Monitorització de vibracions i diagnòstic de faltes per a reactances d'alta tensió en derivació

1 Tecnologia de monitoratge de vibracions i diagnòstic de faltes per a reactances d'alta tensió
1.1 Estratègia de disposició dels punts de mesura

Els paràmetres característics de vibració (freqüència, potència, energia) de les reactances d'alta tensió són registrats completament en els registres d'operació. Per a l'anàlisi de vibracions, es centra en resoldre la complexitat de la distribució del camp elèctric a les extremitats de l'enrotllament. Avaluar quantitativament la distribució de la intensitat del camp sota sobretensió d'operació/sobretensió de llamp i les característiques de gradient de tensió de l'aislament longitudinal a sobre la tensió nominal. La disposició dels punts de mesura ha de complir els requisits d'autenticitat de la vibració, seguretat i raonabilitat enginyerística. Degut al risc d'alta tensió al cap del dipòsit, els sensors s'haurien de col·locar al voltant de la paret del dipòsit. Dividir la superfície exterior del dipòsit en unitats rectangulars, establir els centres geomètrics com a punts estàndard amb numeració sistemàtica, assegurant una distància entre punts ≤ 50 cm, equilibrant l'espai d'instal·lació i la cobertura de les àrees clau. L'esquema de disposició hauria de ser optimitzat dinàmicament basant-se en l'estructura de l'equipament, les especificacions tècniques i els estàndards de seguretat, permetent la traçabilitat de dades i el control de riscos.

1.2 Mètode d'extracció de característiques del senyal de vibració

El monitoratge de vibracions de les reactances d'alta tensió recull les característiques de vibració mitjançant un sistema de sensorització. Les proves utilitzen dues condicions: càrrega al 75% de la nominal i eliminació de restriccions mecàniques. La vibració de l'equipament està impulsada per dos mecanismes: l'efecte magnetoestrictiu del nucli ferromagnètic que causa deformacions periòdiques laterals/longitudinals; la força electromagnètica alternada que induix una vibració característica de 95 Hz a la interfície del forat del nucli. La sensibilitat de la vibració prové del couplig electròmecànic. Nucs suaus o enrotllaments deformats causen espectres d'amplitud anòmal (95 Hz/150 Hz), ones en el domini temporal i coeficients de components principals. Construir un sistema multidimensional de característiques d'amplitud, assimetria i curtosi. La recerca es centra en components de baixa freqüència inferiors a 1 kHz, construint un model de característiques de vibració quantificant les lleis de temps-freqüència per a suportar el diagnòstic de faltes.

L'espectre de potència discret segmentat anterior representa un espectre de potència del senyal, com en la Fórmula (1).

En la fórmula: $N$ és el nombre de punts de mostreig de mesura; $f$ és la taxa de mostreig; $o(k)$ és la suma dels quadrats de les amplituds de tots els components de freqüència entre -80 Hz i 100 Hz. Degut a la estructura complexa de les reactances d'alta tensió, es produeixen múltiples factors no lineals com reflexió i refracció dins. L'amplitud de cada component harmònic varia sota diferents condicions.

1.3 Diagnòstic de faltes internes de reactances d'alta tensió de 750 kV

Com a dispositiu central de compensació de reactiva en sistemes elèctrics, la fiabilitat operativa de les reactances d'alta tensió està directament relacionada amb la stabilitat del sistema. Aquests reactors controlables tenen una estructura especial i mecanismes de fallida complexos, i les faltes poden causar riscos de sobrecorrent/sobretensió. Prenent com a exemple dispositius de 750 kV, una falla de gran capacitat entre bobines en l'enrotllament de control causa un desequilibri en el nombre de voltes. Els seus components harmònics, a més de DC i els de ordre parell, tenen superposats harmonics de ordre senar. També, ja que les forces electromotrius induïdes en les columnes de nucli de l'esquerra i la dreta de l'enrotllament de control defectuós són diferents, es genera una força electromotriu desequilibrada Δe en l'enrotllament de control de fase defectuosa, tal com es mostra en la Fórmula (2).

En la fórmula: w és la relació de voltes de curto-circuit del reactor; χ és la tensió nominal de l'enrotllament de control. L'amplitud, el coeficient de component, la desviació mitjana quadràtica en el senyal de vibració, i la força electromotriu desequilibrada Δe en la Fórmula (2) constitueixen conjuntament les característiques de faltes internes del reactor. El seu diagnòstic de faltes es mostra en la Fórmula (3).

Els estudis mostren que la correlació entre les característiques de vibració i l'estat mecànic del reactor és més forta que amb la tensió, el que pot suprimir eficaçment la interferència de fluctuacions de la xarxa elèctrica. Per a un reactor de 750 kV en funcionament normal, genera harmònics de ordre parell equilibrats a través de la seva estructura trifàsica. Una falla monofàsica interromprà l'equilibri harmònic, i degut a la característica de baixa resistència de l'enrotllament de control, es produirà una corrent cinc vegades superior a la corrent nominal. Aquesta corrent anormal farà que la corrent del costat de la xarxa augmenti cinc vegades el nivell normal, acompanyada de distorsió harmònica, amenaçant la seguretat de la xarxa elèctrica.

2 Verificació experimental i avaluació dels resultats
2.1 Construcció de la plataforma experimental

Es construeix un entorn de simulació basat en un model de camp elèctric bidimensional axisimètric, utilitzant mètodes numèrics per estudiar les característiques del camp elèctric. El sistema de prova transforma els fils i components d'aislament del reactor en un model sòlid 3D. A través de la interfície gràfica, permet la configuració parametrizada de la càrrega superficial del conductor, la identificació del potencial flotant del fil i la visualització dinàmica del camp elèctric.

Per a l'anàlisi de l'aislament longitudinal, s'adopten quatre modes d'ona mixta: excitació d'ona completa/onda retallada a l'extrem de l'enrotllament, càrrega d'ona completa a l'extrem de la línia, i càrrega d'ona retallada al punt neutre, simulant la distribució del gradient de potencial de l'enrotllament sota diferents condicions de treball. En l'avaluació de l'aislament principal, es construeix un model de couplig electro-mecànic per a les zones de concentració del camp elèctric, realitzant el càlcul de les característiques de vibració i l'extracció de característiques de faltes. El model utilitzat en la prova té una tensió nominal de 45 kV, una corrent nominal de 630 A i una reactància nominal de 1005 Ω.

2.2 Resultats i anàlisi de les proves

S'han realitzat proves de faltes de vibració mitjançant el mètode presentat en aquest article i dos altres mètodes. Es comparen els resultats de les tres mètodes, tal com es mostra en la Taula 1.

Com es pot veure en les dades de la Taula 2, en comparació amb el Mètode 1 (error màxim de 56 μm) i el Mètode 2 (error màxim de 77 μm), l'error màxim del mètode de prova de vibracions del reactor d'alta tensió de 750 kV dissenyat en aquest article és només de 3 μm. En la Prova 6, el seu valor detectat de 30 μm és completament consistent amb el valor establert. L'error màxim del mètode en aquest article es redueix en més de 50 μm en comparació amb els mètodes tradicionals, i el valor detectat és el més proper al valor real, verificant l'eficàcia del mètode.

La prova va realitzar un anàlisi espectral del punt de mesura número 3, i després va analitzar la causa de la falla. El diagrama d'espectre provat del punt de mesura número 3 del reactor es mostra en la Figura 1.

Quan el circuit magnètic principal passa a través de les taules de ferro i els forats d'aire, es forma un camp de forces de Maxwell, amb una intensitat el doble de la corrent, reduint l'energia del camp magnètic. L'anàlisi espectral mostra que la freqüència de vibració de cada punt de mesura és ~100 Hz, i l'espectre coincideix amb els valors de vibració en el domini temporal, indicant que la vibració prové de l'efecte magnetoestrictiu de l'aislant del circuit magnètic principal.

Aquest estudi utilitza la precisió del diagnòstic de faltes com a indicador central, comparant el Mètode Tradicional 1, el Mètode 2 i l'algoritme presentat en aquest article. Basant-se en un conjunt de proves de 1000 casos: tots tres mètodes tenen precisions de referència >97%. El mètode de prova de vibracions i anàlisi de faltes presentat en aquest article ofereix un rendiment excepcional, amb una precisió estable >99,5% i un píxel de 99,8% en les proves de tots els mostratges. El pic/vall de precisió del Mètode 1 és de 98,88%/98,50%, i la precisió del Mètode 2 oscil·la entre el 97,50% i el 97,83%. En comparació amb el Mètode 1 òptim, aquest mètode millora la precisió en 0,92 punts percentuals, acostant-se al límit teòric del 100,00%, verificant l'avantatge de precisió per a la prova de vibracions i l'anàlisi de faltes dels reactors d'alta tensió de 750 kV.

Per avaluar el rendiment, un experiment utilitza la precisió de reconeixement de faltes com a indicador central. Les proves mostren que la precisió de detecció es manté estable entre el 99,50% i el 99,80%, confirmant l'eficàcia de les funcions dobles: mesurar amb precisió les característiques de vibració dels reactors de 750 kV i diagnosticar de manera fiable les faltes.

3 Conclusió

La recerca mostra que quan el nucli de ferro d'un reactor d'alta tensió està suau, les característiques de temps-freqüència del senyal de vibració canvien regularment. Analitzant paràmetres com la fluctuació de l'amplitud, la variància i la proporció d'energia a 200 Hz, es pot avaluar l'estat. Bandes de freqüències característiques com 200 Hz, 300 Hz i 500 Hz estan relacionades amb les condicions de treball. El model de diagnòstic té una bona capacitat de identificació de faltes. El monitoratge en línia de vibracions pot identificar l'aflojament del nucli de ferro i la deformació de l'enrotllament, i les proves verifiquen l'eficàcia del mètode.