Високовольтні вимикачі та аварії механізмів управління
Високовольтні вимикачі (HVD) є важливими переключувальними пристроями у електроенергетичних мережах, які головним чином використовуються для ізоляції джерел живлення разом з автоматами. З появою концепції "цифрових мереж", постійними вдосконаленнями технологій високовольтного обладнання та розширенням електроенергетичної системи Китаю, застосування HVD зросло як кількісно, так і різноманітність. Електричний механізм управління, ключова складова, яка контролює перемикання HVD, вимагає високої надійності та стабільності.
HVD мають високий рівень аварійності серед високовольтного обладнання, причиною чого є механізми управління. Зазвичай проблеми з механізмами управління включають відмову від переключення, несправність операцій та неповне відкриття/закриття. Втеча механізму управління, коли двигун продовжує працювати, може призвести до великих відключень електроенергії в мережевому обладнанні. Серед цих, відкриття/закриття відмов (включаючи відмову від переключення, неповну операцію та низьку точність переключення) значно впливають на стабільність мережі.
Дослідження показують, що аварії HVD, спричинені електричними механізмами управління, переважно походять від проблем вторинних контурів, таких як збої управління через низькі якісні електричні компоненти або слабкі з'єднання в вторинному контурі. Для широко використовуваних CJx-типових електричних механізмів управління, внутрішні двигуни захищені тепловими-магнітними автоматами та електронними пристроями захисту двигунів. Бутучи довго час відкритими на вулиці, ці механізми підтримують робочі положення протягом 3-6 років після введення в експлуатацію, але їх електричні контрольні компоненти хрупкі та вразливі до впливу оточення.
Довге функціонування може послабити крайові переключачі та болти, що призводить до неповного переключення, якщо це не було виявлено (наприклад, 5° відхилення у позиції, як показано на Рис. 1, становить загрозу для мережі). Перехідні переключачі, які є ключовими для процесу переключення, страждають від окислення контактів та скорочення терміну служби через вплив оточення.
Підсумок та стан досліджень аварій високовольтних вимикачів
У підсумку, основні причини відкриття/закриття високовольтних вимикачів (HVD) можна розділити на два типи: аварії електричних керуючих контурів та аварії механічних систем. Ця стаття зосереджується на електричних керуючих контурах, які включають в себе аварії двигунів, збої крайових переключачів та проблеми вторинних контурів. Аналіз показує, що високий рівень аварійності переключення переважно пов'язаний з аваріями двигунів та вторинних контурів, що значно впливає на роботу HVD. Тому, забезпечення безпеки та надійності механізмів управління HVD є надзвичайно важливим.
1. Стан досліджень високовольтних вимикачів
Пов'язані дослідники та інженери провели широкі дослідження зазначених проблем та запропонували конструктивні рішення, які можна підсумувати у двох ключових аспектах:
1.1 Стан досліджень аварій вторинних контурів
Багато досліджень було зосереджено на проблемах електричних компонентів у вторинних контурах. Погана герметизація коробки механізму управління дозволяє воді потрапляти всередину, що призводить до корозії компонентів, відмов допоміжних переключачів/реле, слабких контактів кнопок та механічних заклинивань — що призводить до відмови в переключенні або неповному переключенні. Пропоновані рішення включають регулярне обслуговування, захист від вологи та схеми виявлення несправностей для швидкого вирішення проблем.
Для механічного зношення, такого як деформовані штифти, слабкі крайові болти або зношені гвинти через інерцію двигуна, рекомендуються часті перевірки та своєчасне усунення дефектів. Пропонуються антикорозійні матеріали для засмучених контактів дротів, а методи вимірювання напруги/опору допомагають діагностувати аварії вторинних контурів — що покращується завдяки журналам дефектів для підвищення ефективності вирішення проблем. Пропонуються нагрівальні пристрої для вирішення проблем, пов'язаних з вологою, таких як невірне положення допоміжних переключачів та погані контакти в електричних механізмах управління.
Проте, існуючі дослідження просто перераховують точки аварій та акцентують увагу на обслуговуванні без фундаментальних рішень, що відображає низьку увагу до вторинних контурів. Обслужуючий персонал часто недооцінює електричні компоненти в порівнянні з механічними деталями, а незнайомство з будовою та принципами роботи вторинних компонентів, поєднане з небажанням проводити регулярні перевірки, є опосередкованими причинами аварій.
1.2 Стан досліджень проблем точності переключення
Для вирішення проблем точності переключення та механічної інерції, науковці вдосконалили керування двигунами, розробивши механізми управління на базі безщіткових колекторних двигунів (BLDC) та синхронних двигунів з постійним магнітом (PMSM). Механізм управління HVD на базі BLDC з ядром DSP та стратегією подвійного замкнутого контура регулювання показав ефективне регулювання швидкості переключення. Схожі методи для реального часу моніторингу швидкості забезпечують плавну роботу та покращену точність закриття, створюючи основу для розвитку розумних мереж. Варто звернути увагу, що ці дизайн-концепції все ще знаходяться на стадії теоретичних досліджень та лабораторних симуляцій, з непідтвердженою надійністю в практичному застосуванні.
2 Концепція розподіленого електричного механізму управління
На основі аналізу, основною причиною аварій механізмів управління є низька надійність електричного керуючого контуру, який сильно вразливий до впливу оточення. Затримка з обслуговуванням або інші проблеми можуть пошкодити електричні компоненти, що призводить до аварій переключення. У відповідь, ця стаття запропоновує розподілений дизайн електричного механізму управління.
2.1 Концепція розподіленого керування електричними механізмами управління
Розподілене керування розбиває весь системний комплекс на окремі сегменти, кожен з яких незалежно керується головним контролером. Цей дизайн розділяє модуль електричного керування від модуля приводу двигуна:
З урахуванням змінного зовнішнього оточення та вразливості кабелів, використовується стратегія розподілу часу на кабелі на основі принципу багатофункціональності TRIZ. Оскільки керуючі контури двигунів та контури індикації положення вимикача не потребують одночасної активізації, цей підхід дозволяє передавати сигнали для керування двигуном та індикації положення вимикача лише за допомогою 5 кабелів. Це значно зменшує вплив зовнішнього оточення на електричний механізм управління. Загальна концепція керування розподіленим електричним механізмом управління показана на Рис. 2.
2.2 Дизайн розподілених керуючих модулів
Широко застосовувані CJx-серійні електричні механізми управління проектуються з інтегрованими електричними та механічними компонентами, які працюють на вулиці протягом року в фіксованому положенні з моменту введення в експлуатацію. Ця інтеграція є ключовим фактором, що впливає на їх високий рівень аварійності. Модульний дизайн руйнує цю всієоб'ємну вуличну установку, розбиваючи механізм на два окремі модулі: модуль електричного керування та модуль механічного приводу.
Модульний дизайн має очевидні переваги: він дозволяє розташувати модуль електричного керування в середовищі зі стабільною температурою, значно зменшуючи вплив оточення на операції переключення HVD; а також мінімізує проводку між модулями, дозволяючи швидку заміну аварійних модулів, що пріоритетно "замінити-спочатку, відремонтувати-потім" для підвищення ефективності обслуговування та зменшення простоїв мережі.
2.2.1 Модуль електричного керування
Модуль електричного керування складається з головного контролера, переключача відкриття/закриття, реле, контурів індикації положення та захисника від втрати фаз, як зазначено в концепції дизайну на Рис. 3.
Логіка керування функціонує таким чином: сигнал переключення (відкриття/закриття) від кнопки надсилається контролеру, який регулює роботу двигуна відповідно до команди. Коли HVD знаходиться в стані відкриття, активується контур відкриття, світиться індикатор. Натискання кнопки закриття запускає контролер, що активує головне реле двигуна та реле переключення контуру закриття, що приводить до закриття HVD. Після завершення реле двигуна відключається, активуючи контур закриття та індикатор. Захисник від втрати фаз забезпечує захист контуру двигуна з функцією таймера, відключаючи головний контур в заданий час у разі аварій.
2.2.2 Модуль приводу двигуна
Модуль приводу двигуна в основному складається з AC двигуна, зменшувача швидкості, фрикційної муфти, допоміжного переключача Siemens, циркутів підсупресії дуги тиристорами, крайових зупинок та механічного блокування. Коли головний контролер надсилає команду відкриття/закриття, активується керуючий контур двигуна, що приводить до перемикання зменшувача швидкості та головного валу через двигун для операцій переключення. Крайові зупинки на верхівці головного валу, разом з механічним блокуванням, контролюють точність положення переключення. Однак, допоміжний переключач Siemens працює разом з циркутами підсупресії дуги тиристорами, що відключають керуючий контур двигуна, зупиняючи роботу двигуна. 90-градусний марж обертання між зменшувачем швидкості та головним валом дозволяє безнавантажене запускання двигуна. Вигляд модуля приводу двигуна показаний на Рис. 4.
2.3 Рішення для точності закриття вимикача
Операція закриття є ключовим етапом для високовольтного обладнання. Недостатня точність закриття може вплинути на стабільну роботу всієї енергетичної системи. Для подальшого підвищення точності відкриття та закриття електричного механізму управління, цей дизайн використовує механічне блокування, разом з допоміжним переключачем Siemens та фрикційною муфтою, що покращують точність до певної міри.
2.3.1 Допоміжний переключач Siemens та циркути підсупресії дуги тиристорами
Допоміжний переключач підключений до головного контуру двигуна для керування ввімкненням/вимкненням контуру двигуна. Допоміжний переключач не піддається корозії через вплив зовнішнього оточення, а його внутрішній фрикційний механізм запобігає випадковим закриттям. Контакти використовують пружинні штифти та жорсткі огорожі для забезпечення стабільних та надійних з'єднань. Конкретна структура показана на Рис. 6.
Принцип дизайну циркутів підсупресії дуги тиристорами: Під час відключення допоміжного переключача утворюється дуга. Для того, щоб запобігти тому, що дуга стає занадто великою та пошкоджує переключач, паралельно до допоміжного переключача підключається циркуйт підсупресії дуги тиристорами, що поглинає дугу. Конкретний дизайн циркуту показаний на Рис. 7, де контакти 1, 2, 3 та 4 є контактами допоміжного переключача. (Контакти 1 та 2 використовуються для керування ввімкненням/вимкненням циркуту підсупресії дуги тиристорами, а контакти 3 та 4 використовуються для керування ввімкненням/вимкненням головного контуру двигуна. Встановлено, що контакти 1 та 2 відключаються після контактів 3 та 4, щоб досягти мети підсупресії дуги).
2.3.2 Функція фрикційної муфти
Фрикційна муфта захищає двигун при будь-яких аномальних умовах роботи. Коли високовольтний вимикач займає своє місце після закриття, швидко відключається головний контур двигуна. Проте, через механічну інерцію, двигун не може зупинитися одразу. В цей момент, фрикційна муфта виступає як компонент, що знижує навантаження. Вона дозволяє фрикційному зубчатому колесу проворотитися, розряджаючи механічну інерцію двигуна та забезпечуючи точне положення високовольтного вимикача під час операцій відкриття та закриття. Крім того, налаштовуючи тугість пружини, можна змінити фрикційний момент, що підходить для операцій відкриття та закриття різних вимикачів. Фрикційна муфта показана на Рис. 8.
Переваги запропонованого дизайну над CJx-типовими електричними механізмами управління
Запропонований дизайн усуває електричні компоненти, такі як крайові переключачі та крайові зупинки, що зменшує фактори нестабільності та підвищує надійність електричного механізму управління. Він також усуває блок кінцевих контактів з численними контактами, спрощуючи проводку контуру. З модульним дизайном, лише п'ять кабелів з'єднують два модулі, значно підвищуючи ефективність ремонту аварій. Крім того, він може формувати багатошарову захисту разом з тепломагнітними автоматами та існуючими електронними пристроями захисту двигунів. Навіть якщо електричний керуючий контур відмовляє, механічне блокування та фрикційна муфта забезпечують безпеку двигуна. Фрикційна муфта протистоїть сили від механічної інерції двигуна, а механічне блокування запобігає "відскоку" крайової зупинки, забезпечуючи точне відкриття та закриття високовольтного вимикача та захист його цілісності. Крім того, безнавантажене запускання двигуна мінімізує стартовий струм, уникнувши удару обладнання та продовжуючи строк служби механізму управління.
3 Експериментальне підтвердження
При дотриманні відповідних стандартів, таких як "Високовольтні вимикачі та заземлювальні вимикачі" та "Загальні технічні вимоги до високовольтного обладнання для комутації та контролю", комбінація механічного блокування та фрикційної муфти додатково покращує точність відкриття та закриття вимикача. У порівнянні з CJx-сері
