Technische Transformationslösung für das Ausfallen des Leistungsmoduls des Vakuumschalters KC2

1. Projekt-Hintergrund und Problemübersicht
   Der Hochleistungsluftkompressor wird von einem 10kV-Mittelspannungsmotor angetrieben, und sein Startschrank war ursprünglich mit einer Autotransformator-Abstufstartmethode konzipiert. Der Startvorgang besteht aus zwei Phasen:

1. Startphase: Zuerst schaltet der Vakuumschütz KC1, um den Sternpunkt des Autotransformators zu kurzschließen, sodass der Motor bei 7kV startet.
2. Betriebsphase: Nach Abschluss des Startvorgangs schaltet KC1 ab, und der Vakuumschütz KC2 schaltet ein, um den Autotransformator zu kurzschließen und die 10kV-Hauptleitung zu verbinden, wodurch der Motor unter voller Spannung arbeitet.

Kernproblem: Im tatsächlichen Betrieb fällt das breitbandige Stromversorgungsmodul, das für die Versorgung der Spule des Schützes KC2 zuständig ist, häufig aus. Dieses Modulversagen führt dazu, dass die Spule des Schützes die Spannung verliert, was zu einem unerwarteten Abfall von KC2 und zu unplanmäßigen Stillständen der Produktionsanlagen führt und die Produktionsstabilität und -effizienz erheblich beeinträchtigt.

Das ursprüngliche breitbandige Stromversorgungsmodul ist eine verstärkte Gleichrichtereinheit mit den folgenden Kernfunktionen und Anforderungen:

• Dynamisches Umschalten der Ausgangsspannung: Es muss sofort 300V Gleichspannung bei Wechselstrom-Eingang zur Betätigung des Schützes liefern. Nach der Betätigung muss es innerhalb von etwa 15 ms präzise auf 12V Gleichspannung umschalten, um den eingeschalteten Zustand aufrechtzuerhalten. Ist die Umschaltzeit zu kurz, kann der Schütz nicht zuverlässig betätigt werden; ist sie zu lang, könnte der Sicherungsschutz durchbrennen.
• Auslösemechanismus für das Umschalten: Das Auslösen basiert auf der Erkennung des Ausgangsstroms. Wenn ein hoher Strom (der die Betätigung des Schützes anzeigt) detektiert wird, schaltet es nach 15 ms auf 12V; wenn kein Strom detektiert wird, bleibt es weiterhin 300V liefern.

II. Ursachenanalyse des Ausfalls
Direkte Ursache: Ortliche Inspektionen zeigten wiederholte Durchbrennungen der Sicherung im Modul. Der Hauptausfallpunkt war das Alter der internen Schaltkreise, was die rechtzeitige Umschaltung der Ausgangsspannung von 300V auf 12V nach der Betätigung des Schützes verhinderte. Dies führte zu einem anhaltenden 300V-Gleichspannungsausgang, der einen übermäßigen Strom erzeugte, der letztendlich die Sicherung durchbrennen und das Modul unbrauchbar machen ließ.

Ursächliche Faktoren:

1. Schlechte Wärmeabfuhrumgebung: Der Schütz KC2 und das Stromversorgungsmodul sind im Startschrank installiert, der geschlossen und mit begrenzter Lüftung und Wärmeabfuhr ist.
2. Fehler im Wartungsdesign: Zum technischen Schutz hat der Hersteller das gesamte Modul eingekapselt, was die Wärmeabfuhr zusätzlich behindert. Das Modul muss während des Betriebs stromführend bleiben, und in Umgebungen mit hohen Temperaturen altern die elektronischen Bauteile schnell, was zu Leistungsabnahmen und letztendlich zum Verlust der normalen Umschaltfunktion führt.

III. Lösung und Implementierung
1. Kernansatz zur Transformation
Verwerfen Sie das ursprüngliche "Doppelfunktions"-Design des Moduls (für Hochspannungs-Betätigung und Niederspannungs-Haltefunktion), das kostspielig und fehleranfällig ist. Wenden Sie stattdessen eine Funktionsaufteilung an:

• Nutzung vorhandener Komponenten: Nutzen Sie die Fähigkeit des ursprünglichen breitbandigen Stromversorgungsmoduls, temporär 300V Gleichspannung zu liefern, speziell zur Betätigung des Schützes.
• Hinzufügen neuer Komponenten: Einführen eines unabhängigen, kostengünstigen 12V-Gleichspannungs-Stromversorgungsmoduls, das speziell dafür ausgelegt ist, die Betätigung des Schützes nach der Aktivierung aufrechtzuerhalten.
• Kritische Steuerung: Sobald der Schütz sicher betätigt ist, schaltet die Steuerschaltung die Spannungsversorgung des ursprünglichen Moduls automatisch ab, um sicherzustellen, dass es nur kurzzeitig betrieben wird. Dies verhindert Durchbrennungen durch langes Betreiben im Hochspannungsmodus.

2. Schlüsselkomponenten und Funktionen des transformierten Systems

• Ursprüngliches breitbandiges Stromversorgungsmodul: Wird neu verwendet, um nur zeitweise 300V-Betätigungsspannung bereitzustellen.
• Neues 12V-Gleichspannungs-Stromversorgungsmodul: Verantwortlich für die Bereitstellung einer dauerhaften 12V-Halte-Spannung, außerhalb des Startschrankes in gut belüfteter Umgebung installiert.
• Trenndioden (2 Stück): Trennen die 300V- und 12V-Stromquellen, um gegenseitige Störungen und Rückflüsse zu verhindern.
• Steuerrelais (KA1): Bietet logische Steuersignale, um die sequentielle Ausführung des Betriebsprozesses sicherzustellen.
• Anti-Bouncing-Schaltung: Dient als redundantes Sicherheitsdesign, um unter unnormalen Bedingungen wiederholtes "Betätigen-Entbetätigen" des Schützes zu verhindern.

IV. Transformationsergebnisse
Diese technische Transformation hat erhebliche wirtschaftliche und operative Vorteile gebracht:

1. Signifikante Kosteneinsparungen: Die Hinzufügung eines neuen 12V-Stromversorgungsmoduls (ca. 100 RMB pro Stück) ersetzte das ursprüngliche breitbandige Modul (ca. 5.000 RMB pro Stück), reduzierte die Wartungskosten pro Gerät drastisch und brachte eine hohe Rendite.
2. Optimierte Betriebsumgebung: Das neue 12V-Modul ist außerhalb des Schranks installiert, was die Wärmeabfuhr erheblich verbessert und den bequemen Online-Statusmonitoring und -Wartung ermöglicht.
3. Verlängerte Geräte-Lebensdauer: Das ursprüngliche Modul arbeitet nur kurzfristig, was den Verschleiß erheblich reduziert. Das neue Modul arbeitet in einer idealen Umgebung, was seine Lebensdauer sichert. Die Gesamtlösung verlängert die Lebensdauer des KC2-Stromversorgungssystems erheblich.
4. Hohes Flexibilitätspotenzial: Diese Lösung kann sowohl als Reparaturmaßnahme nach dem Ausfall des ursprünglichen Moduls als auch als vorbeugende technische Modernisierung vor dem Ausfall implementiert werden, was Flexibilität bietet, unabhängig vom Zustand des ursprünglichen Moduls.
5. Erprobte Betriebsstabilität: Praktischer Betrieb hat die Zuverlässigkeit und Effektivität der Lösung demonstriert. Die erste Serie der umgestalteten Geräte hat über zwei Jahre ohne Stillstände aufgrund von KC2-Stromversorgungsproblemen stabil gearbeitet, was die Überlegenheit der Lösung vollständig bestätigt.