Monitoreo de Vibraciones y Diagnóstico de Fallas para Reactores de Baja Impedancia de Alta Tensión
1 Tecnología de Monitoreo de Vibración y Diagnóstico de Fallas para Reactores de Baja Impedancia de Alta Tensión
1.1 Estrategia de Disposición de Puntos de Medición
Los parámetros característicos de vibración (frecuencia, potencia, energía) de los reactores de baja impedancia de alta tensión se registran completamente en los registros de operación. Para el análisis de vibración, se enfoca en resolver la complejidad de la distribución del campo eléctrico en los extremos de las bobinas. Se evalúa cuantitativamente la distribución de la intensidad del campo bajo sobretensión de operación/rayo y las características de gradiente de voltaje del aislamiento longitudinal a sobretensión. La disposición de puntos de medición debe cumplir con los requisitos de autenticidad de la vibración, seguridad e ingeniería razonable. Debido al riesgo de alta tensión en la parte superior del tanque, los sensores se colocan preferentemente alrededor de la pared del tanque. Se divide la superficie externa del tanque en unidades rectangulares, se establecen los centros geométricos como puntos estándar con numeración sistemática, asegurando que la distancia entre puntos sea ≤ 50 cm, equilibrando el espacio de instalación y la cobertura de áreas clave. El esquema de disposición debe optimizarse dinámicamente basado en la estructura del equipo, especificaciones técnicas y normas de seguridad, permitiendo la trazabilidad de datos y el control de riesgos.
1.2 Método de Extracción de Características de la Señal de Vibración
El monitoreo de vibración de los reactores de baja impedancia de alta tensión recopila características de vibración a través de un sistema de detección. Los experimentos utilizan dos condiciones: 75% de carga nominal y eliminación de restricciones mecánicas. La vibración del equipo se genera por dos mecanismos: el efecto magnetoestrictivo del núcleo de hierro que causa deformaciones periódicas laterales/longitudinales; y la fuerza electromagnética alternante que induce una vibración característica de 95 Hz en la interfaz entre el núcleo de hierro y la brecha. La sensibilidad a la vibración proviene del acoplamiento electromecánico. Núcleos sueltos o bobinas deformadas causan espectros de amplitud anormales (95 Hz/150 Hz), formas de onda en el dominio del tiempo y coeficientes de componentes principales. Se construye un sistema multidimensional de características de amplitud, asimetría y curtosis. La investigación se centra en componentes de baja frecuencia por debajo de 1 kHz, construyendo un modelo de características de vibración mediante la cuantificación de leyes de tiempo-frecuencia para apoyar el diagnóstico de fallas.
El espectro de potencia discreto segmentado anterior representa un espectro de potencia de señal, como en la Fórmula (1).
En la fórmula: es el número de puntos de muestreo; es la tasa de muestreo; es la suma de los cuadrados de las amplitudes de todos los componentes de frecuencia entre -80 Hz y 100 Hz. Debido a la estructura compleja de los reactores de baja impedancia de alta tensión, ocurren múltiples factores no lineales como reflexión y refracción en su interior. La amplitud de cada componente armónico varía según diferentes condiciones.
1.3 Diagnóstico de Fallas Internas en Reactores de Baja Impedancia de 750 kV de Alta Tensión
Como un dispositivo de compensación de reactiva central en sistemas de energía, la confiabilidad operativa de los reactores de baja impedancia de alta tensión está directamente relacionada con la estabilidad del sistema. Estos reactores controlables tienen una estructura especial y mecanismos de falla complejos, y las fallas pueden causar riesgos de sobrecorriente/sobretensión. Tomemos como ejemplo los dispositivos de 750 kV. Una falla de gran capacidad entre vueltas en la bobina de control causa un desequilibrio en el número de vueltas. Sus componentes armónicos, además de los de corriente continua y de orden par, tienen superpuestos armónicos de orden impar. Además, ya que las fuerzas electromotrices inducidas en las columnas izquierda y derecha del núcleo de la bobina de control defectuosa son diferentes, se genera una fuerza electromotriz inducida desequilibrada en la bobina de control de la fase defectuosa, como se muestra en la Fórmula (2).
En la fórmula: w es la relación de vueltas de cortocircuito del reactor; χ es la tensión nominal de la bobina de control. La amplitud, el coeficiente de componentes, la desviación cuadrática media en la señal de vibración y la fuerza electromotriz inducida desequilibrada Δe en la Fórmula (2) constituyen juntas las características de falla interna del reactor. Su diagnóstico de fallas se muestra en la Fórmula (3).
Los estudios muestran que la correlación entre las características de vibración y el estado mecánico del reactor es más fuerte que la que tiene con la tensión, lo que puede suprimir eficazmente la interferencia de fluctuaciones de la red. Para un reactor de 750 kV en operación normal, genera armónicos pares equilibrados a través de su estructura trifásica. Una falla monofásica interrumpirá el equilibrio armónico, y debido a la característica de baja resistencia de la bobina de control, se producirá una corriente cinco veces mayor que la corriente nominal. Esta corriente anormal hace que la corriente del lado de la red aumente a cinco veces el nivel normal, acompañada de distorsión armónica, amenazando la seguridad de la red de energía.
2 Verificación de Pruebas y Evaluación de Resultados
2.1 Construcción de la Plataforma de Pruebas
Se construye un entorno de simulación basado en un modelo de campo eléctrico bidimensional axialsimétrico, utilizando métodos numéricos para estudiar las características del campo eléctrico. El sistema de pruebas transforma los cables y componentes de aislamiento del reactor en un modelo sólido 3D. A través de la interfaz gráfica, permite la configuración parametrizada de la carga superficial de los conductores, la identificación del potencial flotante de los cables y la visualización dinámica del campo eléctrico.
Para el análisis de aislamiento longitudinal, se adoptan cuatro modos de forma de onda mixta: excitación de onda completa/ondulada en el extremo de la bobina, carga de onda completa en el extremo de la línea y carga de onda cortada en el punto neutro, simulando la distribución del gradiente de potencial de la bobina bajo diferentes condiciones de trabajo. En la evaluación del aislamiento principal, se construye un modelo de acoplamiento electromecánico para las áreas de concentración del campo eléctrico, realizando cálculos de características de vibración y extracción de características de falla. El modelo utilizado en las pruebas tiene una tensión nominal de 45 kV, una corriente nominal de 630 A y una reactancia nominal de 1005 Ω.
2.2 Resultados y Análisis de las Pruebas
Se realizan pruebas de fallas de vibración en este método y en otros dos métodos. Se comparan los resultados de las tres pruebas, como se muestra en la Tabla 1.
A partir de los datos de la Tabla 2, en comparación con el Método 1 (error máximo de 56 μm) y el Método 2 (error máximo de 77 μm), el error máximo del método de prueba de vibración del reactor de baja impedancia de 750 kV diseñado en este artículo es solo de 3 μm. En la Prueba 6, su valor detectado de 30 μm es completamente consistente con el valor establecido. El error máximo del método de este artículo se reduce en más de 50 μm en comparación con los métodos tradicionales, y el valor detectado es el más cercano al valor real, verificando la efectividad del método.
La prueba realizó un análisis espectral en el punto de medición No. 3, y luego analizó la causa de la falla. El diagrama de espectro probado del punto de medición No. 3 del reactor se muestra en la Figura 1.
Cuando el circuito magnético principal pasa a través de los discos de hierro y las brechas de aire, se forma un campo de fuerza de Maxwell, con una intensidad dos veces la corriente, reduciendo la energía del campo magnético. El análisis espectral muestra que la frecuencia de vibración de cada punto de medición es de ~100 Hz, y el espectro se alinea con los valores de vibración en el dominio del tiempo, indicando que la vibración proviene del efecto magnetoestrictivo del aislador del circuito magnético principal.
Este estudio utiliza la precisión del diagnóstico de fallas como indicador central, comparando el Método Tradicional 1, el Método 2 y el algoritmo de este artículo. Basándose en un conjunto de pruebas de 1000 casos: los tres métodos tienen precisiones de referencia >97%. El método de prueba de vibración y análisis de fallas de este artículo se destaca, con una precisión estable >99.5% y un pico de 99.8% en pruebas de muestra completa. El pico/valle de precisión del Método 1 es de 98.88%/98.50%, y el rango de precisión del Método 2 es de 97.50% - 97.83%. En comparación con el mejor Método 1, este método mejora la precisión en 0.92 puntos porcentuales, acercándose al límite teórico del 100.00%, verificando la ventaja de precisión para la prueba de vibración y análisis de fallas de reactores de baja impedancia de 750 kV.
Para evaluar el rendimiento, un experimento utiliza la precisión de reconocimiento de fallas como indicador central. Las pruebas muestran que la precisión de detección se estabiliza en 99.50% - 99.80%, confirmando la eficacia dual: medir con precisión las características de vibración del reactor de 750 kV y diagnosticar confiablemente las fallas.
3 Conclusión
Los estudios muestran que cuando el núcleo de hierro de un reactor de baja impedancia de alta tensión está suelto, las características de tiempo-frecuencia de la señal de vibración cambian regularmente. Analizando parámetros como la fluctuación de amplitud, la varianza y la proporción de energía a 200 Hz, se puede evaluar el estado. Las bandas de frecuencia característica como 200 Hz, 300 Hz y 500 Hz están relacionadas con las condiciones de trabajo. El modelo de diagnóstico tiene una buena capacidad de identificación de fallas. El monitoreo en línea de vibraciones puede identificar aflojamiento del núcleo de hierro y deformación de las bobinas, y las pruebas verifican la efectividad del método.
