Monitorování vibrací a diagnostika poruch pro vysokovoltové paralelní reaktory

1 Technologie sledování vibroace a diagnostiky poruch pro vysokonapěťové paralelní reaktory
1.1 Strategie rozvržení měřicích bodů

Charakteristické parametry vibroace (frekvence, výkon, energie) vysokonapěťových paralelních reaktorů jsou plně zaznamenány v provozních protocolech. Pro analýzu vibroace se zaměřuje na řešení složitosti rozložení elektrického pole u konců cívek. Kvantitativně hodnotíte rozložení intenzity pole za provozních/proudových přepětí a charakteristiky gradientu napětí podlouhlé izolace při nadměrném napětí. Rozvržení měřicích bodů musí splňovat požadavky na autentičnost vibroace, bezpečnost a inženýrskou racionálnost. Vzhledem k riziku vysokého napětí na vrchu nádrže jsou senzory preferovaně umístěny okolo stěny nádrže. Povrch nádrže je rozdělen do obdélníkových jednotek, geometrické středy jsou stanoveny jako standardní body s systémem číslování, což zajišťuje, že vzdálenost mezi body ≤ 50 cm, vyváží prostor pro instalaci a pokrytí klíčových oblastí. Schéma rozvržení by mělo být dynamicky optimalizováno na základě struktury zařízení, technických specifikací a bezpečnostních standardů, umožňující stopovatelnost dat a kontrolu rizik.

1.2 Metoda extrakce charakteristik vibračních signálů

Sledování vibroace vysokonapěťových paralelních reaktorů shromažďuje vibrační charakteristiky prostřednictvím senzorového systému. Experimenty používají dvě podmínky: 75% nominálního zatížení a odstranění mechanických omezení. Vibroace zařízení je poháněna dvěma mechanismy: magnetostrukčním efektem jádra, který způsobuje periodické deformace v průběhu a v délce, a střídavou elektromagnetickou silou, která indukuje charakteristickou vibroaci 95 Hz na rozhraní mezi jádrem a mezí. Citlivost na vibroaci pochází z elektromechanického spojení. Uvolněné jádro nebo deformované cívky způsobují neobvyklé amplitudové spektry (95 Hz/150 Hz), časové vlnové formy a koeficienty hlavních komponent. Vytvořte vícedimenzionální systém charakteristik, který zahrnuje amplitudu, šikmost a špičkovost. Výzkum se zaměřuje na nízkofrekvenční složky pod 1 kHz, buduje model charakteristik vibroace kvantifikací časově-frekvenčních zákonů, aby podporoval diagnostiku poruch.

Výše uvedený segmentovaný diskrétní spektrum výkonu představuje spektrum výkonu signálu, jak je uvedeno ve Formuli (1).

Ve formuli: $N$ je počet měřicích vzorkovacích bodů; $f$ je vzorkovací frekvence; $o(k)$ je součet čtverců amplitud všech frekvenčních složek mezi -80 Hz a 100 Hz. V důsledku komplexní struktury vysokonapěťových paralelních reaktorů se v nich vyskytují mnohé nelineární faktory, jako jsou odrazy a lom. Amplituda každé harmonické složky se mění v závislosti na různých podmínkách.

1.3 Diagnostika vnitřních poruch u 750 kV vysokonapěťových paralelních reaktorů

Jako základní zařízení pro kompenzaci reaktivního výkonu v elektrických systémech je provozní spolehlivost vysokonapěťových paralelních reaktorů přímo spojena se stabilitou systému. Tyto kontrolovatelné reaktory mají speciální strukturu a komplexní mechanismy poruch, a poruchy mohou způsobit rizika nadměrného proudu/nadměrného napětí. Uveďme za příklad zařízení 750 kV. Velká kapacitní mezičiveční porucha v řídicí cívkové skupině způsobuje nerovnováhu v počtu závitů. Kromě DC a sudých harmonických složek má také superpozici lichých harmonických složek. Navíc, protože indukované elektromotorické síly v levém a pravém sloupku jádra vadného řídicího cívkového balení se liší, je v fázovém řídicím cívkovém balení generována nerovnovážná indukovaná elektromotorická síla $\Δe$, jak je uvedeno ve Formuli (2).

Ve formuli: w je poměr krátkodobého zapojení závitů reaktoru; χ je nominální napětí řídicí cívkové skupiny. Amplituda, koeficient složky, střední kvadratická odchylka v vibračním signálu a nerovnovážná indukovaná elektromotorická síla Δe ve Formuli (2) společně tvoří charakteristiky vnitřních poruch reaktoru. Jeho diagnostika poruch je uvedena ve Formuli (3).

Studie ukazují, že korelace mezi charakteristikami vibroace a mechanickým stavem reaktoru je silnější než ta s napětím, což efektivně potlačuje rušení z kolísání elektrické sítě. U reaktoru 750 kV v normálním provozu generuje jeho třífázová struktura vyvážené sudé harmonické složky. Jednofázová porucha poruší rovnováhu harmonických složek a v důsledku nízkého odporu řídicí cívkové skupiny bude vyprodukovaný proud pětkrát vyšší než nominální přetok. Tento neobvyklý proud způsobí, že proud na straně sítě naroste na pětkrát normální úroveň, doprovázený harmonickými zkresleními, což ohrožuje bezpečnost elektrické sítě.

2 Testování a hodnocení výsledků
2.1 Vytvoření testovací platformy

Simulační prostředí je postaveno na základě dvourozměrného axiálně symetrického modelu elektrického pole, kde numerické metody slouží k studiu charakteristik elektrického pole. Testovací systém transformuje dráty a izolační komponenty reaktoru do 3D pevného modelu. Přes grafické rozhraní umožňuje parametrizované nastavení povrchového náboje vodiče, identifikaci plovoucího potenciálu drátů a vizualizaci dynamického elektrického pole.

Pro analýzu podlouhlé izolace jsou použity čtyři smíšené vlnové módy: plná vlna/chopovaná vlna na konci cívky, plná vlna na konci linky a chopovaná vlna na neutrálním bodě, simulující rozložení potenciálního gradientu cívky za různých pracovních podmínek. Při hodnocení hlavní izolace je postaven model elektromechanického spojení pro oblasti koncentrace elektrického pole, realizující výpočet charakteristik vibroace a extrakci charakteristik poruch. Použitý testovací model má nominální napětí 45 kV, nominální proud 630 A a nominální reaktanci 1005 Ω.

2.2 Výsledky a analýza testů

Testy poruch vibroace byly provedeny metodou popsanou v tomto článku a dvěma dalšími metodami. Výsledky tří metod byly porovnány, jak je uvedeno v Tabulce 1.

Jak je vidět z dat v Tabulce 2, ve srovnání s metodou 1 (největší chyba 56 μm) a metodou 2 (největší chyba 77 μm), má největší chyba testovací metody vibroace 750 kV vysokonapěťového paralelního reaktoru navržené v tomto článku pouze 3 μm. V testu 6 je jeho detekovaná hodnota 30 μm úplně shodná s nastavenou hodnotou. Největší chyba metody v tomto článku je snížena o více než 50 μm ve srovnání s tradičními metodami a detekovaná hodnota je nejblíže skutečné hodnotě, což potvrzuje účinnost metody.

Test provedl spektrální analýzu měřicího bodu č. 3 a pak analyzoval příčinu poruchy. Testovaný spektrální diagram měřicího bodu č. 3 reaktoru je uveden na obrázku 1.

Když hlavní magnetický obvod prochází železnými destičkami a vzduchovými mezery, vzniká pole Maxwellových sil, jehož intenzita je dvojnásobkem proudu, což snižuje magnetickou energii. Spektrální analýza ukazuje, že frekvence vibroace každého měřicího bodu je ~100 Hz a spektrum odpovídá časovým vibračním hodnotám, což naznačuje, že vibroace pochází z magnetostrukčního efektu hlavního magnetického obvodu izolátoru.

Tato studie používá přesnost diagnostiky poruch jako hlavní ukazatel, porovnávající tradiční metodu 1, metodu 2 a algoritmus popsaný v tomto článku. Na základě sadu 1000 testů: všechny tři metody mají referenční přesnosti >97%. Metoda testování a analýzy poruch vibroace popsaná v tomto článku dosahuje vynikajícího výkonu, s přesností stabilně >99,5 % a vrcholem 99,8 % v testech na plném vzorku. Přesnost metody 1 dosahuje vrcholu/dolní hranice 98,88%/98,50%, a přesnost metody 2 se pohybuje v rozmezí 97,50% - 97,83%. Ve srovnání s optimální metodou 1 tato metoda zlepšuje přesnost o 0,92 procentních bodů, blížíc se teoretickému limitu 100,00%, což potvrzuje přesnostovou výhodu pro testování a analýzu poruch vibroace 750 kV paralelních reaktorů.

Pro hodnocení výkonu byl experiment použit s přesností rozpoznávání poruch jako hlavním ukazatelem. Testy ukazují, že přesnost detekce se stabilizuje na 99,50% - 99,80%, potvrzující dvojitou funkčnost: přesné měření charakteristik vibroace 750 kV reaktoru a spolehlivou diagnostiku poruch.

3 Závěr

Výzkum ukazuje, že když je jádro vysokonapěťového paralelního reaktoru uvolněno, se časově-frekvenční charakteristiky vibračního signálu pravidelně mění. Analýza parametrů, jako jsou fluktuace amplitudy, variance a podíl energie 200 Hz, může posoudit stav. Charakteristické frekvenční pásma, jako jsou 200 Hz, 300 Hz a 500 Hz, jsou spojena s pracovními podmínkami. Model diagnostiky má dobré schopnosti identifikace poruch. Online sledování vibroace může identifikovat uvolnění jádra a deformaci cívek, a testy potvrzují účinnost metody.