Высоковольтные разъединители и неисправности механизмов управления
Высоковольтные разъединители (ВР) являются важными коммутационными устройствами в электрических сетях, которые в основном используются для изоляции источников питания в сочетании с выключателями. С предложением "цифровых сетей", непрерывным прогрессом в технологии высоковольтных коммутационных аппаратов и расширением китайской энергосети, применение ВР значительно увеличилось как по количеству, так и по разнообразию. Электрический привод, ключевой компонент, контролирующий переключения ВР, требует исключительной надежности и стабильности.
ВР имеют высокий процент отказов среди высоковольтного оборудования, причем основная причина неисправностей заключается в механизмах управления. Общие неисправности механизмов управления включают отказ переключения, оперативные сбои и неполное открытие/закрытие. Уход механизма управления, когда двигатель продолжает работать, может привести к серьезным отключениям электроэнергии в сетевом оборудовании. Из этих проблем, неисправности открытия/закрытия (включая отказ переключения, неполную работу и низкую точность переключения) значительно влияют на устойчивость сети.
Исследования показывают, что отказы ВР, вызванные электрическими приводами, в основном происходят из-за проблем вторичных цепей, таких как сбои управления из-за некачественных электрических компонентов или ослабленных соединений во вторичной цепи. Для широко используемых CJx-типа электрических приводов внутренние двигатели защищены термомагнитными автоматическими выключателями и электронными устройствами защиты двигателей. Будучи длительное время экспонированными на открытом воздухе, эти механизмы поддерживают рабочее положение в течение 3-6 лет после ввода в эксплуатацию, но их электрические компоненты управления хрупки и очень подвержены воздействию окружающей среды.
Длительная эксплуатация может ослабить конечные выключатели и болты, что приводит к неполному переключению, если это остается незамеченным (например, 5-градусное отклонение позиции, показанное на рисунке 1, представляет риск для сети). Конечные выключатели, играющие важную роль в переходах процесса переключения, страдают от окисления контактов и сокращения срока службы вследствие воздействия окружающей среды.
Обзор и текущее состояние исследований отказов высоковольтных разъединителей
Вкратце, основные причины отказов при открытии/закрытии высоковольтных разъединителей (ВР) можно разделить на два типа: сбои электрической цепи управления и сбои механической системы. В данной статье акцент сделан на электрическую цепь управления, которая в основном включает сбои цепи двигателя, неисправности конечных выключателей и проблемы вторичных цепей. Анализ показывает, что высокие показатели отказов при переключении в основном связаны с сбоями двигателей и вторичных цепей, что значительно влияет на работу ВР. Таким образом, решение вопросов безопасности и надежности механизмов управления ВР является срочной задачей.
1. Текущее состояние исследований высоковольтных разъединителей
Соответствующие исследователи и инженеры провели обширные исследования указанных выше проблем и предложили конструктивные решения, которые можно свести к двум ключевым аспектам:
1.1 Текущее состояние исследований сбоев вторичных цепей
Множество исследований было посвящено проблемам электрических компонентов во вторичных цепях. Недостаточная герметизация корпуса привода позволяет проникать дождевой воде, что приводит к коррозии компонентов, отказу вспомогательных выключателей/реле, ослаблению контактов кнопок и механическим зажимам, что приводит к отказу переключения или неполному выполнению операции. Предложенные решения включают регулярное обслуживание, защиту от влаги и блок-схемы для быстрого устранения неисправностей.
Для механического износа, такого как деформированные штифты, ослабленные болты конечных выключателей или изношенные винты из-за инерции двигателя, рекомендуются частые осмотры и своевременное устранение дефектов. Противоокислительные материалы предлагают для корродированных соединений проводов, а методы проверки напряжения/сопротивления помогают диагностировать неисправности вторичных цепей, улучшая эффективность устранения неисправностей с помощью записи дефектов. Предлагаются нагревательные устройства для борьбы с проблемами, вызванными влажностью, такими как смещение вспомогательных выключателей и плохой контакт в электрических приводах.
Однако существующие исследования лишь перечисляют точки отказов и акцентируют внимание на обслуживании без фундаментальных решений, что отражает низкое внимание к вторичным цепям. Персонал технического обслуживания часто недооценивает электрические компоненты по сравнению с механическими, и незнание структуры и принципов работы вторичных компонентов, вместе с игнорированием регулярных осмотров, являются косвенными причинами отказов.
1.2 Текущее состояние исследований точности переключения
Для повышения точности переключения и уменьшения механической инерции ученые улучшили управление двигателем, разработав приводы на основе бесколлекторных двигателей постоянного тока (БДПТ) и двигателей с постоянными магнитами (ДПМ). Механизм ВР на основе БДПТ с ядром DSP и стратегией двойного замкнутого контура управления показал эффективное регулирование скорости переключения. Аналогичные методы для мониторинга скорости в реальном времени обеспечивают плавную работу и улучшают точность закрытия, создавая основу для развития умных сетей. Стоит отметить, что эти разработки пока находятся на стадии теоретических исследований и лабораторных симуляций, и их надежность в практическом применении еще не доказана.
2 Распределенная схема проектирования электрических приводов
На основе вышеуказанного анализа основной причиной отказов механизмов управления является низкая надежность электрической цепи управления, которая сильно подвержена воздействию окружающей среды. Задержка в обслуживании или другие проблемы могут повредить электрические компоненты, приводя к отказам переключения. В ответ на это в данной работе предлагается распределенная схема проектирования электрических приводов.
2.1 Концепция распределенного управления электрическими приводами
Распределенное управление разделяет всю систему на отдельные сегменты, каждый из которых независимо контролируется главным контроллером. Этот дизайн разделяет модуль электрического управления и модуль привода двигателя:
Учитывая переменный внешний климат и чувствительность кабелей, используется стратегия временного разделения кабелей на основе принципа многократного использования TRIZ. Поскольку цепи управления двигателем и индикации положения разъединителя не требуют одновременной активации, этот подход позволяет передавать сигналы для управления двигателем и индикации положения разъединителя с использованием только 5 кабелей. Это значительно снижает влияние внешней среды на электрический привод. Общая концепция управления распределенным электрическим приводом показана на рисунке 2.
2.2 Проектирование модулей распределенного управления
Широко применяемые серии CJx-электрических приводов спроектированы с интегрированными электрическими и механическими компонентами, работающими на открытом воздухе круглый год в фиксированной конфигурации с момента ввода в эксплуатацию. Такая интеграция является ключевым фактором, способствующим высокому уровню отказов. Модульный дизайн нарушает эту всеобъемлющую наружную установку, разделяя механизм на два отдельных модуля: модуль электрического управления и модуль механического привода.
Модульный дизайн предлагает явные преимущества: он позволяет модуль электрического управления разместить в условиях стабильной температуры, значительно уменьшая влияние окружающей среды на операции переключения ВР; и минимизирует количество проводов между модулями, позволяя быстро заменять неисправные модули, приоритизируя "замену-первым, ремонт-позже" для повышения эффективности обслуживания и сокращения простоев сети.
2.2.1 Модуль электрического управления
Модуль электрического управления включает в себя главный контроллер, переключатель открытия/закрытия, реле, цепи индикации положения и защиту от потери фаз, как показано в концепции дизайна на рисунке 3.
Логика управления работает следующим образом: сигнал переключения (открытие/закрытие) от кнопки отправляется контроллеру, который регулирует работу двигателя в соответствии с командой. Когда ВР находится в открытом состоянии, активируется цепь открытого положения, включая индикатор. Нажатие кнопки закрытия запускает контроллер, который включает основное реле двигателя и реле переключения цепи закрытия, приводя ВР в закрытое положение. По завершении работы реле двигателя выключается, активируя цепь закрытого положения и индикатор. Защита от потери фаз обеспечивает безопасность цепи двигателя с функцией таймера, отключая основную цепь в случае сбоев в установленное время.
2.2.2 Модуль привода двигателя
Модуль привода двигателя в основном состоит из двигателя переменного тока, редуктора, трения муфты, вспомогательного выключателя Siemens, цепи подавления дуги тиристорами, конечных выключателей и механического замка. Когда главный контроллер отправляет команду открытия/закрытия, активируется цепь управления двигателем, приводя редуктор и основной вал через двигатель для выполнения операций переключения. Конечные выключатели на верхней части основного вала, в сочетании с механическим замком, контролируют точность положения переключения. В то же время вспомогательный выключатель Siemens вместе с цепью подавления дуги тиристорами отключает цепь управления двигателем, останавливая его работу. Угловой запас в 90 градусов между редуктором и основным валом позволяет двигателю начинать работу без нагрузки. Внешний вид модуля привода двигателя показан на рисунке 4.
2.3 Решение для точности закрытия разъединителя
Закрытие является критическим шагом для высоковольтного коммутационного оборудования. Недостаточная точность закрытия может повлиять на стабильную работу всей энергетической системы. Для дальнейшего улучшения точности открытия и закрытия электрического привода в этом дизайне используется механическое запирающее устройство, в сочетании с вспомогательным выключателем Siemens и трением муфты, что улучшает точность до определенного уровня.
2.3.1 Вспомогательный выключатель Siemens и цепь подавления дуги тиристорами
Вспомогательный выключатель подключен к основной цепи двигателя для контроля включения/выключения цепи двигателя. Вспомогательный выключатель не подвержен коррозии из-за внешних воздействий, а его внутренний механизм трения предотвращает случайные замыкания. Контакты используют пружинный штифт и жесткую оболочку для обеспечения стабильных и надежных соединений. Конкретная структура показана на рисунке 6.
Принцип проектирования цепи подавления дуги тиристорами: При отключении вспомогательного выключателя возникает дуга. Чтобы предотвратить слишком большое образование дуги, которая может повредить выключатель, параллельно вспомогательному выключателю подключена цепь подавления дуги тиристорами для поглощения дуги. Конкретная схема показана на рисунке 7, где контакты 1, 2, 3 и 4 — это все контакты вспомогательного выключателя. (Контакты 1 и 2 используются для контроля включения/выключения цепи подавления дуги тиристорами, а контакты 3 и 4 — для контроля включения/выключения основной цепи двигателя. Установлено, что контакты 1 и 2 отключаются после контактов 3 и 4, чтобы достичь цели подавления дуги).
2.3.2 Функция трения муфты
Трение муфты защищает двигатель при любых аномальных условиях работы. После того, как высоковольтный разъединитель встает на место после закрытия, основная цепь двигателя быстро отключается. Однако из-за механической инерции вращения двигатель не может немедленно остановиться. В этот момент трение муфты действует как компонент, снимающий нагрузку. Оно позволяет зубчатому колесу вращаться свободно, рассеивая механическую инерцию двигателя и обеспечивая точное позиционирование высоковольтного разъединителя при открытии и закрытии. Кроме того, путем регулировки натяжения пружины можно изменить трение, чтобы соответствовать операциям открытия и закрытия различных разъединителей. Трение муфты показано на рисунке 8.
Преимущества предложенной схемы по сравнению с CJx-типом электрических приводов
Предложенный дизайн исключает электрические компоненты, такие как конечные выключатели и концевые выключатели, уменьшая факторы нестабильности и повышая надежность электрического привода. Он также удаляет клеммную коробку с множеством контактов, упрощая проводную схему. С модульным дизайном только пять кабелей соединяют два модуля, значительно улучшая эффективность устранения неисправностей. Кроме того, он может формировать несколько защитных слоев с термомагнитными автоматическими выключателями и существующими электронными устройствами защиты двигателей. Даже если электрическая цепь управления выйдет из строя, механическое запирающее устройство и трение муфты обеспечат безопасность двигателя. Трение муфты противодействует силе от механической инерции двигателя, а механическое запирающее устройство предотвращает "отскок" конечного выключателя, обеспечивая точное открытие и закрытие высоковольтного разъединителя и защищая его целостность. Кроме того, пуск двигателя без нагрузки минимизирует пусковой ток, избегая ударных нагрузок на оборудование и продлевая срок службы механизма управления.
3 Экспериментальная проверка
Соблюдая соответствующие стандарты, такие как "Высоковольтные разъединители и заземляющие выключатели переменного тока" и "Общие технические требования к высоковольтному коммутационному оборудованию переменного тока", комбинация механического запирающего устройства и трения муфты дополнительно улучшает точность открытия и закрытия разъединителя. По сравнению с серией CJx электрических приводов, она обеспечивает более высокую надежность и безопасность. Обнаружение ошибок, проведя множество тестов на открытие и закрытие, а также измерив угловое отклонение между конечным выключателем и концевым винтом, показало, что они точно совпадают, с фактической погрешностью обработки в пределах 1°, полностью соответствуя технологическим стандартам. Фактическое положение показано на рисунке 9.
4 Заключение
Как один из ключевых элементов энергетической сети, надежность и безопасность механизма управления высоковольтных разъединителей имеют первостепенное значение. В данной работе в качестве объекта исследования взят электрический привод, проведен подробный дизайн и анализ его распределенного метода управления, а также проведена экспериментальная проверка, достигнув ожидаемых результатов.На основе концепции распределенного управления двигатель управляется главным контроллером, обеспечивая безопасное и точное управление открытием и закрытием высоковольтных разъединителей.
С модульным подходом к проектированию электрический привод в основном делится на модуль электрического управления и модуль привода двигателя, что уменьшает сложность проводки и повышает скорость обслуживания.Установлено механическое запирающее устройство. В сочетании с особыми конструкциями вспомогательного выключателя Siemens и трения муфты, точность открытия и закрытия разъединителя была улучшена.
