Högspänningsavkopplingsventiler och driftstörningar i mekanismen
Högspegelavkopplare (HVD) är viktiga spänningsomvältningsenheter i elkraftnät, huvudsakligen använda för att isolera energikällor tillsammans med strömavbrottsutrustning. Med införandet av "digitala nät" och kontinuerliga framsteg inom tekniken för högspänningsomvältningsutrustning, samt utbyggnaden av Kinas elnät, har HVD-applikationerna ökat både i antal och mångfald. Den elektriska driftmekanismen, en viktig komponent som styr HVD:s omvältningsrörelser, kräver exceptionell tillförlitlighet och stabilitет.
HVD-utrustning har en hög felprocent bland högspänningsutrustning, där driftmekanismer är den främsta orsaken till fel. Vanliga driftmekanismissvagheterna inkluderar vägran att växla, driftfel och ofullständig öppning/stängning. Om driftmekanismen springer iväg – vilket innebär att motorn fortsätter att snurra – kan det leda till stora elavbrott i nätutrustningen. Av dessa är öppnings/stängningsfel (inklusive vägran att växla, ofullständig operation och låg växlingsprecision) särskilt påverkande för nätets stabilitет.
Forskning visar att HVD-fel orsakade av elektriska driftmekanismer främst härleds från sekundära kretsproblem, såsom styrfel på grund av dåligt kvalitativa elektroniska komponenter eller lös kontakt i sekundära kretsar. För de vidt spridda CJx-typens elektriska driftmekanismer skyddas interna motorer av termomagnetiska strömavbrottsutrustningar och elektroniska motorskyddsutrustningar. Efter långvarig exponering utomhus under flera år efter installation, behåller dessa mekanismer sina driftlägen i 3–6 år, men deras elektriska styrelement är känsliga och mycket påverkade av miljöfaktorer.
Långvarig drift kan lossna gränsswitchar och muttrar, vilket kan leda till ofullständig växling om det inte upptäcks (till exempel den 5° positionella avvikelsen i figur 1 utgör ett riskmoment för nätet). Gränsswitchar, som är avgörande för övergången mellan växlingsprocesser, drabbas av oxidiserade kontakter och förkortad livslängd på grund av miljöpåverkan.
Sammanfattning och forskningsstatus för fel hos högspegelavkopplingar
Sammanfattningsvis kan de främsta orsakerna till öppnings/stängningsfel hos högspegelavkopplingar (HVD) indelas i två typer: fel i elektriska styrkretsar och mekaniska systemfel. Detta dokument fokuserar på den elektriska styrkretsen, som huvudsakligen inkluderar motorfel, gränsswitchfel och sekundära kretsproblem. Analys visar att höga växlingsfel procentuellt sett huvudsakligen återspeglar motor- och sekundära kretsfel, vilket påverkar HVD-drift betydligt. Därför är det brådskande att lösa säkerheten och tillförlitligheten hos HVD-driftmekanismer.
1. Forskningsstatus för högspegelavkopplingar
Relevanta forskare och ingenjörer har utfört omfattande studier av de ovan nämnda problemen och föreslagit konstruktiva lösningar, sammanfattade i två viktiga aspekter:
1.1 Forskningsstatus för sekundära kretsproblem
Många studier har behandlat elektronkomponentproblem i sekundära kretsar. Dålig täthet i driftmekanismens låda gör att regnvatten kan tränga in, vilket leder till rostning av komponenter, hjälpswitch-/reläfel, lös kontakt på knappar och mekaniska fasthållanden – vilket resulterar i vägran att växla eller ofullständig operation. Föreslagna lösningar inkluderar regelbunden underhåll, skydd mot fukt, och felsökningsflöden för snabb felsökning.
För mekaniskt slitage som formerade pinnar, lösgränsmuttrar eller slitna skruvar på grund av motorns inertitet rekommenderas åtgärder som frekventa inspektioner och tidig felbesejd. Anti-oxidationsmaterial föreslås för rostade kabelföreningar, medan spännings/motståndstestmetoder hjälper till att diagnostisera sekundära kretsfel – förstärkt genom felloggning för att förbättra felsökningsverksamheten. Värmeelement har föreslagits för att hantera fuktförorsakade problem som hjälpswitches felposition och dålig kontakt i elektriska driftmekanismer.
Men existerande studier listar endast felpunkter och betonar underhåll utan grundläggande lösningar, vilket reflekterar låg uppmärksamhet för sekundära kretsar. Underhållspersonal värderar ofta elektronkomponenter lägre än mekaniska delar, och okunnighet om sekundära komponentstrukturella/principiella aspekter, kombinerat med försummade regelbundna inspektioner, är indirekta orsaker till fel.
1.2 Forskningsstatus för växlingsprecision
För att hantera växlingsprecision och mekanisk inertitet har forskare förbättrat motorstyrning genom att designa borstlösa likströmsmotorer (BLDC) och permanentmagnetiska synkronmotorer (PMSM) drivmekanismer. En BLDC-baserad HVD-mekanism med DSP-kärna och dubbel slutna loop-reglering har visat effektiv reglering av växlingshastighet. Liknande metoder för realtidshastighetsövervakning säkerställer smidig drift och förbättrad stängningsprecision, vilket ger grund för smarta nätutveckling. Notabene, dessa designar finns fortfarande i teoretiska forsknings- och laboratorie-simuleringsstadier, med obekräftad tillförlitlighet i praktiska applikationer.
2 Distribuerad design för elektriska driftmekanismer
Baserat på ovanstående analys, är den främsta orsaken till driftmekanismfel den dåliga tillförlitligheten i den elektriska styrkretsen, vilken är mycket mottaglig för miljöfaktorer. Fördröjd underhåll eller andra problem kan skada elektronkomponenter, vilket leder till växlingsfel. Som svar på detta, föreslår detta dokument en distribuerad design för elektriska driftmekanismer.
2.1 Distribuerad kontrollkoncept för elektriska driftmekanismer
Distribuerad kontroll delar hela systemet i separata segment, varje styrd individuellt av en huvudkontroller. Denna design separerar den elektriska styrmodulen från motordrivmodulen:
Med hänsyn till den variabla utemiljön och kablers mottaglighet, antas en tidningsdelad gemensam kabelstrategi baserad på TRIZ principen om multi-användning. Eftersom motorstyrkretsar och växlingsstatusindikeringskretsar inte behöver aktiveras samtidigt, möjliggör denna metod signalöverföring för både motorstyrning och högspegelavkopplingspositionsinformation med bara 5 kablar. Detta minskar betydligt externa miljöpåverkan på den elektriska driftmekanismen. Det totala kontrollkonceptet för den distribuerade elektriska driftmekanismen illustreras i figur 2.
2.2 Design av distribuerade kontrollmoduler
De vidt spridda CJx-seriens elektriska driftmekanismer är utformade med integrerade elektriska och mekaniska komponenter, som opererar utomhus hela året runt i en fast konfiguration sedan installation. Denna integration är en nyckelfaktor som bidrar till deras höga felprocent. Den modulära designen bryter denna all-i-en utomhusuppsättning genom att dela upp mekanismen i två separata moduler: en elektrisk styrmodul och en mekanisk drivmodul.
Den modulära designen erbjuder tydliga fördelar: den tillåter den elektriska styrmodulen att vara placerad i en temperaturstabiliserad miljö, vilket reducerar miljöpåverkan på HVD-växlingsoperationer betydligt; och den minimerar kablage mellan moduler, vilket möjliggör snabb ersättning av defekta moduler – prioriterar "ersätt först, reparera senare" för att öka underhållseffektiviteten och reducera nätavbrott.
2.2.1 Elektrisk styrmodul
Den elektriska styrmodulen består av en huvudkontroller, öppna/stänga överföringsswitch, reläer, positionsindikationskretsar och en fasbristskydd, som beskrivs i designkonceptet i figur 3.
Kontrolllogiken fungerar som följer: ett växlingsignal (öppna/stänga) från knappen skickas till kontrolleren, som reglerar motordrift baserat på kommandot. När HVD är i öppen position aktiveras öppen-positionskretsen, vilket tänder indikatorn. Tryck på stängknappen utlöser kontrolleren att engagera huvudmotorels-reläet och stänga-överföringsswitch, vilket driver HVD att stänga. När det är färdigt deenergiseras motorreläet, vilket aktiverar stäng-positionskretsen och indikatorn. Fasbristskyddet skyddar motorcirkeln med timerfunktion, kopplar från huvudcirkeln inom en angiven tidsram vid fel.
2.2.2 Motor drivmodul
Motor drivmodulen består huvudsakligen av en växelströmsmotor, hastighetsreducerare, friktionskoppling, Siemens-hjälpswitch, thyristor bågavbrytarkrets, gränsslutare och mekaniskt låsningsorgan. När huvudkontrollern skickar ett öppna/stänga-kommando aktiveras motorstyrkretsen, vilket drivs hastighetsreduceraren och huvudaxeln via motorn för växlingsoperationer. Gränsslutare vid toppen av huvudaxeln, tillsammans med mekaniskt låsningsorgan, kontrollerar växlingspositionens precision. Samtidigt arbetar Siemens-hjälpswitchen med thyristorbågavbrytarkretsen för att koppla bort motorstyrkretsen, stoppar motoroperation. En rotationsmarginal på 90 grader vid anslutningen mellan hastighetsreduceraren och huvudaxeln möjliggör lastfri start av motorn. Utländet av motor drivmodulen visas i figur 4.
2.3 Lösning för högspegelavkopplings stängningsprecision
Stängningshandlingen är en viktig steg för högspänningsväxlare. Otillräcklig stängningsprecision kan påverka hela elsystemets stabila drift. För att ytterligare förbättra öppnings- och stängningsprecisionen för den elektriska driftmekanismen använder denna design ett mekaniskt låsningsorgan, tillsammans med en Siemens-hjälpswitch och en friktionskoppling, för att förbättra precisionen till viss grad.
2.3.1 Siemens-hjälpswitch och thyristorbågavbrytarkrets
Hjälpswitchen är ansluten till huvudmotorcirkeln för att styra på-av för motorcirkeln. Hjälpswitchen är inte benägen för rostning på grund av externa miljöpåverkan, och dess interna friktionsmekanism förhindrar oavsiktliga stängningar. Kontakterna använder en fjädrad pinne och en hård skal för att säkerställa stabila och tillförlitliga anslutningar. Den specifika strukturen visas i figur 6.
Designprincip för thyristorbågavbrytarkrets: Vid avkoppling av hjälpswitchen genereras en båge. För att förhindra att bågen blir för stor och skadar switchen, ansluts en thyristorbågavbrytarkrets parallellt med hjälpswitchen för att absorbera bågen. Den specifika kretsdessignen visas i figur 7, där kontakter 1, 2, 3 och 4 alla är hjälpswitchkontakter. (Kontakter 1 och 2 används för att styra på-av för thyristorbågavbrytarkretsen, och kontakter 3 och 4 används för att styra på-av för huvudmotorcirkeln. Det är inställt att kontakter 1 och 2 kopplas ur efter kontakter 3 och 4 för att uppnå syftet med bågavbrott).
2.3.2 Funktionen hos friktionskopplingen
Friktionskopplingen skyddar motorn under alla avvikande driftförhållanden. När högspegelavkopplingen är på plats efter stängning kopplas huvudmotorcirkeln snabbt ur. Men på grund av mekanisk rotationinertitet kan motorn inte stoppa omedelbart. I detta ögonblick fungerar friktionskopplingen som en krafterlindrande komponent. Den gör att friktionshjulet kan idla, vilket dissipar motorns mekaniska inertitet och säkerställer högspegelavkopplingens precisa positionering under öppnings- och stängningsoperationer. Dessutom kan friktionsmomentet ändras genom att justera fjäderns spänning för att passa olika avkopplingars öppnings- och stängningsoperationer. Friktionskopplingen visas i figur 8.
Fördelar med den utformade schemat jämfört med CJx-typens elektriska driftmekanismer
Den föreslagna designen elimineras elektriska komponenter som gränsswitchar och gränsslutare, vilket minskar instabilitetsfaktorer och förbättrar elektriska driftmekanismens tillförlitlighet. Den tar också bort terminalblocket med många kontakter, vilket förenklar kablingskretsen. Med en modulär design ansluter endast fem kablar de två modulerna, vilket starkt förbättrar feletableringsverksamheten. Dessutom kan den forma flera skyddslager med termomagnetiska strömavbrottsutrustningar och befintliga elektroniska motorskyddsutrustningar. Även om den elektriska styrkretsen misslyckas, säkerställer mekaniskt låsningsorgan och friktionskoppling motorns säkerhet. Friktionskopplingen motverkar kraften från motorns mekaniska inertitet, och mekaniskt låsningsorgan förhindrar gränsslutaren från att "återbounca", vilket säkerställer högspegelavkopplingens korrekta öppning och stängning och skyddar dess integritet. Dessutom minimerar motorns lastfria startstartströmmen, undviker utrustningschock och förlänger driftmekanismens livslängd.
3 Experimentell verifiering
I enlighet med relevanta standarder som "Högspänningsväxlare och jordningsväxlare" och "Gemensamma tekniska krav för högspänningsväxlare och kontrollutrustning", förbättras öppnings- och stängningsprecisionen för avkopplingen ytterligare genom kombinationen av ett mekaniskt låsningsorgan och en friktionskoppling. Jämfört med CJx-seriens elektriska driftmekanismer, erbjuder den högre tillförlitlighet och säkerhet. Felidentifiering, genom flera öppnings- och stängningsprov och vinkelavvikelsemätningar mellan gränsslutaren och gränsskruven, visar att de är nära sammanfallande, med en faktisk bearbetningsfel inom 1°, vilket fullt uppfyller tekniska standarder. Den faktiska positionen visas i figur 9.
4 Slutsats
Som en av de viktigaste enheterna i elnätet är driftmekanismens tillförlitlighet och säkerhet för högspegelavkopplingar av yttersta vikt. Detta dokument tar den elektriska driftmekanismen som forskningsobjekt, utför en detaljerad design och analys av dess distribuerade styrmetod, och verifierar det genom experiment, vilket ger de förväntade resultaten.Baserat på konceptet om distribuerad styrning, drivs motorn av huvudkontroller för att säkert och noggrant styras högspegelavkopplingars öppnings- och stängningsoperationer.
Med en modulär designansats delas den elektriska driftmekanismen huvudsakligen in i en elektrisk styrmodul och en motor drivmodul, vilket minskar kablingskomplexiteten och förbättrar underhållshastigheten.Ett mekaniskt låsningsorgan är installerat. Tillsammans med Siemens-hjälpswitchens och friktionskopplingens specialstrukturer har öppnings- och stängningsprecisionen för avkopplingen förbättrats.
