Công tắc cách ly điện áp cao và sự cố cơ chế hoạt động
Các công tắc cách ly điện áp cao (HVD) là thiết bị chuyển mạch quan trọng trong lưới điện, chủ yếu được sử dụng để cách ly nguồn điện kết hợp với cầu chì. Với đề xuất về "lưới điện số hóa", sự phát triển liên tục của công nghệ thiết bị chuyển mạch điện áp cao và sự mở rộng của lưới điện Trung Quốc, ứng dụng HVD đã tăng cả về số lượng và đa dạng. Cơ chế vận hành điện, một thành phần quan trọng kiểm soát chuyển động của HVD, đòi hỏi độ tin cậy và ổn định tuyệt đối.
HVD chiếm tỷ lệ hỏng hóc cao trong các thiết bị điện áp cao, với cơ chế vận hành là nguyên nhân chính gây ra sự cố. Các sự cố phổ biến của cơ chế vận hành bao gồm từ chối chuyển mạch, lỗi vận hành và mở/đóng không hoàn toàn. Hiện tượng chạy trốn của cơ chế vận hành - khi động cơ tiếp tục chạy - có thể dẫn đến mất điện lớn trong thiết bị lưới điện. Trong số đó, lỗi mở/đóng (bao gồm từ chối chuyển mạch, hoạt động không hoàn toàn và độ chính xác chuyển mạch thấp) ảnh hưởng đáng kể đến sự ổn định của lưới điện.
Nghiên cứu cho thấy rằng sự cố HVD do cơ chế vận hành điện chủ yếu bắt nguồn từ vấn đề mạch thứ cấp, như lỗi điều khiển do linh kiện điện chất lượng kém hoặc kết nối lỏng lẻo trong mạch thứ cấp. Đối với cơ chế vận hành điện loại CJx được sử dụng rộng rãi, động cơ bên trong được bảo vệ bởi cầu chì nhiệt-magnetic và thiết bị bảo vệ động cơ điện tử. Được phơi bày ngoài trời lâu dài, những cơ chế này duy trì tư thế vận hành trong 3-6 năm sau khi đưa vào sử dụng, nhưng các thành phần điều khiển điện của chúng rất dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường.
Vận hành kéo dài có thể làm lỏng các công tắc giới hạn và vít, dẫn đến chuyển mạch không hoàn toàn nếu không được phát hiện (ví dụ, sai lệch vị trí 5° trong Hình 1 tạo ra rủi ro cho lưới điện). Công tắc hành trình, quan trọng cho quá trình chuyển đổi chuyển mạch, chịu tác động của môi trường, gây oxy hóa tiếp điểm và giảm tuổi thọ.
Tóm tắt và Tình trạng Nghiên cứu về Lỗi Của Công Tắc Cách Ly Điện Áp Cao
Tóm lại, nguyên nhân chính của lỗi mở/đóng công tắc cách ly điện áp cao (HVD) có thể được phân loại thành hai loại: lỗi mạch điều khiển điện và lỗi hệ thống cơ khí. Bài viết này tập trung vào mạch điều khiển điện, chủ yếu bao gồm lỗi mạch động cơ, lỗi công tắc giới hạn và vấn đề mạch thứ cấp. Phân tích cho thấy tỷ lệ lỗi chuyển mạch cao chủ yếu do lỗi động cơ và mạch thứ cấp, ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của HVD. Do đó, giải quyết vấn đề an toàn và độ tin cậy của cơ chế vận hành HVD là cấp bách.
1. Tình trạng Nghiên cứu về Công Tắc Cách Ly Điện Áp Cao
Các nhà nghiên cứu và kỹ sư liên quan đã tiến hành nhiều nghiên cứu sâu rộng về các vấn đề trên và đề xuất các giải pháp xây dựng, tóm tắt trong hai khía cạnh chính:
1.1 Tình trạng Nghiên cứu về Lỗi Mạch Thứ Cấp
Nhiều nghiên cứu đã giải quyết các vấn đề về linh kiện điện trong mạch thứ cấp. Việc niêm phong kém của hộp cơ chế vận hành cho phép nước mưa xâm nhập, gây ra ăn mòn linh kiện, hỏng công tắc/ri-lê phụ trợ, tiếp xúc nút lỏng lẻo và kẹt cơ khí - dẫn đến từ chối chuyển mạch hoặc hoạt động không hoàn toàn. Các giải pháp đề xuất bao gồm bảo dưỡng thường xuyên, bảo vệ chống ẩm và sơ đồ dòng chảy lỗi để khắc phục sự cố nhanh chóng.
Đối với mài mòn cơ khí như chốt biến dạng, vít giới hạn lỏng lẻo hoặc vít bị mòn do quán tính động cơ, các biện pháp như kiểm tra thường xuyên và loại bỏ kịp thời các lỗi được khuyến nghị. Chất chống oxi hóa được đề xuất cho các mối nối dây bị ăn mòn, trong khi phương pháp kiểm tra điện áp/chống điện giúp chẩn đoán lỗi mạch thứ cấp - được cải thiện bằng việc ghi chép các lỗi để nâng cao hiệu quả khắc phục sự cố. Thiết bị sưởi ấm đã được đề xuất để giải quyết các vấn đề do độ ẩm như lệch vị trí công tắc phụ trợ và tiếp xúc kém trong cơ chế vận hành điện.
Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện tại chỉ liệt kê các điểm lỗi và nhấn mạnh bảo dưỡng mà không có giải pháp căn bản, phản ánh sự chú ý thấp đối với mạch thứ cấp. Nhân viên bảo dưỡng thường đánh giá thấp các linh kiện điện so với các bộ phận cơ khí, và sự không quen thuộc với cấu trúc/nguyên lý của các bộ phận thứ cấp - kết hợp với việc bỏ qua kiểm tra thường xuyên - là nguyên nhân gián tiếp gây ra sự cố.
1.2 Tình trạng Nghiên cứu về Vấn Đề Độ Chính Xác Chuyển Mạch
Để giải quyết độ chính xác chuyển mạch và quán tính cơ khí, các học giả đã cải thiện điều khiển động cơ bằng cách thiết kế cơ chế vận hành dựa trên động cơ DC không chổi than (BLDC) và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM). Cơ chế HVD dựa trên BLDC với lõi DSP và chiến lược điều khiển vòng kín kép đã chứng minh hiệu quả điều chỉnh tốc độ chuyển mạch. Các phương pháp tương tự cho giám sát tốc độ thực thời đảm bảo hoạt động mượt mà và cải thiện độ chính xác đóng, tạo nền tảng cho sự phát triển của lưới điện thông minh. Lưu ý rằng, các thiết kế này vẫn ở giai đoạn nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng phòng thí nghiệm, với độ tin cậy chưa được chứng minh trong ứng dụng thực tế.
2 Phương án Thiết Kế Cơ Chế Vận Hành Điện Phân tán
Dựa trên phân tích trên, nguyên nhân chính của sự cố cơ chế vận hành là độ tin cậy kém của mạch điều khiển điện, rất dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường. Bảo dưỡng chậm hoặc các vấn đề khác có thể làm hỏng các linh kiện điện, dẫn đến lỗi chuyển mạch. Để đáp ứng, bài viết này đề xuất một thiết kế phân tán cho cơ chế vận hành điện.
2.1 Khái niệm Điều Khiển Phân tán cho Cơ Chế Vận Hành Điện
Điều khiển phân tán chia toàn bộ hệ thống thành các đoạn riêng biệt, mỗi đoạn được điều khiển độc lập bởi bộ điều khiển chính. Thiết kế này tách module điều khiển điện khỏi module điều khiển động cơ:
Xem xét môi trường ngoại vi thay đổi và độ nhạy của cáp, chiến lược cáp chia sẻ theo thời gian được áp dụng dựa trên nguyên tắc đa dụng của TRIZ. Vì mạch điều khiển động cơ và mạch chỉ báo trạng thái chuyển mạch không cần kích hoạt đồng thời, cách tiếp cận này cho phép truyền tín hiệu cho cả điều khiển động cơ và chỉ báo vị trí công tắc cách ly bằng chỉ 5 cáp. Điều này giảm đáng kể tác động của môi trường ngoại vi lên cơ chế vận hành điện. Khái niệm điều khiển tổng thể của cơ chế vận hành điện phân tán được minh họa trong Hình 2.
2.2 Thiết Kế Các Module Điều Khiển Phân tán
Các cơ chế vận hành điện loại CJx được sử dụng rộng rãi được thiết kế với các thành phần điện và cơ khí tích hợp, hoạt động ngoài trời quanh năm trong một cấu hình cố định kể từ khi đưa vào sử dụng. Sự tích hợp này là yếu tố chính góp phần vào tỷ lệ hỏng hóc cao. Thiết kế mô-đun phá vỡ cấu trúc tích hợp này bằng cách chia cơ chế thành hai mô-đun riêng biệt: mô-đun điều khiển điện và mô-đun điều khiển cơ khí.
Thiết kế mô-đun mang lại các ưu điểm rõ rệt: nó cho phép mô-đun điều khiển điện được đặt trong môi trường ổn định nhiệt độ, giảm đáng kể tác động của môi trường đối với hoạt động chuyển mạch HVD; và giảm thiểu dây nối giữa các mô-đun, cho phép thay thế nhanh chóng các mô-đun hỏng - ưu tiên "thay thế trước, sửa chữa sau" để tăng cường hiệu quả bảo dưỡng và giảm thời gian ngắt lưới.
2.2.1 Mô-đun Điều Khiển Điện
Mô-đun điều khiển điện bao gồm bộ điều khiển chính, công tắc chuyển đổi mở/đóng, ri-lê, mạch chỉ báo vị trí và bảo vệ mất pha, như được nêu trong khái niệm thiết kế của Hình 3.
Chức năng logic điều khiển hoạt động như sau: tín hiệu chuyển mạch (mở/đóng) từ nút được gửi đến bộ điều khiển, điều chỉnh hoạt động của động cơ dựa trên lệnh. Khi HVD ở trạng thái mở, mạch chỉ báo vị trí mở được kích hoạt, bật đèn chỉ báo. Nhấn nút đóng kích hoạt bộ điều khiển để kích hoạt ri-lê động cơ chính và ri-lê chuyển mạch đóng, điều khiển HVD đóng. Sau khi hoàn thành, ri-lê động cơ ngắt, kích hoạt mạch chỉ báo vị trí đóng và đèn chỉ báo. Bộ bảo vệ mất pha bảo vệ mạch động cơ với chức năng hẹn giờ, ngắt mạch chính trong khoảng thời gian quy định khi xảy ra sự cố.
2.2.2 Mô-đun Điều Khiển Động Cơ
Mô-đun điều khiển động cơ chủ yếu bao gồm động cơ AC, bộ giảm tốc, khớp ma sát, công tắc phụ Siemens, mạch dập hồ quang thyristor, công tắc giới hạn và thiết bị khóa cơ khí. Khi bộ điều khiển chính gửi lệnh mở/đóng, mạch điều khiển động cơ được kích hoạt, điều khiển bộ giảm tốc và trục chính thông qua động cơ để thực hiện chuyển mạch. Công tắc giới hạn ở đầu trục chính, kết hợp với thiết bị khóa cơ khí, kiểm soát độ chính xác vị trí chuyển mạch. Đồng thời, công tắc phụ Siemens hoạt động cùng mạch dập hồ quang thyristor để ngắt mạch điều khiển động cơ, dừng hoạt động của động cơ. Một lề xoay 90 độ tại kết nối giữa bộ giảm tốc và trục chính cho phép khởi động không tải của động cơ. Hình dáng của mô-đun điều khiển động cơ được hiển thị trong Hình 4.
2.3 Giải Pháp cho Độ Chính Xác Đóng Công Tắc Cách Ly
Hành động đóng là bước quan trọng cho thiết bị chuyển mạch điện áp cao. Độ chính xác đóng không đủ có thể ảnh hưởng đến hoạt động ổn định của toàn bộ hệ thống điện. Để cải thiện thêm độ chính xác mở/đóng của cơ chế vận hành điện, thiết kế này sử dụng thiết bị khóa cơ khí, kết hợp với công tắc phụ Siemens và khớp ma sát, để cải thiện độ chính xác đến một mức độ nhất định.
2.3.1 Công Tắc Phụ Siemens và Mạch Dập Hồ Quang Thyristor
Công tắc phụ được kết nối với mạch động cơ chính để kiểm soát bật/tắt của mạch động cơ. Công tắc phụ không dễ bị gỉ do ảnh hưởng của môi trường ngoại vi, và cơ chế ma sát bên trong ngăn chặn đóng cửa ngẫu nhiên. Tiếp điểm sử dụng chốt có lò xo và vỏ cứng để đảm bảo kết nối ổn định và đáng tin cậy. Cấu trúc cụ thể được hiển thị trong Hình 6.
Nguyên tắc Thiết Kế Mạch Dập Hồ Quang Thyristor: Trong quá trình ngắt công tắc phụ, hồ quang được tạo ra. Để ngăn ngừa hồ quang quá lớn và làm hỏng công tắc, mạch dập hồ quang thyristor được kết nối song song với công tắc phụ để hấp thụ hồ quang. Thiết kế mạch cụ thể được hiển thị trong Hình 7, trong đó tiếp điểm 1, 2, 3 và 4 đều là tiếp điểm của công tắc phụ. (Tiếp điểm 1 và 2 được sử dụng để kiểm soát bật/tắt của mạch dập hồ quang thyristor, và tiếp điểm 3 và 4 được sử dụng để kiểm soát bật/tắt của mạch động cơ chính. Được thiết lập rằng tiếp điểm 1 và 2 ngắt sau tiếp điểm 3 và 4 để đạt mục đích dập hồ quang).
2.3.2 Chức Năng của Khớp Ma Sát
Khớp ma sát bảo vệ động cơ dưới bất kỳ điều kiện hoạt động bất thường nào. Một khi công tắc cách ly điện áp cao đã vào vị trí sau khi đóng, mạch động cơ chính được ngắt nhanh chóng. Tuy nhiên, do quán tính quay cơ khí, động cơ không thể dừng ngay lập tức. Tại thời điểm này, khớp ma sát hoạt động như một thành phần giảm lực. Nó cho phép bánh răng ma sát chạy rỗng, tiêu tan quán tính cơ khí của động cơ và đảm bảo vị trí chính xác của công tắc cách ly điện áp cao trong quá trình mở/đóng. Ngoài ra, bằng cách điều chỉnh độ chặt của lò xo, lực ma sát có thể được thay đổi để phù hợp với các hoạt động mở/đóng của các công tắc cách ly khác nhau. Khớp ma sát được hiển thị trong Hình 8.
Ưu Điểm của Phương án Thiết Kế so với Cơ Chế Vận Hành Điện Loại CJx
Phương án thiết kế đề xuất loại bỏ các thành phần điện như công tắc hành trình và công tắc giới hạn, giảm các yếu tố không ổn định và tăng cường độ tin cậy của cơ chế vận hành điện. Nó cũng loại bỏ khối cuối có nhiều điểm tiếp xúc, đơn giản hóa mạch dây. Với thiết kế mô-đun, chỉ cần năm cáp để kết nối hai mô-đun, cải thiện đáng kể hiệu quả sửa chữa sự cố. Ngoài ra, nó có thể tạo ra nhiều lớp bảo vệ với cầu chì nhiệt-magnetic và thiết bị bảo vệ động cơ điện tử hiện có. Ngay cả khi mạch điều khiển điện gặp sự cố, thiết bị khóa cơ khí và khớp ma sát vẫn đảm bảo an toàn cho động cơ. Khớp ma sát chống lại lực từ quán tính cơ khí của động cơ, và thiết bị khóa cơ khí ngăn chặn "nảy" của công tắc giới hạn, đảm bảo mở/đóng chính xác của công tắc cách ly điện áp cao và bảo vệ tính toàn vẹn của nó. Hơn nữa, khởi động không tải của động cơ giảm thiểu dòng khởi động, tránh sốc thiết bị và kéo dài tuổi thọ của cơ chế vận hành.
3 Xác Minh Thí Nghiệm
Tuân thủ các tiêu chuẩn liên quan như "Công tắc cách ly điện áp cao và công tắc nối đất" và "Yêu cầu kỹ thuật chung cho thiết bị chuyển mạch và điều khiển điện áp cao", sự kết hợp của thiết bị khóa cơ khí và khớp ma sát cải thiện thêm độ chính xác mở/đóng của công tắc cách ly. So với cơ chế vận hành điện loại CJx, nó cung cấp độ tin cậy và an toàn cao hơn. Phát hiện lỗi, thông qua nhiều lần thử nghiệm mở/đóng và đo lường sai lệch góc giữa công tắc giới hạn và vít giới hạn, cho thấy chúng rất gần nhau, với lỗi gia công thực tế trong phạm vi 1°, đầy đủ đáp ứng các tiêu chuẩn công nghệ. Vị trí thực tế được hiển thị trong Hình 9.
4 Kết Luận
Là một trong những thiết bị quan trọng trong lưới điện, độ tin cậy và an toàn của cơ chế vận hành của công tắc cách ly điện áp cao là cực kỳ quan trọng. Bài viết này lấy cơ chế vận hành điện làm đối tượng nghiên cứu, tiến hành thiết kế và phân tích chi tiết phương pháp điều khiển phân tán, và xác minh thông qua thí nghiệm, đạt được kết quả mong đợi.Dựa trên khái niệm điều khiển phân tán, động cơ được điều khiển bởi bộ điều khiển chính để kiểm soát an toàn và chính xác các hoạt động mở/đóng của công tắc cách ly điện áp cao.
Với cách tiếp cận thiết kế mô-đun, cơ chế vận hành điện được chia chủ yếu thành mô-đun điều khiển điện và mô-đun điều khiển động cơ, giảm độ phức tạp của dây nối và cải thiện tốc độ bảo dưỡng.Thiết bị khóa cơ khí được thiết lập. Kết hợp với các cấu trúc đặc biệt của công tắc phụ Siemens và khớp ma sát, độ chính xác mở/đóng của công tắc cách ly đã được cải thiện.
