Monitoraggio delle vibrazioni e diagnosi dei guasti per reattori shunt ad alta tensione
1 Tecnologia di monitoraggio delle vibrazioni e diagnostica dei guasti per reattori shunt ad alta tensione
1.1 Strategia di disposizione dei punti di misura
I parametri caratteristici delle vibrazioni (frequenza, potenza, energia) dei reattori shunt ad alta tensione sono registrati completamente nei log di operazione. Per l'analisi delle vibrazioni, si concentra sulla risoluzione della complessità della distribuzione del campo elettrico alle estremità degli avvolgimenti. Valuta quantitativamente la distribuzione della forza del campo sotto sovratensione di funzionamento/fulmine e le caratteristiche del gradiente di tensione dell'isolamento longitudinale a sovratensione nominale. La disposizione dei punti di misura deve soddisfare i requisiti di autenticità delle vibrazioni, sicurezza e razionalità ingegneristica. A causa del rischio di alta tensione sul coperchio, i sensori vengono preferibilmente posizionati intorno alla parete del serbatoio. Dividi la superficie esterna del serbatoio in unità rettangolari, imposta i centri geometrici come punti standard con numerazione sistematica, assicurando che la distanza tra i punti sia ≤ 50 cm, bilanciando lo spazio di installazione e la copertura delle aree chiave. Lo schema di disposizione dovrebbe essere ottimizzato dinamicamente in base alla struttura dell'equipaggiamento, alle specifiche tecniche e agli standard di sicurezza, consentendo la tracciabilità dei dati e il controllo dei rischi.
1.2 Metodo di estrazione delle caratteristiche del segnale di vibrazione
Il monitoraggio delle vibrazioni dei reattori shunt ad alta tensione raccoglie le caratteristiche delle vibrazioni attraverso un sistema di sensore. Gli esperimenti utilizzano due condizioni: carico al 75% della portata nominale e rimozione del vincolo meccanico. Le vibrazioni dell'equipaggiamento sono generate da due meccanismi: l'effetto magnetostrittivo del nucleo di ferro che causa una deformazione periodica laterale/longitudinale; la forza elettromagnetica alternata che induce una vibrazione caratteristica di 95 Hz all'interfaccia nucleo-di-ferro-dello-scarto. La sensibilità alle vibrazioni deriva dal collegamento elettromeccanico. Nuclei sciolti o avvolgimenti deformati causano spettri di ampiezza anomali (95 Hz/150 Hz), forme d'onda nel dominio del tempo e coefficienti principali. Costruisci un sistema multidimensionale di caratteristiche di ampiezza, asimmetria e curtosi. La ricerca si concentra sui componenti di bassa frequenza inferiori a 1 kHz, costruendo un modello caratteristico delle vibrazioni quantificando le leggi tempo-frequenza per supportare la diagnosi dei guasti.
Lo spettro di potenza discreto segmentato sopra rappresenta uno spettro di potenza del segnale, come in Formula (1).
Nella formula: è il numero di punti di campionamento; è la frequenza di campionamento; è la somma dei quadrati delle ampiezze di tutte le componenti di frequenza tra -80 Hz e 100 Hz. A causa della complessa struttura dei reattori shunt ad alta tensione, all'interno si verificano più fattori non lineari come riflessione e rifrazione. L'ampiezza di ciascuna componente armonica varia in condizioni diverse.
1.3 Diagnosi dei guasti interni dei reattori shunt ad alta tensione da 750 kV
Come dispositivo di compensazione reattiva di base nei sistemi di potenza, l'affidabilità operativa dei reattori shunt ad alta tensione è direttamente correlata alla stabilità del sistema. Questi reattori controllabili hanno una struttura speciale e meccanismi di guasto complessi, e i guasti possono causare rischi di sovratensione/sovratensione. Prendiamo come esempio i dispositivi da 750 kV. Un guasto di grande capacità tra bobine nell'avvolgimento di controllo causa un squilibrio del numero di spire. Le sue componenti armoniche, oltre a quelle DC e pari, presentano armoniche dispari sovrapposte. Inoltre, poiché le forze elettromotrici indotte nelle colonne di nucleo sinistro e destro dell'avvolgimento di controllo difettoso sono diverse, viene generata una forza elettromotrice indotta non bilanciata nell'avvolgimento di controllo difettoso, come mostrato in Formula (2).
Nella formula: w è il rapporto di giri cortocircuitati del reattore; χ è la tensione nominale dell'avvolgimento di controllo. L'ampiezza, il coefficiente di componente, la deviazione standard nel segnale di vibrazione e la forza elettromotrice indotta non bilanciata Δe in Formula (2) costituiscono insieme le caratteristiche di guasto interno del reattore. La sua diagnosi di guasto è mostrata in Formula (3).
Gli studi mostrano che la correlazione tra le caratteristiche delle vibrazioni e lo stato meccanico del reattore è più forte di quella con la tensione, che può efficacemente sopprimere l'interferenza dovuta alle fluttuazioni della rete elettrica. Per un reattore da 750 kV in funzione normale, genera armoniche pari bilanciate attraverso la sua struttura trifase. Un guasto monofase perturberà l'equilibrio armonico, e a causa della caratteristica di bassa resistenza dell'avvolgimento di controllo, verrà prodotto un sovratasso cinque volte superiore al nominale. Questa corrente anomala causerà un'impennata della corrente lato rete fino a cinque volte il livello normale, accompagnata da distorsione armonica, minacciando la sicurezza della rete elettrica.
2 Verifica sperimentale e valutazione dei risultati
2.1 Costruzione della piattaforma di test
Viene costruito un ambiente di simulazione basato su un modello di campo elettrico bidimensionale assialmente simmetrico, utilizzando metodi numerici per studiare le caratteristiche del campo elettrico. Il sistema di test trasforma i fili del reattore e i componenti isolanti in un modello solido 3D. Attraverso l'interfaccia grafica, consente l'impostazione parametrica della carica superficiale del conduttore, l'identificazione del potenziale galleggiante del filo e la visualizzazione dinamica del campo elettrico.
Per l'analisi dell'isolamento longitudinale, vengono adottate quattro modalità di onda mista: eccitazione a onda completa/ondata tagliata all'estremità dell'avvolgimento, carico a onda completa all'estremità della linea e carico a ondata tagliata al punto neutro, simulando la distribuzione del gradiente di potenziale dell'avvolgimento in diverse condizioni di lavoro. Nella valutazione dell'isolamento principale, viene costruito un modello di accoppiamento elettromeccanico per le aree di concentrazione del campo elettrico, realizzando il calcolo delle caratteristiche di vibrazione ed estraendo le caratteristiche di guasto. Il modello utilizzato per il test ha una tensione nominale di 45 kV, una corrente nominale di 630 A e una reattività nominale di 1005 Ω.
2.2 Risultati e analisi dei test
Vengono condotti test di guasto alle vibrazioni su questo metodo e su altri due metodi. I risultati dei tre metodi vengono confrontati, come mostrato nella Tabella 1.
Come si può vedere dai dati nella Tabella 2, rispetto al Metodo 1 (errore massimo di 56 μm) e al Metodo 2 (errore massimo di 77 μm), l'errore massimo del metodo di test delle vibrazioni del reattore shunt ad alta tensione da 750 kV progettato in questo articolo è solo di 3 μm. Nel Test 6, il suo valore rilevato di 30 μm è completamente conforme al valore impostato. L'errore massimo del metodo in questo articolo è ridotto di oltre 50 μm rispetto ai metodi tradizionali, e il valore rilevato è il più vicino al valore effettivo, verificando l'efficacia del metodo.
Il test ha effettuato un'analisi spettrale sul punto di misura n. 3, e poi ha analizzato la causa del guasto. Il diagramma spettrale testato del punto di misura n. 3 del reattore è mostrato in Figura 1.
Quando il circuito magnetico principale passa attraverso le fette di ferro e gli spazi vuoti, si forma un campo di forza di Maxwell, con un'intensità doppia della corrente, riducendo l'energia del campo magnetico. L'analisi spettrale mostra che la frequenza di vibrazione di ciascun punto di misura è ~100 Hz, e lo spettro è allineato con i valori di vibrazione nel dominio del tempo, indicando che le vibrazioni derivano dall'effetto magnetostrittivo dell'isolatore del circuito magnetico principale.
Questo studio utilizza l'accuratezza della diagnosi dei guasti come indicatore centrale, confrontando il Metodo tradizionale 1, il Metodo 2 e l'algoritmo di questo articolo. Basandosi su un set di test di 1000 casi: tutti e tre i metodi hanno accuratezze di riferimento >97%. Il metodo di test delle vibrazioni e analisi dei guasti di questo articolo si distingue, con un'accuratezza stabile >99,5% e un picco di 99,8% nei test su campione completo. Il picco/valle di accuratezza del Metodo 1 è 98,88%/98,50%, e l'intervallo di accuratezza del Metodo 2 è 97,50% - 97,83%. In confronto al miglior Metodo 1, questo metodo migliora l'accuratezza di 0,92 punti percentuali, avvicinandosi al limite teorico del 100,00%, verificando il vantaggio di accuratezza per il test delle vibrazioni e l'analisi dei guasti del reattore shunt ad alta tensione da 750 kV.
Per valutare le prestazioni, un esperimento utilizza l'accuratezza del riconoscimento dei guasti come indicatore centrale. I test mostrano che l'accuratezza di rilevamento si stabilizza tra il 99,50% e il 99,80%, confermando l'efficacia dual-function: misurazione accurata delle caratteristiche di vibrazione del reattore da 750 kV e diagnosi affidabile dei guasti.
3 Conclusione
La ricerca dimostra che quando il nucleo di ferro di un reattore shunt ad alta tensione è allentato, le caratteristiche tempo-frequenza del segnale di vibrazione cambiano in modo regolare. Analizzando i parametri come la fluttuazione dell'ampiezza, la varianza e la proporzione di energia a 200 Hz, si può valutare lo stato. Le fasce di frequenza caratteristiche come 200 Hz, 300 Hz e 500 Hz sono correlate alle condizioni di lavoro. Il modello di diagnosi ha buona capacità di identificazione dei guasti. Il monitoraggio online delle vibrazioni può identificare l'allentamento del nucleo di ferro e la deformazione degli avvolgimenti, e i test verificano l'efficacia del metodo.
