanzienlijk de omgevingsinvloeden op HVD-schakelbewerkingen reduceert; en het minimaliseert de bedrading tussen de modules, waardoor defecte modules snel kunnen worden vervangen - prioriteit geven aan "eerst vervangen, later repareren" om de onderhoudsefficiëntie te verhogen en de netwerkdown-time te verminderen.
2.2.1 Elektrisch Besturingsmodule
Het elektrische besturingsmodule bestaat uit een hoofdcontroller, open/sluit-overdrachtschakelaar, relais, positieindicatiecircuits en een fase-out-bescherming, zoals weergegeven in het ontwerpconcept in Figuur 3.
De besturingslogica werkt als volgt: een schakel signaal (open/sluit) van de knop wordt naar de controller gestuurd, die de motoraansturing reguleert op basis van het commando. Wanneer de HVD in de open staat is, activeert het open-circuit, waardoor de indicator oplicht. Het indrukken van de sluitknop activeert de controller om de hoofdmotorrelais en de sluitcircuit-overdrachtschakelaar in te schakelen, waardoor de HVD sluit. Na voltooiing de-energieert de motorrelais, waardoor het sluitcircuit en de indicator actief worden. De fase-out-bescherming beschermt het motocircuit met timerfunctie, waardoor het hoofdcircuit binnen een bepaalde tijd wordt afgesloten in geval van fouten.
2.2.2 Motor Drive Module
Het motordrive module bestaat voornamelijk uit een wisselstroommotor, een snelheidsreducer, een wrijvingskoppling, een Siemens hulpknop, een thyristorboogonderdrukkingscircuit, eindstops en een mechanisch vergrendelingsmechanisme. Wanneer de hoofdcontroller een open/sluit-commando verzendt, wordt het motoraansturingscircuit geactiveerd, waardoor de snelheidsreducer en de hoofdas via de motor voor schakelbewerkingen worden aangedreven. Eindstops aan de bovenkant van de hoofdas, in combinatie met het mechanische vergrendelingsmechanisme, controleren de schakelpositieaccurate. Tegelijkertijd werkt de Siemens hulpknop samen met het thyristorboogonderdrukkingscircuit om het motoraansturingscircuit te ontkoppelen, waardoor de motoraansturing wordt gestopt. Een rotatiemarge van 90 graden bij de verbinding tussen de snelheidsreducer en de hoofdas maakt starten van de motor zonder belasting mogelijk. Het uiterlijk van het motordrive module wordt weergegeven in Figuur 4.
2.3 Oplossing voor Afsluiter Sluit Accurate
Het sluiten is een cruciale stap voor hoogspanningsschakelapparatuur. Onvoldoende sluitaccurate kan de stabiele werking van het hele energie-systeem beïnvloeden. Om de openen en sluiten accurates van het elektrische bedieningsmechanisme verder te verbeteren, maakt dit ontwerp gebruik van een mechanisch vergrendelingsmechanisme, in combinatie met een Siemens hulpknop en een wrijvingskoppling, om de accurate tot een zekere graad te verbeteren.
2.3.1 Siemens Hulpknop en Thyristor Boogonderdrukkingscircuit
De hulpknop is verbonden met het hoofdmotorcircuit om de aan- en uitgeschakeld van het motorcircuit te regelen. De hulpknop roest niet gemakkelijk door externe omgevingsinvloeden, en het interne wrijvingsmechanisme voorkomt onbedoelde sluitingen. De contacten gebruiken een veerversterkte pen en een harde mantel om stabiele en betrouwbare verbindingen te garanderen. De specifieke structuur is weergegeven in Figuur 6.
Ontwerp Principe van Thyristor Boogonderdrukkingscircuit: Tijdens het ontkoppelen van de hulpknop ontstaat een boog. Om te voorkomen dat de boog te groot wordt en de schakelaar beschadigt, wordt een thyristorboogonderdrukkingscircuit parallel aan de hulpknop aangesloten om de boog op te nemen. Het specifieke circuitontwerp is weergegeven in Figuur 7, waarin contacten 1, 2, 3 en 4 allemaal hulpknopcontacten zijn. (Contacten 1 en 2 worden gebruikt om de aan- en uitgeschakeld van het thyristorboogonderdrukkingscircuit te regelen, en contacten 3 en 4 worden gebruikt om de aan- en uitgeschakeld van het hoofdmotorcircuit te regelen. Het is ingesteld dat contacten 1 en 2 pas na contacten 3 en 4 worden losgekoppeld om het doel van boogonderdrukking te bereiken).
2.3.2 Functie van de Wrijvingskoppling
De wrijvingskoppling beschermt de motor onder elke abnormale werkomstandigheid. Zodra de hoogspanningsafsluiter na sluiten op zijn plaats is, wordt het hoofdmotorcircuit snel ontkoppeld. Echter, vanwege mechanische rotatie-inertia, kan de motor niet onmiddellijk stoppen. Op dat moment fungeert de wrijvingskoppling als een kracht-oplossend component. Het stelt de wrijvingswielen in staat om te idlen, waardoor de mechanische inertia van de motor wordt gedissipeerd en de exacte positie van de hoogspanningsafsluiter tijdens openen en sluiten wordt gegarandeerd. Bovendien kan de wrijvingskracht worden aangepast door de strakheid van de veer te verstellen, zodat het geschikt is voor de openen en sluiten van verschillende afsluiters. De wrijvingskoppling is weergegeven in Figuur 8.
Voordelen van het Ontworpen Schema ten opzichte van CJx-type Elektrische Bedieningsmechanismen
Het voorgestelde ontwerp elimineert elektrische componenten zoals reisschakelaars en eindschakelaars, wat instabiliteitsfactoren vermindert en de betrouwbaarheid van het elektrische bedieningsmechanisme verhoogt. Het verwijdert ook de terminalblok met talrijke contacten, waardoor het bedradingcircuit wordt vereenvoudigd. Met een modulair ontwerp zijn slechts vijf kabels nodig om de twee modules te verbinden, wat de fout-reparatiesnelheid aanzienlijk verbetert. Bovendien kan het meerdere beschermingslagen vormen met thermomagnetische stroomonderbrekers en bestaande elektronische motorknoppen. Zelfs als het elektrische besturingscircuit faalt, zorgen het mechanische vergrendelingsmechanisme en de wrijvingskoppling voor de veiligheid van de motor. De wrijvingskoppling neutraliseert de kracht van de motor-inertia, en het mechanische vergrendelingsmechanisme voorkomt dat de eindstop "terugspringt", waardoor de nauwkeurige openen en sluiten van de hoogspanningsafsluiter wordt gegarandeerd en de integriteit ervan wordt beschermd. Bovendien minimaliseert het starten van de motor zonder belasting de startstroom, waardoor apparatuurschok wordt voorkomen en de levensduur van het bedieningsmechanisme wordt verlengd.
3 Experimentele Verificatie
In overeenstemming met relevante normen zoals "Hoogspannings AC Afsluiters en Aardingsschakelaars" en "Algemene Technische Eisen voor Hoogspannings AC Schakelapparatuur en Beheersapparatuur", verbetert de combinatie van een mechanisch vergrendelingsmechanisme en een wrijvingskoppling de openen en sluiten accurates van de afsluiter verder. In vergelijking met de CJx-serie elektrische bedieningsmechanismen biedt het een hogere betrouwbaarheid en veiligheid. Foutdetectie, door middel van meerdere openen en sluiten tests en hoekafwijkingmetingen tussen de eindstop en de eindschroef, toont aan dat ze nauwkeurig zijn afgestemd, met een werkelijke bewerkingsfout binnen 1°, volledig voldoende aan de technologische normen. De werkelijke positie wordt weergegeven in Figuur 9.
4 Conclusie
Als een van de belangrijkste apparatuur in het elektriciteitsnet, zijn de betrouwbaarheid en veiligheid van het bedieningsmechanisme van hoogspanningsafsluiters van het grootste belang. Dit artikel neemt het elektrische bedieningsmechanisme als onderzoeksobject, voert een gedetailleerd ontwerp en analyse uit van de gedistribueerde controlemethode, en verifieert het door middel van experimenten, met de verwachte resultaten.Op basis van het concept van gedistribueerde controle, wordt de motor aangedreven door de hoofdcontroller om de openen en sluiten bewerkingen van hoogspanningsafsluiters veilig en nauwkeurig te regelen.
Met een modulaire ontwerpaanpak, wordt het elektrische bedieningsmechanisme voornamelijk verdeeld in een elektrisch besturingsmodule en een motordrive module, waardoor de complexiteit van de bedrading wordt verminderd en de onderhoudssnelheid wordt verbeterd.Er is een mechanisch vergrendelingsmechanisme opgezet. In combinatie met de speciale structuren van de Siemens hulpknop en de wrijvingskoppling, is de openen en sluiten accurate van de afsluiter verbeterd.
