Monitorización de vibración e diagnóstico de fallos para reactores de alto voltaxe en paralelo

1 Tecnoloxía de Monitorización e Diagnóstico de Vibracións para Reactores de Baja Impedancia de Alta Tensión
1.1 Estratexia de Disposición dos Puntos de Medición

Os parámetros característicos de vibración (frecuencia, potencia, enerxía) dos reactores de baja impedancia de alta tensión están completamente rexistrados nos rexistros de operación. Para o análise de vibracións, centrase en resolver a complexidade da distribución do campo eléctrico nas extremidades das bobinas. Avaliar de forma cuantitativa a distribución da intensidade do campo baixo sobretensións de operación/rayo e as características do gradiente de tensión do aislamento longitudinal a sobretensión. A disposición dos puntos de medición debe cumprir os requisitos de autenticidade de vibración, seguridade e racionalidade enxeñeira. Debido ao alto risco de alta tensión na parte superior do tanque, os sensores deben colocarse preferentemente arredor da parede do tanque. Dividir a superficie exterior do tanque en unidades rectangulares, establecer os centros xeométricos como puntos estándar con numeración sistemática, asegurando un espazado entre puntos ≤ 50 cm, equilibrando o espazo de instalación e a cobertura de áreas clave. O esquema de disposición debe optimizarse dinamicamente baseándose na estrutura do equipo, especificacións técnicas e normas de seguridade, permitindo a trazabilidade de datos e o control de riscos.

1.2 Método de Extracción de Características do Sinal de Vibración

A monitorización de vibracións de reactores de baja impedancia de alta tensión recolle características de vibración a través dun sistema de sensores. Os experimentos utilizan dúas condicións: carga nominal do 75% e eliminación de restricións mecánicas. A vibración do equipo é impulsada por dous mecanismos: o efecto magnetoestrictivo do núcleo de ferro que causa deformación periódica lateral/longitudinal; a forza electromagnética alternada que induce vibración característica de 95 Hz na interface do núcleo-ferro. A sensibilidade á vibración provén do acoplamento electromecánico. Núcleos sueltos ou bobinas deformadas causan espectros de amplitud anómalos (95 Hz/150 Hz), formas de onda no dominio do tempo e coeficientes de componentes principais. Construír un sistema multidimensional de características de amplitud, asimetría e curtose. A investigación centrase en compoñentes de baixa frecuencia abaixo de 1 kHz, construindo un modelo de características de vibración mediante a cuantificación de leis de tempo-frecuencia para apoiar o diagnóstico de fallos.

O espectro de potencia discreto segmentado representado arriba representa un espectro de potencia de sinal, como na Fórmula (1).

Na fórmula: $N$ é o número de puntos de muestreo; $f$ é a taxa de muestreo; $o(k)$ é a suma dos cadrados das amplitudes de todos os compoñentes de frecuencia entre -80 Hz e 100 Hz. Debido á estrutura complexa dos reactores de baja impedancia de alta tensión, ocorren múltiples factores non lineares como reflexión e refracción dentro do mesmo. A amplitud de cada compoñente armónico varía en diferentes condicións.

1.3 Diagnóstico de Fallos Internos de Reactores de Baja Impedancia de 750 kV de Alta Tensión

Como dispositivo central de compensación de reactiva nos sistemas de enerxía, a fiabilidade operativa dos reactores de baja impedancia de alta tensión está directamente relacionada coa estabilidade do sistema. Estes reactores controlables teñen unha estrutura especial e mecanismos de fallo complexos, e os fallos poden causar riscos de sobrecorrente/sobretensión. Tomando como exemplo dispositivos de 750 kV, un fallo de gran capacidade entre espiras na bobina de control causa un desequilibrio no número de espiras. Os seus compoñentes harmónicos, ademais dos DC e de orde par, teñen superpostos harmónicos de orde impar. Ademais, como as forzas electromotrices inducidas nas columnas de núcleo dereita e esquerda da bobina de control defectuosa son diferentes, xenerase unha forza electromotriz desequilibrada $\Δe$ na bobina de control da fase defectuosa, como se mostra na Fórmula (2).

Na fórmula: w é a razón de voltas de curto circuito do reactor; χ é a tensión nominal da bobina de control. A amplitud, o coeficiente de compoñentes, a desviación estándar media no sinal de vibración e a forza electromotriz desequilibrada Δe na Fórmula (2) constitúen xuntos as características de fallo interno do reactor. O seu diagnóstico de fallo aparece na Fórmula (3).

Os estudos mostran que a correlación entre as características de vibración e o estado mecánico do reactor é máis forte que a que ten coa tensión, o que pode suprimir eficazmente a interferencia de fluctuacións da rede. Para un reactor de 750 kV en funcionamento normal, xenera harmónicos de orde par equilibrados a través da súa estrutura trifásica. Un fallo monofásico perturbará o equilibrio harmónico, e debido á característica de baixa resistencia da bobina de control, producirase unha corrente cinco veces a corrente nominal. Esta corrente anómala causará que a corrente do lado da rede aumente a cinco veces o nivel normal, acompañada de distorsión harmónica, ameazando a seguridade da rede de enerxía.

2 Verificación de Probas e Avaliación de Resultados
2.1 Construción da Plataforma de Probas

Constrúese un ambiente de simulación baseado nun modelo de campo eléctrico bidimensional axial simétrico, utilizando métodos numéricos para estudar as características do campo eléctrico. O sistema de probas transforma os cables e os compoñentes de aislamento do reactor nun modelo sólido 3D. A través da interface gráfica, permite a configuración parametrizada da carga de carga superficial do conductor, a identificación do potencial flotante do cable e a visualización dinámica do campo eléctrico.

Para a análise de aislamento longitudinal, adoptanse catro modos de onda mixta: excitación de onda completa/onda cortada na extremidade da bobina, carga de onda completa no final da liña e carga de onda cortada no punto neutro, simulando a distribución do gradiente de potencial da bobina en diferentes condicións de traballo. Na avaliación do aislamento principal, constrúese un modelo de acoplamento electro-mecánico para as áreas de concentración do campo eléctrico, realizando o cálculo de características de vibración e a extracción de características de fallo. O modelo usado nas probas ten unha tensión nominal de 45 kV, corrente nominal de 630 A e reactancia nominal de 1005 Ω.

2.2 Resultados e Análise das Probas

Realízanse probas de fallos de vibración neste método e noutros dous métodos. Comparamse os resultados das tres métodos, como se mostra na Táboa 1.

Segundo os datos da Táboa 2, comparado co Método 1 (erro máximo de 56 μm) e co Método 2 (erro máximo de 77 μm), o erro máximo do método de proba de vibración de reactores de baja impedancia de 750 kV deseñado neste artigo é só de 3 μm. Na Proba 6, o valor detectado de 30 μm é completamente consistente co valor establecido. O erro máximo deste método reducíuse en máis de 50 μm en comparación cos métodos tradicionais, e o valor detectado é o máis próximo ao valor real, verificando a efectividade do método.

A proba realizou unha análise espectral no punto de medición nº 3, e despois analizouse a causa do fallo. O diagrama espectral probado do punto de medición nº 3 do reactor móstrase na Figura 1.

Cando o circuito magnético principal pasa por panes de ferro e brechas de aire, forma un campo de forza Maxwell, cunha intensidade do dobre da corrente, reducindo a enerxía do campo magnético. A análise espectral mostra que a frecuencia de vibración de cada punto de medición é ~100 Hz, e o espectro coincide co valores de vibración no dominio do tempo, indicando que a vibración provén do efecto magnetoestrictivo do aislador do circuito magnético principal.

Este estudo utiliza a precisión do diagnóstico de fallos como indicador central, comparando o Método 1 tradicional, o Método 2 e o algoritmo deste artigo. Baseado nun conxunto de probas de 1000 casos: todos os tres métodos teñen precisións de referencia >97%. O método de proba de vibración e análise de fallos deste artigo realiza un rendemento excepcional, con unha precisión estable >99,5% e un pico de 99,8% nas probas de mostra completa. O pico/vale de precisión do Método 1 é de 98,88%/98,50%, e o intervalo de precisión do Método 2 é de 97,50% - 97,83%. En comparación co óptimo Método 1, este método mellora a precisión en 0,92 puntos porcentuais, aproximándose ao límite teórico de 100,00%, verificando a ventaxe de precisión para a proba de vibración e análise de fallos de reactores de 750 kV.

Para avaliar o rendemento, un experimento utiliza a precisión de recoñecemento de fallos como indicador central. As probas mostran que a precisión de detección estabilízase entre 99,50% - 99,80%, confirmando a efectividade dual: medir correctamente as características de vibración do reactor de 750 kV e diagnosticar fiablemente os fallos.

3 Conclusión

Os estudos mostran que cando o núcleo de ferro dun reactor de baja impedancia de alta tensión está suelto, as características de tempo-frecuencia do sinal de vibración cambian regularmente. Analizando parámetros como a fluctuación de amplitud, a varianza e a proporción de enerxía de 200 Hz, pódese avaliar o estado. Bandas de frecuencia caracterísitcas como 200 Hz, 300 Hz e 500 Hz están relacionadas coas condicións de traballo. O modelo de diagnóstico ten boa capacidade de identificación de fallos. A monitorización en liña de vibracións pode identificar afrouxamento do núcleo de ferro e deformación de bobinas, e as probas verifican a efectividade do método.