Høyspenningsavkoplingsbrytere og feil i driftsmekanismer
Høyspenningsavkoplingsbrytere (HVD) er viktige bryterenheter i kraftnett, hovedsakelig brukt for å isolere strømkilder sammen med strømbrytere. Med innføringen av "digitale nett", kontinuerlige fremskritt i høyspenningsbryterteknologi og utvidelsen av Kinas kraftnett, har HVD-applikasjoner økt både i mengde og mangfold. Den elektriske driftsmekanismen, en viktig komponent som styrer HVD-brytingsbevegelser, krever eksepsjonell pålitelighet og stabilitет.
HVD-er representerer en høy feilfrekvens blant høyspenningsutstyr, med driftsmekanismer som den primære årsaken til feil. Vanlige feil i driftsmekanismer inkluderer nektet bryting, driftsavbrudd og ufullstendig åpning/lukking. Rensning av driftsmechanismen – der motoren fortsetter å kjøre – kan føre til store strømnedbrudd i nettutstyr. Av disse, åpning/lukking feil (inkludert nektet bryting, ufullstendig operasjon og lav brytingsnøyaktighet) påvirker betydelig nettets stabilitет.
Forskning viser at HVD-feil forårsaket av elektriske driftsmekanismer hovedsakelig skyldes sekundærsirkuitsproblemer, som styresvinger på grunn av dårlig kvaliterte elektriske komponenter eller løse koblinger i sekundærsirkuitet. For ofte brukte CJx-type elektriske driftsmekanismer, er interne motorer beskyttet av termomagnetiske strømbrytere og elektroniske motorsikringer. Utlevert over lengre tid ute, beholder disse mekanismene operasjonsstillstander i 3–6 år etter innsetting, men de elektriske styringskomponentene er skjørt og sterkt sårbare for miljøfaktorer.
Langvarig drift kan løsne grenseswitcher og bolt, som kan føre til ufullstendig bryting hvis det ikke oppdages (for eksempel, 5° posisjonsavviket i figur 1 utgjør risiko for nettet). Reiseswitcher, som er viktige for overgangene i brytingsprosessen, lider av oksiderte kontakter og forkortet levetid på grunn av miljøpåvirkninger.
Sammendrag og forskningsstatus for høyspenningsavkoplingsbryterfeil
Samlet sett kan de primære årsakene til åpning/lukking feil i høyspenningsavkoplingsbrytere (HVD) inndeler seg i to typer: elektriske styringssirkitsfeil og mekaniske systemfeil. Dette dokumentet fokuserer på elektriske styringssirkiter, som hovedsakelig inkluderer motorsirkitsfeil, grenseswitchfeil og sekundærsirkitsproblemer. Analyse viser at høy frekvens av brytingsfeil hovedsakelig skyldes motor- og sekundærsirkitsfeil, som påvirker betydelig HVD-drift. Dermed er det akutt å løse sikkerheten og påliteligheten av HVD-driftsmekanismer.
1. Forskningsstatus for høyspenningsavkoplingsbrytere
Relevante forskere og ingeniører har utført omfattende studier av de ovennevnte problemene og foreslått konstruktive løsninger, summeret i to nøkkelpunkter:
1.1 Forskningsstatus for sekundærsirkitsfeil
Mange studier har behandlet elektriske komponentproblemer i sekundærsirkiter. Dårlig tettning av driftsmechanisme-boksen tillater regnvannsintrang, som fører til korrosjon av komponenter, hjelpeswitch/reléfeil, løse kontaktknapper og mekanisk blokkering – noe som fører til nektet bryting eller ufullstendig operasjon. Foreslåtte løsninger inkluderer regelmessig vedlikehold, fuktbeskyttelse og feilflytplaner for rask feilsøking.
For mekanisk slitasje som deformerte pinner, løse grensebolt eller slitte skruer på grunn av motorinertie, anbefales ofte inspeksjoner og rask feilretting. Antioksidantmaterialer foreslås for korroderte koblepunkter, mens spenning/motstandstestmetoder hjelper med å diagnostisere sekundærsirkitsfeil – forbedret med feillogg for å øke effektiviteten i feilsøking. Oppvarmningsenheter har blitt foreslått for å håndtere fuktighetssporerte problemer som misjustering av hjelpeswitcher og dårlig kontakt i elektriske driftsmekanismer.
Imidlertid listar eksisterende studier bare feilpunkter og legger vekt på vedlikehold uten fundamentale løsninger, som reflekterer lav oppmerksomhet på sekundærsirkiter. Vedlikeholdsansatte verdsetter ofte elektriske komponenter mindre enn mekaniske deler, og ukjennskap med sekundærsirkitsstrukturen/prinsipp – kombinert med oversettelse av regelmessige inspeksjoner – er indirekte årsaker til feil.
1.2 Forskningsstatus for brytingsnøyaktighetsproblemer
For å løse brytingsnøyaktighet og mekanisk inertie, har forskere forbedret motorstyring ved å designe brushless direktestrommotor (BLDC) og permanent magnet synkronmotor (PMSM) driftsmekanismer. En BLDC-basert HVD-mekanisme med DSP-kjerne og dobbelt lukket løkkekontrollstrategi har vist effektiv regulering av brytingshastighet. Liknende metoder for sanntidsføringsovervåking sikrer jevn drift og forbedret lukking nøyaktighet, som legger grunnlag for smart grid-utvikling. Merk at disse designene fremdeles er i teoretisk forskning og laboratorie-simulering fase, med ubekreftet pålitelighet i praksis.
2 Distribuert elektrisk driftsmechanisme designtiltak
Basert på ovennevnte analyse, er den primære årsaken til driftsmechanisme-feil dårlig pålitelighet i den elektriske styringssirkiten, som er sterkt sårbart for miljøfaktorer. Forsinket vedlikehold eller andre problemer kan skade elektriske komponenter, som fører til brytingsfeil. I respons på dette, foreslår denne artikkelen et distribuert design for elektriske driftsmekanismer.
2.1 Distribuert styringskonsept for elektriske driftsmekanismer
Distribuert styring deler hele systemet inn i separate segmenter, hver styrt uavhengig av en hovedkontroller. Dette designet skiller den elektriske styringsmodulen fra motordrivmodulen:
Med tanke på variabelt utendørs miljø og kabelsårbarhet, er en tidsfordeling delt kabelstrategi valgt basert på TRIZ-prinsippet om flerbruk. Siden motorkontrollsirkiter og bryterstatusindikatorsirkiter ikke trenger samtidig aktivering, lar denne tilnærmingen signaloverføring for både motorstyring og avkoplingsbryterposisjon angivelse med bare 5 kabler. Dette reduserer betydelig ytre miljøpåvirkninger på den elektriske driftsmechanismen. Det overordnede styringskonseptet for den distribuerte elektriske driftsmechanismen er illustrert i figur 2.
2.2 Design av distribuerte styringsmoduler
De ofte brukte CJx-serien elektriske driftsmekanismer er designet med integrerte elektriske og mekaniske komponenter, som opererer utendørs året rundt i en fast konfigurasjon siden innsetting. Denne integreringen er en viktig faktor som bidrar til deres høye feilfrekvens. Modulært design bryter med denne all-i-én utendørsoppsettet ved å dele mekanismen inn i to separate moduler: en elektrisk styringsmodul og en mekanisk drivmodul.
Modulært design gir klare fordeler: det lar den elektriske styringsmodulen være plassert i et temperaturstabilisert miljø, noe som reduserer betydelig miljøpåvirkninger på HVD-brytingsoperasjoner; og det minimiserer kabelforing mellom moduler, som gjør det mulig å hurtigt bytte ut defekte moduler – med prioritet på "erstatte først, reparere senere" for å forbedre vedlikeholds-effektivitet og redusere nettdowntime.
2.2.1 Elektrisk styringsmodul
Den elektriske styringsmodulen består av en hovedkontroller, åpne/lukke overføringsswitch, reléer, posisjonsindikator-sirkiter og en fasemangelsikring, som er uthevd i designkonseptet i figur 3.
Styringslogikken fungerer slik: et brytingsignal (åpne/lukke) fra knappen sendes til kontrolleren, som regulerer motordrift basert på kommandoen. Når HVD-en er i åpen tilstand, aktiveres åpent posisjonssirkit, som tenger indikatoren. Trykk på lukkeknappen utløser kontrolleren til å engasjere hovedmotorrelé og lukkeoverføringsrelé, som drev HVD-en til å lukkes. Etter fullført drift, deenergiseres motorrelé, som aktiverer lukket posisjonssirkit og indikator. Fasemangelsikringen beskytter motor-sirkiten med timerfunksjonalitet, som frakobler hovedsirkiten innen en spesifisert tidsperiode i tilfelle feil.
2.2.2 Motor drive modul
Motor drive modulen består hovedsakelig av en AC-motor, hastighetsbegrenser, friksjonkoppling, Siemens-hjelpeswitch, thyristor bueslukningskrets, stopppunkter, og mekanisk låseenhet. Når hovedkontrolleren sender en åpne/lukke kommando, aktiveres motor kontrollkretsen, som drev hastighetsbegrenseren og hovedakselen via motoren for brytingsoperasjoner. Stopppunkter på toppen av hovedakselen, i kombinasjon med mekanisk låseenhet, kontrollerer brytingsposisjonens nøyaktighet. Samtidig jobber Siemens-hjelpeswitchen sammen med thyristor bueslukningskretsen for å frakoble motor kontrollkretsen, stoppe motordrift. En 90-graders rotasjonsspire mellom hastighetsbegrenseren og hovedakselen tillater tomstart av motoren. Utseendet av motor drive modulen er vist i figur 4.
2.3 Løsning for avkoplingsbryter lukking nøyaktighet
Lukkingshandlingen er et viktig trinn for høyspenningsbrytere. Ufullstendig lukking nøyaktighet kan påvirke stabil drift av hele strømsystemet. For å videre forbedre åpning/lukking nøyaktighet av elektriske driftsmekanismer, bruker dette designet en mekanisk låseenhet, i kombinasjon med en Siemens-hjelpeswitch og en friksjonkoppling, for å forbedre nøyaktigheten til en viss grad.
2.3.1 Siemens-hjelpeswitch og thyristor bueslukningskrets
Hjelpeswitchen er koblet til hovedmotor-sirkiten for å kontrollere av/på av motor-sirkiten. Hjelpeswitchen er ikke benævnet for rust på grunn av ytre miljøpåvirkninger, og dens interne friksjonmekanisme forhindrer uhellslukking. Kontaktpunktene bruker en fjærbelasted pinne og en hard slede for å sikre stabile og pålitelige forbindelser. Den spesifikke strukturen er vist i figur 6.
Designprinsipp for thyristor bueslukningskrets: Under kopling av hjelpeswitchen, genereres en buelue. For å unngå at bueluen blir for stor og skader switchen, er en thyristor bueslukningskrets koblet parallelt med hjelpeswitchen for å absorbere bueluen. Det spesifikke krettsdesignet er vist i figur 7, hvor kontaktpunkter 1, 2, 3, og 4 er alle hjelpeswitch-kontaktpunkter. (Kontaktpunkter 1 og 2 brukes for å kontrollere av/på av thyristor bueslukningskretsen, og kontaktpunkter 3 og 4 brukes for å kontrollere av/på av hovedmotor-sirkiten. Det er satt at kontaktpunkter 1 og 2 frakobles etter kontaktpunkter 3 og 4 for å oppnå formålet med bueslukning).
2.3.2 Funksjon av friksjonkoppling
Friksjonkopplingen beskytter motoren under enhver uvanlig driftsforhold. Når høyspenningsavkoplingsbryteren er på plass etter lukking, frakobles hovedmotor-sirkiten raskt. Imidlertid, på grunn av mekanisk rotasjonsinertie, kan motoren ikke stoppe umiddelbart. I dette øyeblikket virker friksjonkopplingen som en belastningslettende komponent. Den tillater friksjonhjulet å idles, dissipere motorens mekaniske inerti, og sikre nøyaktig posisjonering av høyspenningsavkoplingsbryteren under åpning/lukking operasjoner. I tillegg, ved å justere spenningen på fjæren, kan friksjonmomentet endres for å passe ulike avkoplingsbrytere. Friksjonkopplingen er vist i figur 8.
Fordeler med det foreslåtte designet sammenlignet med CJx-type elektriske driftsmekanismer
Det foreslåtte designet fjerner elektriske komponenter som reiseswitcher og grenseswitcher, reduserer ustabilitetsfaktorer og forbedrer påliteligheten av elektriske driftsmekanismer. Det fjerner også terminalblokken med mange kontakter, forenkler kabelløsningen. Med et modulært design, forbinder kun fem kabler de to modulene, noe som forbedrer feilreparasjons-effektiviteten betydelig. I tillegg kan det danne flere beskyttelseslag med termomagnetiske strømbrytere og eksisterende elektroniske motorsikringer. Selv om den elektriske styringssirkiten mislykkes, sikrer mekanisk låseenhet og friksjonkoppling motormens sikkerhet. Friksjonkopplingen motarbeider kraften fra motor mekanisk inerti, og mekanisk låseenhet forhindrer grenseswitchen fra å "reboundere", som sikrer nøyaktig åpning/lukking av høyspenningsavkoplingsbryteren og beskytter dens integritet. I tillegg, minimerer motorens tomstart startstrømmen, unngår utstyrshytte, og forlenger driftsmechanismens levetid.
3 Eksperimentell verifisering
I henhold til relevante standarder som "Høyspenningsalternativ avkoplingsbrytere og jordbrytere" og "Felles tekniske krav for høyspenningsalternativ strømbrytere og styring", forbedrer kombinasjonen av en mekanisk låseenhet og en friksjonkoppling ytterligere åpning/lukking nøyaktighet av avkoplingsbryteren. Sammenlignet med CJx-serien elektriske driftsmekanismer, gir det høyere pålitelighet og sikkerhet. Feildeteksjon, gjennom flere åpning/lukking tester og vinkelavviksmålinger mellom grenseswitchen og grenseskruen, viser at de er tett sammenlignede, med en faktisk bearbeidingsfeil innen 1°, fullt tilfredsstillende teknologiske standarder. Den faktiske posisjonen er vist i figur 9.
4 Konklusjon
Som ett av de viktigste utstyrene i kraftnett, er påliteligheten og sikkerheten av driftsmechanismen for høyspenningsavkoplingsbrytere av største viktighet. Denne artikkelen tar elektriske driftsmekanismer som forskningsobjekt, utfører detaljert design og analyse av dens distribuerte styringsmetode, og verifiserer det gjennom eksperimenter, og oppnår forventede resultater.Basert på konseptet om distribuert styring, drives motoren av hovedkontrolleren for å trygt og nøyaktig kontrollere åpning/lukking operasjoner av høyspenningsavkoplingsbrytere.
Med et modulært designtilnærming, er elektriske driftsmekanismer hovedsakelig delt inn i en elektrisk styringsmodul og en motordrivmodul, som reduserer kompleksiteten av kabelføring og forbedrer vedlikeholds-hastighet.En mekanisk låseenhet er satt opp. I kombinasjon med spesielle strukturer av Siemens-hjelpeswitchen og friksjonkopplingen, har åpning/lukking nøyaktighet av avkoplingsbryteren blitt forbedret.
