Visokonaponski prekidači i greške u mehanizmima rada
Visokonaponski prekidači (HVD) su ključni uređaji za prekid struje u električnim mrežama, primarno korišćeni za izolaciju izvora struje u kombinaciji sa prekidačima. Sa predlogom "digitalnih mreža", kontinuiranim napretkom tehnologije visokonaponske opreme i proširenjem kineske električne mreže, primena HVD-ova se značajno povećala kako po broju tako i po raznolikosti. Električni mehanizam rada, ključni komponent koji kontrolira pokrete HVD-ova, zahteva izuzetnu pouzdanost i stabilnost.
HVD-ovi imaju visoku stopu grešaka među visokonaponskim opremom, a glavni uzrok neispravnosti su mehanizmi rada. Uobičajene neispravnosti mehanizma rada uključuju odbijanje prekida, operativne neispravnosti i nepotpuno otvaranje/zatvaranje. Uticaj utrke mehanizma rada – kada motor nastavlja da radi – može dovesti do velikih ispadanja struje u opremi mreže. Međutim, neispravnosti otvaranja/zatvaranja (uključujući odbijanje prekida, nepotpune operacije i nisku tačnost prekida) znatno utiču na stabilnost mreže.
Istraživanja pokazuju da neispravnosti HVD-ova izazvane električnim mehanizmima rada uglavnom potiču od problema sa sekundarnim krugovima, kao što su neispravnosti kontrole zbog loše kvalitete električnih komponenti ili rastegnutih veza u sekundarnom krugu. Za široko korišćene CJx tipove električnih mehanizama rada, unutrašnji motori su zaštićeni termomagnetskim prekidačima i elektronskim uređajima za zaštitu motora. Dugotrajno izloženi vanjskim uslovima, ovi mehanizmi održavaju radne pozicije 3–6 godina nakon upotrebe, ali njihove električne komponente za kontrolu su osjetljive i lako podliježu uticajima okoline.
Dugotrajna upotreba može dovesti do rastegavanja granica prekida i vijaka, što može dovesti do nepotpunog prekida ako to nije otkriveno (na primer, odstupanje od 5° prikazano na Slici 1 predstavlja rizik za mrežu). Prekidači putovanja, ključni za prelaze tijekom procesa prekida, trpe od oksidiranja kontakti i skraćenog životnog vijeka zbog uticaja okoline.
Sažetak i status istraživanja neispravnosti visokonaponskih prekidača
Ukratko, glavne uzročnice neispravnosti otvaranja/zatvaranja visokonaponskih prekidača (HVD) mogu se kategorizirati u dva tipa: neispravnosti električnih kontrolnih krugova i neispravnosti mehaničkog sistema. Ovaj rad fokusira se na električne kontrolne krugove, koji uglavnom uključuju neispravnosti motora, neispravnosti prekidača granica i probleme sa sekundarnim krugovima. Analiza pokazuje da visoke stopa neispravnosti prekida uglavnom potiču od neispravnosti motora i sekundarnih krugova, što značajno utiče na rad HVD-ova. Stoga je hitno potrebno rešiti sigurnost i pouzdanost mehanizama rada HVD-ova.
1. Status istraživanja visokonaponskih prekidača
Relevantni istraživači i inženjeri provedli su ekstenzivna istraživanja o navedenim problemima i predložili konstruktivna rešenja, sažeta u dva ključna aspekta:
1.1 Status istraživanja neispravnosti sekundarnih krugova
Brojna istraživanja obradila su probleme sa električnim komponentama u sekundarnim krugovima. Loša zatvorenost kutije mehanizma rada dopušta ulazak kiše, što dovodi do korozije komponenata, neispravnosti pomoćnih prekidača/releja, rastegnutih kontakata dugmeta i mehaničkih zaključavanja – što dovodi do odbijanja prekida ili nepotpunog prekida. Predlagana rešenja uključuju redovne održavanja, zaštitu od vlage i dijagrame grešaka za brzo otkrivanje problema.
Za mehanični slijepanje poput deformiranih čvorka, rastegnutih vijaka granica ili nosnih vijaka zbog inercije motora, preporučena su mjere poput često ponavljanih inspekcija i pravočasno eliminisanje defekata. Predlažu se antioksidacioni materijali za korozirane spojeve žica, dok metode testiranja napona/otpornosti pomazu u dijagnozi sekundarnih krugova – poboljšanom bilješenjem defekata za poboljšanje efikasnosti otkrivanja problema. Predlažu se zagrijavajući uređaji za rješavanje problema izazvanih vlagoću, kao što su netočne pozicije pomoćnih prekidača i loši kontakti u električnim mehanizmima rada.
Međutim, postojeća istraživanja samo nabrajaju tačke neispravnosti i naglašavaju održavanje bez fundamentalnih rešenja, što odražava nisku pažnju posvećenu sekundarnim krugovima. Održavajući personel često manje vrednuje električne komponente u odnosu na mehaničke delove, a neupoznatost sa strukturama/principima sekundarnih komponenata, kombinirana sa zanemarenim redovnim inspekcijama, predstavljaju indirektne uzroke neispravnosti.
1.2 Status istraživanja problema tačnosti prekida
Da bi se riješile probleme tačnosti prekida i mehaničke inercije, naučnici su poboljšali kontrolu motora dizajniranjem mehanizama rada baziranih na beščetnjacima direktnog toka (BLDC) i stalnim magnetima sinhronih motora (PMSM). BLDC mehanizam rada HVD-a sa DSP jezgrom i strategijom dualnog zatvorenog kruga pokazao je efektivnu regulaciju brzine prekida. Slične metode za stvarno-vremensko praćenje brzine osiguravaju gladak rad i poboljšanu tačnost zatvaranja, stvarajući temelj za razvoj pametnih mreža. Važno je napomenuti da ovi dizajni još uvijek ostaju u fazi teorijskog istraživanja i laboratorijske simulacije, sa neprokazanom pouzdanosti u praktičnoj primeni.
2 Shema dizajna raspoređenog električnog mehanizma rada
Na osnovu gore navedene analize, glavni uzrok neispravnosti mehanizama rada jeste loša pouzdanost električnih kontrolnih krugova, koja je vrlo osjetljiva na uticaje okoline. Zakašnjeli održavajući rad ili drugi problemi mogu oštetiti električne komponente, što dovodi do neispravnosti prekida. Kao odgovor, ovaj rad predlaže raspoređeni dizajn električnih mehanizama rada.
2.1 Koncept raspoređene kontrole električnih mehanizama rada
Raspoređena kontrola dijeli cijeli sistem na odvojene segmente, svaki od kojih nezavisno kontrolira glavni kontroler. Ovaj dizajn odvaja električni kontrolni modul od modula pogona motora:
Uzimajući u obzir varijabilnu vanjsku okolinu i osjetljivost kabela, primenjuje se strategija vremenskog dijeljenja kabelske veze na osnovu TRIZ principa višestruke upotrebe. Budući da krugovi kontrole motora i indikatora stanja prekida ne moraju biti aktivirani istovremeno, ovaj pristup omogućava prijenos signala za kontrolu motora i indikaciju položaja prekida koristeći samo 5 kabela. To značajno smanjuje vanjske uticaje na električni mehanizam rada. Opći koncept kontrole raspoređenog električnog mehanizma rada prikazan je na Slici 2.
2.2 Dizajn raspoređenih kontrolnih modula
Široko primenjeni serijalni CJx električni mehanizmi rada dizajnirani su sa integriranim električnim i mehaničkim komponentama, koje rade vanjskih uslova tijekom cele godine u fiksnoj konfiguraciji od samog upotrebljanja. Ova integracija je ključni faktor koji doprinosi njihovoj visokoj stopi neispravnosti. Modulski dizajn prekidaju ovu jedinstvenu vanjsku postavku dijeleći mehanizam na dva odvojena modula: električni kontrolni modul i mehanički pogonski modul.
Modulski dizajn nudi posebne prednosti: dozvoljava da se električni kontrolni modul smjesti u stabilizirano temperaturno okruženje, značajno smanjujući uticaje okoline na rad HVD-ova; i minimizira intermodulsku vezu, omogućavajući brzu zamjenu defektnih modula - prioritizirajući "prvo zamjena, kasnije popravak" za poboljšanje efikasnosti održavanja i smanjenje ispadanja mreže.
2.2.1 Električni kontrolni modul
Električni kontrolni modul sastoji se od glavnog kontrolera, prekidača otvaranja/zatvaranja, releja, krugova indikacije položaja i zaštitnika od faznog nedostatka, kako je navedeno u konceptu dizajna na Slici 3.
Logika kontrole funkcioniše na sljedeći način: signal prekida (otvaranje/zatvaranje) sa dugmeta se šalje kontroleru, koji reguliše rad motora na osnovu naredbe. Kada je HVD u stanju otvoren, aktivira se krug otvorenog položaja, upaljujući indikator. Pritisak na dugme zatvaranja aktivira kontroler da uključi glavni relej motora i relej prebacivanja kruga zatvaranja, pokrećući HVD da se zatvori. Nakon završetka, relej motora deaktivira, aktivirajući krug zatvorenog položaja i indikator. Zaštitnik od faznog nedostatka štiti krug motora sa funkcijom tajmera, odspajajući glavni krug u određenom vremenskom okviru u slučaju grešaka.
2.2.2 Modul pogona motora
Modul pogona motora uglavnom sastoji se od AC motora, spremnika brzine, trenjevnog spoja, Siemens pomoćnog prekidača, tiristorne kruga za gasenje lukova, granica prekida i mehaničkog zaključavanja. Kada glavni kontroler šalje naredbu otvaranja/zatvaranja, aktivira se krug kontrole motora, pokrećući spremnik brzine i glavni vratilj preko motora za operacije prekida. Granice prekida na vrhu glavnog vratilja, zajedno sa mehaničkim zaključavanjem, kontroliraju tačnost položaja prekida. Istodobno, Siemens pomoćni prekidač radi sa tiristornim krugom za gasenje lukova da odspoji krug kontrole motora, zaustavljajući rad motora. Margina rotacije od 90 stepeni na spoju između spremnika brzine i glavnog vratilja omogućava beznosno pokretanje motora. Izgled modula pogona motora prikazan je na Slici 4.
2.3 Rešenje za tačnost zatvaranja prekidača
Akcija zatvaranja je ključan korak za visokonaponsku opremu. Nedostatak tačnosti zatvaranja može uticati na stabilno funkcionisanje cijelog sistema snabdevanja strujom. Da bi se dalje poboljšala tačnost otvaranja i zatvaranja električnog mehanizma rada, ovaj dizajn koristi mehaničko zaključavanje, u kombinaciji sa Siemens pomoćnim prekidačem i trenjevnim spojem, da bi do neke mere poboljšao tačnost.
2.3.1 Siemens pomoćni prekidač i tiristorni krug za gasenje lukova
Pomoćni prekidač povezan je sa glavnim motorom da kontrolira uključivanje/isključivanje kruga motora. Pomoćni prekidač nije osjetljiv na koroziju zbog vanjskih uticaja, a njegov unutrašnji mehanizam trenja sprečava slučajno zatvaranje. Kontakti koriste pruge pod pritiskom i tvrdi omotač da osiguraju stabilne i pouzdane veze. Specifična struktura prikazana je na Slici 6.
Princip dizajna tiristornog kruga za gasenje lukova: Tijekom odspajanja pomoćnog prekidača, generiše se luk. Da bi se sprečilo da luk bude previše veliki i oštetio prekidač, tiristorni krug za gasenje lukova povezan je paralelno sa pomoćnim prekidačem da apsorbira luk. Specifični dizajn kruga prikazan je na Slici 7, gdje su kontakti 1, 2, 3 i 4 svi kontakti pomoćnog prekidača. (Kontakti 1 i 2 koriste se za kontrolu uključivanja/isključivanja tiristornog kruga za gasenje lukova, a kontakti 3 i 4 koriste se za kontrolu uključivanja/isključivanja glavnog kruga motora. Postavljeno je da kontakti 1 i 2 odspajaju nakon kontakti 3 i 4 kako bi se postiglo gasenje luka).
2.3.2 Funkcija trenjevnog spoja
Trenjevni spoj štiti motor u svim neobičnim radnim uslovima. Kada visokonaponski prekidač zauzme svoju poziciju nakon zatvaranja, glavni krug motora brzo odspaja. Međutim, zbog mehaničke inercije, motor ne može odmah prestati. U tom trenutku, trenjevni spoj djeluje kao komponenta za olakšanje sile. Omogućava da trenjevno zubalo ide u hodu, rasipa mehaničku inerciju motora i osigurava preciznu poziciju visokonaponskog prekidača tijekom operacija otvaranja i zatvaranja. Također, podešavanjem čvrstoće opruge, može se promijeniti trenjevni moment kako bi se prilagodio operacijama otvaranja i zatvaranja različitih prekidača. Trenjevni spoj prikazan je na Slici 8.
Prednosti predloženog dizajna u odnosu na CJx tipove električnih mehanizama rada
Predloženi dizajn eliminira električne komponente poput prekidača putovanja i granica prekida, smanjujući faktore nestabilnosti i poboljšavajući pouzdanost električnog mehanizma rada. Također uklanja terminalni blok sa mnogo kontakata, pojednostavljujući krug vezanja. Sa modularnim dizajnom, samo pet kabela spaja dva modula, značajno poboljšavajući efikasnost otkrivanja grešaka. Također može formirati više slojeva zaštite sa termomagnetskim prekidačima i postojećim elektronskim uređajima za zaštitu motora. Čak i ako električni kontrolni krug ima neispravnost, mehaničko zaključavanje i trenjevni spoj osiguravaju sigurnost motora. Trenjevni spoj protivi sili od mehaničke inercije motora, a mehaničko zaključavanje sprečava da granice prekida "odbiju", osiguravajući precizno otvaranje i zatvaranje visokonaponskog prekidača i zaštitu njegove integriteta. Također, beznosno pokretanje motora smanjuje početni tok, izbegavajući šok opreme i produžavajući vreme trajanja mehanizma rada.
3 Eksperimentalna verifikacija
Slijedeći relevantne standarde kao što su "Visokonaponski AC prekidači i prekidači za zemljenje" i "Opšte tehničke zahteve za visokonaponskom AC opremom i opremom za kontrolu", kombinacija mehaničkog zaključavanja i trenjevnog spoja dalje poboljšava tačnost otvaranja i zatvaranja prekidača. U usporedbi sa serijom CJx električnih mehanizama rada, nudi veću pouzdanost i sigurnost. Detekcija grešaka, kroz više testiranja otvaranja i zatvaranja i mjerenja uglove odstupanja između granica prekida i vijaka granica, pokazuje da su oni blisko poravnati, s stvarnom greškom obrade unutar 1°, u potpunosti zadovoljavajući tehničke standarde. Stvarna pozicija prikazana je na Slici 9.
4 Zaključak
Kao jedna od ključnih oprema u električnoj mreži, pouzdanost i sigurnost mehanizma rada visokonaponskih prekidača su izuzetno važne. Ovaj rad uzima električni mehanizam rada kao objekt istraživanja, provodi detaljan dizajn i analizu njegovog raspoređenog metoda kontrole, i verifikuje ga kroz eksperimente, dostižući očekivane rezultate.Na osnovu koncepta raspoređene kontrole, motor je pokrećen glavnim kontrolerom kako bi sigurno i tačno kontrolirao operacije otvaranja i zatvaranja visokonaponskih prekidača.
Sa pristupom modularnog dizajna, električni mehanizam rada je glavno podeljen na električni kontrolni modul i modul pogona motora, smanjujući složenost vezanja i poboljšavajući brzinu održavanja.Postavljen je mehanički zaključavanje. U kombinaciji sa specifičnim strukturama Siemens pomoćnog prekidača i trenjevnog spoja, tačnost otvaranja i zatvaranja prekidača je poboljšana.
