Schwingungsüberwachung und Fehlerdiagnose für Hochspannungs-Shunt-Reaktoren

1 Schwingungsüberwachung und Fehlersuche für Hochspannungs-Schaltreaktoren
1.1 Strategie für die Messpunktaufstellung

Die Schwingungscharakteristikparameter (Frequenz, Leistung, Energie) von Hochspannungs-Schaltreaktoren werden vollständig in den Betriebsprotokollen aufgezeichnet. Für die Schwingungsanalyse liegt der Fokus darauf, die Komplexität der elektrischen Feldverteilung an den Wicklungsenden zu klären. Die Feldstärkeverteilung unter Betriebs- und Blitzüberspannung sowie die Spannungsgradientencharakteristika der Längsinsulation bei über Nennspannung müssen quantitativ bewertet werden. Die Anordnung der Messpunkte muss den Anforderungen an die Authentizität der Schwingungen, Sicherheit und ingenieurtechnische Rationalität entsprechen. Aufgrund des hohen Spannungsrisikos an der Behälteroberseite sollten Sensoren um den Behälterrand herum platziert werden. Die äußere Oberfläche des Behälters wird in rechteckige Einheiten unterteilt, wobei die geometrischen Zentren als Standardpunkte mit systematischer Nummerierung dienen, um sicherzustellen, dass der Punktabstand ≤ 50 cm beträgt und ein Ausgewogenes zwischen Montageplatz und Abdeckung der Schlüsselbereiche gewährleistet wird. Das Layout sollte dynamisch optimiert werden, basierend auf der Gerätestruktur, technischen Spezifikationen und Sicherheitsstandards, um eine Rückverfolgbarkeit der Daten und Risikosteuerung zu ermöglichen.

1.2 Methode zur Extraktion von Schwingungssignalmerkmalen

Die Schwingungsüberwachung von Hochspannungs-Schaltreaktoren sammelt Schwingungsmerkmale über ein Sensiersystem. Experimente verwenden zwei Bedingungen: 75 % der Nennlast und Entfernung der mechanischen Einschränkungen. Die Schwingungen des Geräts werden durch zwei Mechanismen verursacht: den magnetostriktiven Effekt des Eisenkerns, der periodische Verformungen in Quer- und Längsrichtung verursacht, und die wechselnde elektromagnetische Kraft, die charakteristische Schwingungen mit 95 Hz an der Schnittstelle zwischen Eisenkern und Luftspalt induziert. Die Schwingungsempfindlichkeit ergibt sich aus dem elektromagnetisch-mechanischen Kopplungseffekt. Lockerer Kern oder verformte Wicklungen führen zu abnormen Amplitudenspektren (95 Hz/150 Hz), Zeitbereichswellenformen und Hauptkomponentenkoeffizienten. Es wird ein mehrdimensionales Merkmalsystem aus Amplitude, Schiefe und Wölbung aufgebaut. Der Forschungsschwerpunkt liegt auf den niedrigfrequenten Komponenten unter 1 kHz, um durch die Quantifizierung von Zeit-Frequenzgesetzen ein Schwingungscharakteristikmodell zur Unterstützung der Fehlersuche aufzubauen.

Das segmentierte diskrete Leistungsspektrum oben repräsentiert ein Signalleistungsspektrum, wie in Formel (1).

In der Formel: $N$ ist die Anzahl der Messpunkte; $f$ ist die Abtastfrequenz; $o(k)$ ist die Summe der Quadrate der Amplituden aller Frequenzkomponenten zwischen -80 Hz und 100 Hz. Aufgrund der komplexen Struktur von Hochspannungs-Schaltreaktoren treten innerhalb des Geräts mehrere nichtlineare Faktoren wie Reflexion und Brechung auf. Die Amplitude jeder harmonischen Komponente variiert unter verschiedenen Bedingungen.

1.3 Diagnose interner Fehler von 750 kV Hochspannungs-Schaltreaktoren

Als zentrales Reaktivleistungskompensationselement in Stromnetzen ist die Betriebssicherheit von Hochspannungs-Schaltreaktoren direkt mit der Systemstabilität verbunden. Diese steuerbaren Reaktoren haben eine spezielle Struktur und komplexe Ausfallmechanismen, und Fehler können Überstrom- und Überspannungsrisiken verursachen. Nehmen wir 750 kV-Geräte als Beispiel. Ein großvolumiger Zwischenwindungsausfall in der Steuerwicklung führt zu einem Ungleichgewicht der Windungszahl. Neben DC- und geraden Ordnungen haben ihre harmonischen Komponenten auch überlagerte ungerade Harmonische. Da die induzierten Elektromotivkräfte in den linken und rechten Kernen der defekten Steuerwicklung unterschiedlich sind, entsteht in der defekten Phasensteuerwicklung eine ungleich verteilte induzierte Elektromotivkraft $\Δe$, wie in Formel (2) dargestellt.

In der Formel: w ist das Kurzschlusswendelverhältnis des Reaktors; χ ist die Nennspannung der Steuerwicklung. Die Amplitude, Komponentenkoeffizient, mittlere quadratische Abweichung im Schwingungssignal und die ungleich verteilte induzierte Elektromotivkraft Δe in Formel (2) bilden zusammen die internen Fehlermerkmale des Reaktors. Die Fehlersuche wird in Formel (3) dargestellt.

Studien zeigen, dass die Korrelation zwischen den Schwingungscharakteristiken und dem mechanischen Zustand des Reaktors stärker ist als die mit der Spannung, was Störungen durch Netzfluktuationen effektiv unterdrücken kann. Bei einem 750 kV-Reaktor im normalen Betrieb erzeugt seine Dreiphasenstruktur ausbalancierte gerade Ordnungen. Ein Einphasenfehler würde dieses Gleichgewicht stören, und aufgrund des niedrigen Widerstands der Steuerwicklung würde ein fünfmal so hoher Überstrom wie der Nennstrom erzeugt. Dieser ungewöhnliche Strom würde die Netzstromstärke auf fünfmal den normalen Wert steigern, begleitet von harmonischer Verzerrung, was die Sicherheit des Stromnetzes bedrohen würde.

2 Testverifizierung und Ergebnisbewertung
2.1 Aufbau des Testsystems

Es wird eine Simulationsumgebung auf der Grundlage eines zweidimensionalen achsialsymmetrischen elektrischen Feldmodells erstellt, wobei numerische Methoden verwendet werden, um die elektrischen Feldcharakteristika zu untersuchen. Das Testsystem transformiert Reaktordrähte und Isolationskomponenten in ein 3D-Solidmodell. Über die grafische Benutzeroberfläche ermöglicht es die parametrisierte Einstellung der Oberflächenladung der Leiter, die Identifizierung der schwimmenden Potentialen der Drähte und die dynamische Visualisierung des elektrischen Feldes.

Für die Analyse der Längsinsulation werden vier gemischte Wellenformmodi angewendet: Vollwellen- und Chopperwellenanregung am Wicklungsanfang, Vollwellenbelastung am Linienende und Chopperwellenbelastung am Neutralpunkt, um die Potentialgradientenverteilung der Spulen unter verschiedenen Arbeitsbedingungen zu simulieren. In der Bewertung der Hauptisolierung wird ein elektromechanisches Kopplungsmodell für Bereiche mit hoher elektrischer Feldkonzentration erstellt, um die Berechnung der Schwingungscharakteristika und die Extraktion der Fehlermerkmale zu ermöglichen. Das im Test verwendete Modell hat eine Nennspannung von 45 kV, einen Nennstrom von 630 A und einen Nennwiderstand von 1005 Ω.

2.2 Testergebnisse und Analyse

Schwingungsfehlertests werden mit dieser Methode und zwei anderen Methoden durchgeführt. Die Testergebnisse der drei Methoden werden verglichen, wie in Tabelle 1 dargestellt.

Wie aus den Daten in Tabelle 2 ersichtlich, zeigt im Vergleich zu Methode 1 (maximaler Fehler von 56 μm) und Methode 2 (maximaler Fehler von 77 μm), hat die in diesem Artikel entwickelte Schwingungstestmethode für 750 kV Hochspannungs-Schaltreaktoren nur einen maximalen Fehler von 3 μm. Im Test 6 ist der ermittelte Wert von 30 μm vollkommen identisch mit dem Sollwert. Der maximale Fehler der in diesem Artikel vorgestellten Methode ist um mehr als 50 μm gegenüber traditionellen Methoden reduziert, und der ermittelte Wert ist am nächsten am tatsächlichen Wert, was die Wirksamkeit der Methode bestätigt.

Der Test führte eine Spektralanalyse des Messpunkts Nr. 3 durch und analysierte dann die Ursache des Fehlers. Das getestete Spektrum des Messpunkts Nr. 3 des Reaktors ist in Abbildung 1 dargestellt.

Wenn der Hauptmagnetkreis durch Eisenscheiben und Luftspalten läuft, bildet sich ein Maxwell-Kraftfeld, dessen Intensität zweimal so hoch ist wie die des Stroms, wodurch die magnetische Feldenergie reduziert wird. Die Spektralanalyse zeigt, dass die Schwingungsfrequenz jedes Messpunkts etwa 100 Hz beträgt und das Spektrum mit den Zeitbereichsschwingungswerten übereinstimmt, was darauf hinweist, dass die Schwingungen aus dem magnetostriktiven Effekt des Hauptmagnetkreises resultieren.

Diese Studie verwendet die Genauigkeit der Fehlersuche als zentrales Indikator, um die traditionelle Methode 1, Methode 2 und den Algorithmus dieses Artikels zu vergleichen. Basierend auf einem Testset von 1000 Fällen: Alle drei Methoden haben Referenzgenauigkeiten >97%. Die in diesem Artikel vorgestellte Schwingungstest- und Fehlersuchmethode leistet herausragende Leistungen, mit einer Genauigkeit, die stabil >99,5% und einem Spitzenwert von 99,8% in Tests mit vollständigem Datensatz. Die Genauigkeitspeaks und -tiefs von Methode 1 liegen bei 98,88% und 98,50%, während die Genauigkeitsbereiche von Methode 2 97,50% bis 97,83% betragen. Im Vergleich zur besten Methode 1 verbessert diese Methode die Genauigkeit um 0,92 Prozentpunkte, was nahe an dem theoretischen Limit von 100,00% herankommt und die Genauigkeitsvorteile für Schwingungstests und Fehlersuchen bei 750 kV Schaltreaktoren bestätigt.

Um die Leistung zu bewerten, verwendet ein Experiment die Genauigkeit der Fehlersuche als zentrales Indikator. Die Tests zeigen, dass die Erkennungsrate stabil bei 99,50% bis 99,80% liegt, was die Doppelfunktion bestätigt: genaue Messung der Schwingungscharakteristika von 750 kV Reaktoren und zuverlässige Fehlersuche.

3 Schlussfolgerung

Die Untersuchung zeigt, dass sich bei lockerem Eisenkern eines Hochspannungs-Schaltreaktors die Zeit-Frequenzcharakteristika des Schwingungssignals regelmäßig ändern. Durch die Analyse von Parametern wie Amplitudenfluktuation, Varianz und der Energieanteil bei 200 Hz kann der Zustand bewertet werden. Charakteristische Frequenzbänder wie 200 Hz, 300 Hz und 500 Hz hängen mit den Arbeitsbedingungen zusammen. Das Diagnosemodell hat eine gute Fehlererkennungsfähigkeit. Die Online-Schwingungsüberwachung kann das Lockern des Eisenkerns und die Verformung der Wicklungen erkennen, und die Tests bestätigen die Wirksamkeit der Methode.