Visokonapetostni preklopniki in nezadovoljivo delovanje mehanizmov
Visokonapetostni preklopniki (HVD) so ključni preklopni napravi v električnih omrežjih, predvsem uporabljani za izolacijo virov električne energije v kombinaciji z prekinitvenimi ventili. S predlogom "digitalnih omrežij", stalnimi napredki v tehnologiji visokonapetostnih preklopnikov in razširjanjem električnega omrežja v Kini se je povečala uporaba HVD-jev v količini in raznolikosti. Električni pogonski mehanizem, ki je ključna komponenta za nadzor gibanja HVD-jev, zahteva izjemno zanesljivost in stabilnost.
HVD-ji imajo visoko stopnjo odpovedi med visokonapetostnim opremo, pri čemer so pogonski mehanizmi glavni vzrok nezadovoljivosti. Pogosti defekti pogonskih mehanizmov vključujejo odpor do preklopa, operacijske nezadostnosti in nepopoln preklop/odpreklop. Bežanje pogonskega mehanizma – ko motor nadaljuje s delovanjem – lahko povzroči velike odključitve v opremi omrežja. Med temi, nezadostnosti odpreklopa/preklopa (vključno s prepovedjo preklopa, nepopolnim delovanjem in nizko točnostjo preklopa) znatno vplivajo na stabilnost omrežja.
Raziskave kažejo, da so defekti HVD-jev, povzročeni električnimi pogonskimi mehanizmi, predvsem posledica težav v sekundarnih vezovnicah, kot so kontrolne nezadostnosti zaradi slabo kakovostnih električnih komponent ali rahle vezav v sekundarni vezovnici. Za široko uporabljane CJx tipove električnih pogonskih mehanizmov so notranji motorji zaščiteni z termomagnetnimi prekinitvenimi ventili in elektronskimi zaščitnimi napravami za motorje. Dolgoročna izpostavljenost zunanjemu okolju teh mehanizmov, ki ohranjajo operacijske postavitve 3–6 let po uvedbi, pa njihove električne kontrole komponente ostajajo krhke in zelo občutljive na okoljske dejavnike.
Dolgotrajno delovanje lahko rahla končne preklopne ventile in vintne vezave, kar vodi do nepopolnega preklopa, če ni zaznana (na primer, 5° odstopanje položaja na Sliki 1 predstavlja tveganje za omrežje). Potni preklopniki, ključni za prehode med fazami preklopa, trpejo zaradi oksidiranja stikov in skrajšanega življenjskega časa zaradi vpliva okolja.
Povzetek in stanje raziskav glede defektov visokonapetostnih preklopnikov
V skladu z zgornjim, glavni vzroki nezadostnosti odpreklopa/preklopa visokonapetostnih preklopnikov (HVD) se lahko razdelijo na dva tipa: defekte v električni kontrolni vezovnici in mehanski sistemske defekte. Ta prispevek se osredotoča na električno kontrolno vezovnico, ki vključuje predvsem defekte v motorjevih vezovnicah, defekte potnih preklopnikov in defekte v sekundarnih vezovnicah. Analiza kaže, da so visoke stopnje nezadostnosti preklopa predvsem posledica defektov motorjev in sekundarnih vezovnic, kar znatno vpliva na delovanje HVD-jev. Torej, reševanje varnosti in zanesljivosti pogonskih mehanizmov HVD-jev je nujno.
1. Stanje raziskav visokonapetostnih preklopnikov
Relevantni raziskovalci in inženirji so na zgornje težave opravili obsežne raziskave in predlagali konstruktivne rešitve, ki so povzročene v dveh ključnih vidikih:
1.1 Stanje raziskav defektov sekundarnih vezovnic
Številne raziskave so obravnavale težave električnih komponent v sekundarnih vezovnicah. Slaba zategnitev skrinjice pogonskega mehanizma omogoča vstop deževnice, kar povzroča korozijo komponent, nezadostnosti pomožnih preklopnikov/releja, rahle stike gumbov in mehanske zamke – kar vodi do odpovedi preklopa ali nepopolnega delovanja. Predlagane rešitve vključujejo redno vzdrževanje, zaščito pred vlago in sheme tokov za hitro iskanje nezadostnosti.
Za mehansko sijanje, kot so deformirani pinovi, rahli vezavni vinti ali strgani vinti zaradi motorne inertnosti, se priporoča pogosta pregledovanja in pravočasno odpravljanje defektov. Za korodirane stikove žic se predlagajo protikorozijski materiali, medtem ko metode testiranja napetosti/otpora pomagajo pri diagnosticiranju defektov v sekundarnih vezovnicah – okrepiti zapisovanje defektov za izboljšanje učinkovitosti iskanja nezadostnosti. Predlagane so bile segrevale naprave za reševanje težav, povzročenih vlago, kot so neskladje pomožnih preklopnikov in slabi stiki v električnih pogonskih mehanizmih.
Toda obstoječe raziskave le naštijo točke defektov in poudarjajo vzdrževanje brez temeljnih rešitev, kar kaže na nizko pozornost k sekundarnim vezovnicam. Osebje za vzdrževanje pogosto podcenjuje električne komponente v primerjavi z mehanskimi deli, neznajanje struktur/principov sekundarnih komponent ter zanemarjanje rednih pregledov so neizravni vzroki defektov.
1.2 Stanje raziskav točnosti preklopa
Za reševanje točnosti preklopa in mehanske inertnosti so raziskovalci izboljšali nadzor motorja z dizajnom pogonskih mehanizmov brezčetnih enosmerne tokometričnih motorjev (BLDC) in trajno magnetnih sinhronih motorjev (PMSM). BLDC-baziran mehanizem HVD z jedrom DSP in strategijo dvoinc ciklona nadzora je pokazal učinkovito regulacijo hitrosti preklopa. Podobne metode za hiter nadzor hitrosti zagotavljajo gladko delovanje in izboljšano točnost zapiranja, kar postavlja osnovo za razvoj pametnih omrežij. Opomba, ti dizajni so še v fazi teoretičnih raziskav in laboratorijskih simulacij, z nedokazano zanesljivostjo v praktičnih aplikacijah.
2 Shema distribuiranega električnega pogonskega mehanizma
Na podlagi zgornje analize je glavni vzrok defektov pogonskih mehanizmov slaba zanesljivost električne kontrolne vezovnice, ki je zelo občutljiva na okoljske dejavnike. Zakašnjenje z vzdrževanjem ali druge težave lahko poškodujejo električne komponente, kar vodi do odpovedi preklopa. V odgovor na to, ta prispevek predlaga distribuiran dizajn električnih pogonskih mehanizmov.
2.1 Koncept distribuiranega nadzora za električne pogonske mehanizme
Distribuiran nadzor razdeli celoten sistem na ločene segmente, vsak samostojno nadzira glavni nadzornik. Ta dizajn loči električni nadzorno modul od pogonskega modula motorja:
Upoštevaje variabilno zunanje okolje in občutljivost kabl, se uporablja strategija deljenja časa kabl na podlagi TRIZ principa večnamenske uporabe. Ker vezovnice nadzora motorja in vezovnice kazalca položaja preklopnika ne potrebujejo hkratnega vklopa, ta pristop omogoča prenos signala za nadzor motorja in indikacijo položaja preklopnika z uporabo le 5 kablov. To znatno zmanjša vpliv zunanje okolja na električni pogonski mehanizem. Splošen koncept nadzora distribuiranega električnega pogonskega mehanizma je prikazan na Sliki 2.
2.2 Dizajn distribuiranih nadzornih modulov
Široko uporabljeni serije CJx električnih pogonskih mehanizmov so dizajnirani z integriranimi električnimi in mehanskimi komponentami, ki delujejo na prostem celo leto v fiksni konfiguraciji od uvedbe. Ta integracija je ključni dejavnik, ki prispeva k njihovi visoki stopnji odpovedi. Modulski dizajn prekine to eno-celek nastanek na prostem z razdelitvijo mehanizma na dva ločena modula: električni nadzorno modul in mehanski pogonski modul.
Modulski dizajn ponuja jasne prednosti: omogoča, da je električni nadzorno modul postavljen v stabiliziranem temperaturnem okolju, kar znatno zmanjša vpliv okolja na operacije preklopa HVD-jev; in minimizira vezave med moduli, omogoča hitro zamenjavo defektne modul – prednost "najprej zamenjaj, nato popravi" za izboljšanje učinkovitosti vzdrževanja in zmanjšanje časa nedelovanja omrežja.
2.2.1 Električni nadzorno modul
Električni nadzorno modul vključuje glavni nadzornik, preklopni ventil za odpiranje/zapiranje, releji, vezovnice indikacije položaja in zaščitni ventil za fazonedostanek, kot je opisano v konceptu dizajna na Sliki 3.
Nadzorna logika deluje takole: signal preklopa (odpiranje/zapiranje) iz gumba je poslan nadzorniku, ki nadzira delovanje motorja glede na ukaz. Ko je HVD v odprtém stanju, aktivira vezovnica odprtéga položaja indikator. Pritisnite gumb za zapiranje, ki aktivira nadzornik, da vklopi glavni relej motorja in relej za prenos vezovnice zapiranja, kar poganja HVD v zaprti položaj. Po zaključku se relej motorja izklopi, aktivira vezovnica zaprtéga položaja in indikator. Zaščitni ventil za fazonedostanek varuje vezovnico motorja z funkcijo časomerja, ki prekine glavno vezovnico v določenem časovnem okviru v primeru defektov.
2.2.2 Pogonski modul motorja
Pogonski modul motorja predvsem vključuje AC motor, zmanjševalnik hitrosti, trenje spoj, pomožni preklopnik Siemens, tiristor arksoodvračna vezovnica, končne preklopne ventile in mehansko zaklepno napravo. Ko glavni nadzornik pošlje ukaz za odpiranje/zapiranje, se aktivira vezovnica nadzora motorja, ki poganja zmanjševalnik hitrosti in glavni valj preko motorja za operacije preklopa. Končni preklopniki na vrhu glavnega valja, v kombinaciji z mehansko zaklepno napravo, nadzirajo točnost položaja preklopa. Srednjetočim sodeluje pomožni preklopnik Siemens s tiristor arksoodvračno vezovnico, da prekine vezovnico nadzora motorja, ustavi delovanje motorja. Rotacijski rezerv 90 stopinj na povezavi med zmanjševalnikom hitrosti in glavnim valjem omogoča bezzaračni zagon motorja. Izgled pogonskega modula motorja je prikazan na Sliki 4.
2.3 Rešitev za točnost zapiranja preklopnika
Dejanje zapiranja je ključen korak za visokonapetostno opremo. Nezadostna točnost zapiranja lahko vpliva na stabilno delovanje celotnega električnega sistema. Za dodatno izboljšanje točnosti odpiranja in zapiranja električnega pogonskega mehanizma ta dizajn uporablja mehansko zaklepno napravo, v kombinaciji s pomožnim preklopnikom Siemens in trenje spoj, da izboljša točnost do določene mere.
2.3.1 Pomožni preklopnik Siemens in tiristor arksoodvračna vezovnica
Pomožni preklopnik je povezan z glavno vezovnico motorja za nadzor vklopa/izklopa vezovnice motorja. Pomožni preklopnik ni podvržen rodu zaradi vpliva zunanje okolja, njegov notranji trenje mehanizem preprečuje nenamerne zapiranja. Stiki uporabljajo prazno natančen pin in trdo omanto, da zagotovijo stabilne in zanesljive vezave. Specifična struktura je prikazana na Sliki 6.
Načelo dizajna tiristor arksoodvračne vezovnice: Pri prekinitvi pomožnega preklopnika se generira luk. Za preprečevanje, da bi bil luk prevelik in poškodoval preklopnik, je tiristor arksoodvračna vezovnica povezana vzporedno z pomožnim preklopnikom, da absorbuje luk. Specifičen dizajn vezovnice je prikazan na Sliki 7, kjer so stiki 1, 2, 3 in 4 vse stiki pomožnega preklopnika. (Stiki 1 in 2 so uporabljeni za nadzor vklopa/izklopa tiristor arksoodvračne vezovnice, stiki 3 in 4 pa za nadzor vklopa/izklopa glavne vezovnice motorja. Nastavljeno je, da se stiki 1 in 2 prekineta po stikih 3 in 4, da dosežemo namen odvračanja luka).
2.3.2 Funkcija trenje spoja
Trenje spoj varuje motor v vseh neobičajnih delovnih pogojih. Ko je visokonapetostni preklopnik po zapiranju nameščen, se hitro prekine glavna vezovnica motorja. Vendar zaradi mehanske rotacijske inertnosti motor ne more takoj ustaviti. V tem trenutku trenje spoj deluje kot komponenta, ki olajša silo. Omogoča, da trenje kolobar kroži brez opterečenja, disipa mehansko inertnost motorja in zagotavlja točno postavitev visokonapetostnega preklopnika med operacijami odpiranja in zapiranja. Poleg tega prilagajanje tesnosti praznine lahko spremeni trenje navor, da se prilagodi operacijam odpiranja in zapiranja različnih preklopnikov. Trenje spoj je prikazan na Sliki 8.
Prednosti predlaganega dizajna v primerjavi s CJx tipi električnih pogonskih mehanizmov
Predlagan dizajn odstrani električne komponente, kot so potni preklopniki in končni preklopniki, zmanjša destabilizirajoče faktorje in izboljša zanesljivost električnega pogonskega mehanizma. Odstrani terminalni blok s številnimi vezavami, poenostavi vezovnico. S modularnim dizajnom so samo pet kablov povezani dva modula, kar znatno izboljša učinkovitost popravljanja defektov. Poleg tega lahko tvori več slojev zaščite z termomagnetnimi prekinitvenimi ventili in obstoječimi elektronskimi zaščitnimi napravami za motorje. Če se električna kontrolna vezovnica poškoduje, mehanska zaklepna naprava in trenje spoj zagotavljata varnost motorja. Trenje spoj nasprotuje sili motorne mehanske inertnosti, mehanska zaklepna naprava preprečuje, da bi končni preklopnik "poskoknil", zagotavlja točno odpiranje in zapiranje visokonapetostnega preklopnika in varuje njegovo integriteto. Poleg tega bezzaračni zagon motora zmanjša začetni tok, preprečuje šok opreme in podaljša življenjski čas pogonskega mehanizma.
3 Eksperimentalna preverjanja
V skladu z relevantnimi standardi, kot so "Visokonapetostni preklopniki in gruntni preklopniki" in "Splošne tehnične zahteve za visokonapetostno opremo in nadzorno opremo za napetostni tok", kombinacija mehanske zaklepne naprave in trenje spoja dodatno izboljša točnost odpiranja in zapiranja preklopnika. V primerjavi s serijo CJx električnih pogonskih mehanizmov ponuja višjo zanesljivost in varnost. Preverjanje napak, preko večkratnih testov odpiranja in zapiranja ter meritev kotnih odstopanj med končnimi preklopniki in končnimi vinti, kaže, da so tesno poravnani, z dejansko obdelovalno napako znotraj 1°, v polnem skladu z tehničnimi standardi. Dejanski položaj je prikazan na Sliki 9.
4 Zaključek
Kot eden od ključnih naprav v električnem omrežju je zanesljivost in varnost pogonskega mehanizma visokonapetostnih preklopnikov zelo pomembna. Ta prispevek vzame električni pogonski mehanizem kot predmet raziskave, naredi podrobno dizajn in analizo njegove distribuirane metode nadzora in jo preveri z eksperimenti, doseže pričakovane rezultate.Na podlagi koncepta distribuiranega nadzora motor poganja glavni nadzornik, da varno in natančno nadzira operacije odpiranja in zapiranja visokonapetostnih preklopnikov.
S pristopom modularnega dizajna je električni pogonski mehanizem glavno razdeljen na električni nadzorno modul in pogonski modul motorja, kar zmanjša kompleksnost vezav in izboljša hitrost vzdrževanja.Ustvarjena je bila mehanska zaklepna naprava. V kombinaciji z posebnimi strukturami pomožnega preklopnika Siemens in trenje spoja je točnost odpiranja in zapiranja preklopnika izboljšana.
