Mga Switch na May Mataas na Voltaje at Mga Pagkakamali sa Operational Mechanism
Ang mga high-voltage disconnect switch (HVD) ay mahahalagang mga switching device sa power grid, na pangunahing ginagamit para i-isolate ang mga power source kasabay ng mga circuit breaker. Sa pagproporsyona ng "digital grids," patuloy na pag-unlad ng teknolohiya ng high-voltage switchgear, at paglaki ng power grid ng China, ang aplikasyon ng HVD ay lumago sa dami at kategorya. Ang electric operating mechanism, isang mahalagang komponente na nagkokontrol sa paggalaw ng HVD, nangangailangan ng katumpakan at estabilidad.
Ang HVDs ay may mataas na rate ng pagkakasira sa mga high-voltage equipment, na ang operating mechanisms ang pangunahing sanhi ng mga pagkakamali. Ang karaniwang mga pagkakamali ng operational mechanism ay kinabibilangan ng pagtutol sa pag-switch, operational failure, at hindi kumpleto ang pagbubukas o pagsasara. Ang pagkakaroon ng runaway sa operating mechanism—kung saan ang motor ay patuloy na tumatakbong walang kontrol—ay maaaring magresulta sa malaking brownout sa grid equipment. Sa mga ito, ang pagbubukas o pagsasara na hindi kumpleto (kasama ang pagtutol sa pag-switch, hindi kumpletong operasyon, at mababang accuracy ng pag-switch) ay may malaking epekto sa stability ng grid.
Ang mga pag-aaral ay nagpapakita na ang mga pagkakasira ng HVD na dulot ng electric operating mechanisms ay pangunahin ay nagmumula sa secondary circuit issues, tulad ng mga control failures dahil sa mahinang kalidad ng mga electrical components o maluwag na koneksyon sa secondary circuit. Para sa malawakang ginagamit na CJx-type electric operating mechanisms, ang mga internal motors ay pinoprotektahan ng thermal-magnetic circuit breakers at electronic motor protection devices. Habang nakalantad sa labas ng matagal, ang mga mekanismo na ito ay nananatiling aktibo sa 3-6 taon pagkatapos ng commissioning, ngunit ang mga electrical control components nito ay delikado at madaling maapektuhan ng environmental factors.
Ang mahabang operasyon ay maaaring mag-resulta sa pagiging maluwag ng mga limit switches at bolts, na nagdudulot ng hindi kumpleto ang pag-switch kung hindi napagtanto (halimbawa, ang 5° positional deviation sa Figure 1 ay nagpapahamak sa grid). Ang mga travel switches, na mahalaga para sa mga transition ng switching process, ay nasasaktan ng oxidized contacts at maikling buhay dahil sa impluwensya ng kapaligiran.
Buod at Status ng Pag-aaral ng Mga Pagkakamali ng High-Voltage Disconnect Switch
Sa buod, ang pangunahing sanhi ng mga pagkakamali sa pagbubukas o pagsasara ng high-voltage disconnect switch (HVD) ay maaaring ikategorya sa dalawang uri: electrical control circuit faults at mechanical system faults. Ang papel na ito ay nakatuon sa electrical control circuit, na pangunahin ay binubuo ng motor circuit failures, limit switch malfunctions, at secondary circuit issues. Ang analisis ay nagpapakita na ang mataas na rate ng pagkakasira sa pag-switch ay pangunahin ay dulot ng mga pagkakasira sa motor at secondary circuit, na may malaking epekto sa operasyon ng HVD. Kaya, ang pagresolba ng seguridad at reliability ng operating mechanisms ng HVD ay urgent.
1. Status ng Pag-aaral ng High-Voltage Disconnect Switches
Ang mga nakaugnay na mananaliksik at inhenyero ay nag-conduct ng malawakang pag-aaral sa mga nabanggit na isyu at nag-propose ng mga constructive solutions, na sumaryo sa dalawang pangunahing aspeto:
1.1 Status ng Pag-aaral ng Secondary Circuit Faults
Maraming mga pag-aaral ang nag-address ng mga isyu sa electrical components sa secondary circuits. Ang mahinang sealing ng operating mechanism box ay nagpapapasok ng ulan, na nagdudulot ng corrosion ng mga component, auxiliary switch/relay failure, maluwag na button contacts, at mechanical jams—na nagreresulta sa pagtutol sa pag-switch o hindi kumpleto ang operasyon. Ang mga proposed solutions ay kinabibilangan ng regular maintenance, moisture protection, at fault flowcharts para sa mabilis na troubleshooting.
Para sa mechanical wear tulad ng deformed pins, maluwag na limit bolts, o worn screws dahil sa motor inertia, inirerekomenda ang mga paraan tulad ng regular inspections at timely defect elimination. Inirerekomenda rin ang anti-oxidation materials para sa corroded wire joints, habang ang voltage/resistance testing methods ay nakakatulong sa pagdiagnose ng secondary circuit faults—na pinahusay pa ng defect logging upang mapabuti ang efficiency ng troubleshooting. Inirerekomenda rin ang heating devices upang tugunan ang humidity-induced issues tulad ng misalignment ng auxiliary switch at poor contact sa electric operating mechanisms.
Ngunit, ang umiiral na mga pag-aaral ay simpleng nagsasaad ng mga fault points at nagbibigay-diin sa maintenance nang walang fundamental solutions, na nagpapakita ng mababang attention sa secondary circuits. Ang mga maintenance personnel ay madalas undervaluing ang mga electrical components kumpara sa mechanical parts, at ang kakulangan ng kaalaman sa secondary component structures/principles—kasama ang neglected regular inspections—ay indirect causes ng pagkakasira.
1.2 Status ng Pag-aaral ng Mga Isyu sa Accuracy ng Pag-switch
Upang tugunan ang accuracy ng pag-switch at mechanical inertia, ang mga scholars ay nag-improve ng motor control sa pamamagitan ng pagdidisenyo ng brushless DC motor (BLDC) at permanent magnet synchronous motor (PMSM) operating mechanisms. Ang BLDC-based HVD mechanism na may DSP core at dual closed-loop control strategy ay ipinakita ang effective switching speed regulation. Ang mga katulad na paraan para sa real-time speed monitoring ay nagse-ensure ng smooth operation at improved closing accuracy, na naglalayong palakasin ang smart grid development. Mahalagang tandaan, ang mga disenyo na ito ay nasa theoretical research at laboratory simulation stages, at ang reliablity nito sa practical applications ay hindi pa napapatunayan.
2 Distributed Electric Operating Mechanism Design Scheme
Batay sa nabanggit na analisis, ang pangunahing sanhi ng mga pagkakasira ng operating mechanism ay ang mahinang reliability ng electrical control circuit, na malaki ang sensitivity sa environmental factors. Ang delayed maintenance o iba pang isyu ay maaaring masira ang mga electrical components, na nagdudulot ng pagkakasira sa pag-switch. Bilang tugon, ang papel na ito ay nagpopropose ng distributed design para sa electric operating mechanisms.
2.1 Konsepto ng Distributed Control para sa Electric Operating Mechanisms
Ang distributed control ay naghihiwalay ng buong sistema sa separate segments, bawat isa ay independiyenteng kontroled ng main controller. Ang disenyo na ito ay naghihiwalay ng electrical control module mula sa motor drive module:
Bilang isang pag-considera sa variable outdoor environment at cable susceptibility, ang time-division shared cable strategy ay inadopt batay sa TRIZ's principle of multi-usage. Dahil ang motor control circuits at switching status indicator circuits ay hindi kailangan ng simultaneous activation, ang approach na ito ay nag-enable ng signal transmission para sa parehong motor control at disconnect switch position indication gamit lamang ang 5 cables. Ito ay significantly reduces external environmental impacts on the electric operating mechanism. Ang overall control concept ng distributed electric operating mechanism ay ipinapakita sa Figure 2.
2.2 Disenyo ng Distributed Control Modules
Ang malawakang ginagamit na CJx-series electric operating mechanisms ay disenyo na may integrated electrical at mechanical components, na nag-ooperate outdoors buong taon sa fixed configuration mula noong commissioning. Ang integration na ito ay isang pangunahing factor na nagkontributo sa kanilang mataas na rate ng pagkakasira. Ang modular design ay nagbabago sa all-in-one outdoor setup sa pamamagitan ng paghihiwalay ng mekanismo sa dalawang hiwalay na modules: electrical control module at mechanical drive module.
Ang modular design ay nagbibigay ng distinct advantages: ito ay nagbibigay ng oportunidad para ilagay ang electrical control module sa temperature-stabilized environment, na significantly reducing environmental impacts on HVD switching operations; at ito ay minimizes inter-module wiring, enabling quick replacement of faulty modules—prioritizing "replace-first, repair-later" upang mapalakas ang maintenance efficiency at bawasan ang grid downtime.
2.2.1 Electrical Control Module
Ang electrical control module ay binubuo ng main controller, open/close transfer switch, relays, position indication circuits, at phase-loss protector, tulad ng ipinapakita sa design concept ng Figure 3.
Ang control logic ay gumagana sa ganito: ang switching signal (open/close) mula sa button ay ipinapadala sa controller, na nag-regulate ng motor operation batay sa command. Kapag ang HVD ay nasa open state, ang open-position circuit ay aktibado, na nagpapaliwanag ng indicator. Ang pag-press ng close button ay nag-trigger sa controller na i-engage ang main motor relay at close-circuit transfer relay, na nag-drive ng HVD upang magsara. Pagkatapos ng pagkumpleto, ang motor relay ay de-energizes, na nag-activate ng close-position circuit at indicator. Ang phase-loss protector ay nagprotekta sa motor circuit na may timer functionality, na nag-disconnect ng main circuit sa loob ng tiyak na oras kung may mga fault.
2.2.2 Motor Drive Module
Ang motor drive module ay pangunahing binubuo ng AC motor, speed reducer, friction coupling, Siemens auxiliary switch, thyristor arc-suppression circuit, limit stops, at mechanical locking device. Kapag ang main controller ay nagpadala ng open/close command, ang motor control circuit ay aktibado, na nag-drive ng speed reducer at main shaft sa pamamagitan ng motor para sa switching operations. Ang limit stops sa tuktok ng main shaft, kasabay ng mechanical locking device, ay nag-control ng accuracy ng switching position. Samantalang, ang Siemens auxiliary switch ay nagtrabaho kasama ng thyristor arc-suppression circuit upang idisconnect ang motor control circuit, na nag-stop ng operasyon ng motor. Ang 90-degree rotational margin sa connection ng speed reducer at main shaft ay nag-enable ng no-load starting ng motor. Ang hitsura ng motor drive module ay ipinapakita sa Figure 4.
2.3 Solusyon para sa Closing Accuracy ng Disconnect Switch
Ang closing action ay isang mahalagang hakbang para sa high-voltage switchgear. Ang hindi sapat na closing accuracy ay maaaring makaapekto sa stable operation ng buong power system. Upang paunlarin ang opening at closing accuracy ng electric operating mechanism, ang disenyo na ito ay gumagamit ng mechanical locking device, kasama ang Siemens auxiliary switch at friction coupler, upang mapabuti ang accuracy sa tiyak na antas.
2.3.1 Siemens Auxiliary Switch at Thyristor Arc - Suppression Circuit
Ang auxiliary switch ay konektado sa main motor circuit upang kontrolin ang on-off ng motor circuit. Ang auxiliary switch ay hindi prone sa rust dahil sa external environmental influences, at ang internal friction mechanism nito ay nagpaprevent ng accidental closures. Ang mga contact ay gumagamit ng spring-loaded pin at hard sheath upang matiyak ang stable at reliable connections. Ang specific structure ay ipinapakita sa Figure 6.
Design Principle ng Thyristor Arc - Suppression Circuit: Sa panahon ng disconnection ng auxiliary switch, ang arc ay nalilikha. Upang maiwasan ang arc na maging sobrang malaki at makasira sa switch, ang thyristor arc - suppression circuit ay konektado sa parallel sa auxiliary switch upang i-absorb ang arc. Ang specific circuit design ay ipinapakita sa Figure 7, kung saan ang contacts 1, 2, 3, at 4 ay lahat auxiliary switch contacts. (Contacts 1 at 2 ay ginagamit upang kontrolin ang on-off ng thyristor arc - suppression circuit, at ang contacts 3 at 4 ay ginagamit upang kontrolin ang on-off ng main motor circuit. Itinatakda na ang contacts 1 at 2 ay idisconnect pagkatapos ng contacts 3 at 4 upang maisakatuparan ang layuning ito ng arc suppression).
2.3.2 Function ng Friction Coupler
Ang friction coupler ay nagprotekta sa motor sa anumang abnormal operating conditions. Kapag ang high-voltage disconnect switch ay nasa lugar pagkatapos ng closing, ang main motor circuit ay mabilis na ididisconnect. Ngunit, dahil sa mechanical rotational inertia, ang motor ay hindi maaaring huminto agad. Sa sandaling ito, ang friction coupler ay gumagana bilang isang force-relieving component. Ito ay nag-enable ng friction gear na idle, na dissipating ang mechanical inertia ng motor at matitiyak ang precise positioning ng high-voltage disconnect switch sa panahon ng opening at closing operations. Kasama pa rito, ang tightness ng spring ay maaaring i-adjust upang baguhin ang friction torque upang maging suitable para sa opening at closing operations ng iba't ibang disconnect switches. Ang friction coupler ay ipinapakita sa Figure 8.
Advantages ng Designed Scheme sa CJx-type Electric Operating Mechanisms
Ang proposed design ay nag-eliminate ng mga electrical components tulad ng travel switches at limit switches, na nagrereduce ng instability factors at nagpapabuti ng reliability ng electric operating mechanism. Ito din ay nag-eliminate ng terminal block na may maraming contacts, na simplifying ang wiring circuit. Sa modular design, ang limang cables lang ang nag-connect sa dalawang modules, na greatly improving fault-repair efficiency. Bukod dito, ito ay maaaring bumuo ng multiple protection layers kasama ang thermomagnetic circuit breakers at existing electronic motor protection devices. Kahit na ang electrical control circuit ay magkaroon ng malfunction, ang mechanical locking device at friction coupler ay nag-aassure ng motor safety. Ang friction coupler ay counteracts ang force mula sa motor mechanical inertia, at ang mechanical locking device ay nagpre-prevent ng limit stop mula sa "rebounding", na matitiyak ang accurate opening at closing ng high-voltage disconnect switch at protektado ang integrity nito. Kasama pa rito, ang no-load starting ng motor ay minimize ang starting current, na nag-iwas sa equipment shock at nag-extend ng service life ng operating mechanism.
3 Experimental Verification
Tumutugon sa relevant standards tulad ng "High-Voltage AC Disconnect Switches and Earthing Switches" at "Common Technical Requirements for High-Voltage AC Switchgear and Controlgear," ang combination ng mechanical locking device at friction coupler ay lalo pang nagpapabuti ng opening at closing accuracy ng disconnect switch. Sa paghahambing sa CJx series electric operating mechanisms, ito ay nagbibigay ng mas mataas na reliability at safety. Ang error detection, sa pamamagitan ng multiple opening at closing tests at angular deviation measurements sa pagitan ng limit stop at limit screw, ay nagpapakita na sila ay malapit na aligned, na may actual machining error na within 1°, na fully meeting the technological standards. Ang actual position ay ipinapakita sa Figure 9.
4 Conclusion
Bilang isa sa mga key equipment sa power grid, ang reliability at safety ng operating mechanism ng high-voltage disconnect switches ay lubhang mahalaga. Ang papel na ito ay nagbibigay ng detalyadong disenyo at analisis ng kanyang distributed control method, at inverify ito sa pamamagitan ng mga eksperimento, na nagresulta sa expected results.Batay sa konsepto ng distributed control, ang motor ay driven ng main controller upang safe at accurately controlin ang opening at closing operations ng high-voltage disconnect switches.
Sa modular design approach, ang electric operating mechanism ay pangunahing nahihati sa electrical control module at motor drive module, na nagrereduce ng complexity ng wiring at nagpapabuti ng maintenance speed.Ang mechanical locking device ay itinayo. Kasama ang espesyal na structures ng Siemens auxiliary switch at friction coupler, ang opening at closing accuracy ng disconnect switch ay nabawasan.
