高圧シャントリアクタの振動監視と故障診断

1 高圧シャントリアクタの振動監視と故障診断技術
1.1 測定点配置戦略

高圧シャントリアクタの振動特性パラメータ（周波数、パワー、エネルギー）は運転ログに完全に記録されます。振動分析では、巻線端部での電界分布の複雑さを解決することが焦点となります。動作/落雷過電圧下での電界強度分布と過定格電圧下での縦方向絶縁の電圧勾配特性を定量的に評価します。測定点の配置は、振動の信頼性、安全性、エンジニアリング的妥当性を満たす必要があります。タンク上部の高電圧リスクにより、センサーはタンク壁周囲に設置するのが望ましいです。タンクの外表面を長方形の単位に分割し、幾何学的な中心点を標準点として系統的に番号付けし、点間隔が50 cm以下になるように設定することで、設置スペースと重要なエリアのカバーをバランスさせます。配置計画は設備構造、技術仕様、安全基準に基づいて動的に最適化され、データのトレーサビリティとリスク管理を可能にします。

1.2 振動信号特徴抽出法

高圧シャントリアクタの振動監視は、センシングシステムを通じて振動特徴を収集します。実験では75%定格負荷と機械制約の除去という2つの条件を使用します。装置の振動は、鉄心の磁気伸縮効果による横/縦方向の周期的な変形と、鉄心-ギャップ界面での95 Hzの特性振動を引き起こす交流電磁力の2つのメカニズムによって駆動されます。振動感度は電磁-機械結合から生じます。緩んだ鉄心や変形した巻線は、異常な振幅スペクトル（95 Hz/150 Hz）、時間領域波形、主成分係数を引き起こします。振幅、歪度、尖度の多次元特徴システムを構築します。研究は1 kHz以下の低周波成分に焦点を当て、時間-周波数法則を定量化して振動特性モデルを構築し、故障診断をサポートします。

上記の分割された離散パワースペクトルは信号パワースペクトルを表しており、式(1)のように示されます。

式中：Nは測定サンプリング点数；fはサンプリングレート；o(k)は-80 Hzから100 Hzまでのすべての周波数成分の振幅の二乗和です。高圧シャントリアクタの複雑な構造により、内部で反射や屈折などの複数の非線形要素が発生します。各高調波成分の振幅は異なる条件下で変化します。

1.3 750 kV高圧シャントリアクタの内部故障診断

高圧シャントリアクタは電力システムにおける主要なリアクティブ電力補償装置であり、その運用信頼性はシステムの安定性に直接関係しています。これらの制御可能なリアクタは特殊な構造と複雑な故障メカニズムを持ち、故障により過電流/過電圧のリスクが生じることがあります。750 kVの装置を例にとって説明します。制御巻線での大容量ターン間故障はターン数の不均衡を引き起こします。その高調波成分には直流と偶数次のものに加えて奇数次の高調波が重ね合わされます。また、故障した制御巻線の左右のコア柱での誘導起電力が異なるため、故障相の制御巻線で不平衡誘導起電力Δeが生成されます。これは式(2)に示されます。

式中：wはリアクタの短絡ターン比；χは制御巻線の定格電圧です。振動信号の振幅、成分係数、平均二乗偏差、および式(2)の不平衡誘導起電力Δeは、リアクタの内部故障特性を構成します。その故障診断は式(3)に示されます。

研究によると、リアクタの振動特性と機械状態との相関は電圧よりも強く、電力網の変動干渉を効果的に抑制することができます。正常動作中の750 kVリアクタは、三相構造を通じて平衡した偶数次の高調波を生成します。単一相故障は高調波バランスを破壊し、制御巻線の低抵抗特性により、定格の5倍の過電流が生じます。この異常電流はグリッド側の電流を通常の5倍に増大させ、高調波歪みを伴い、電力網の安全性を脅かします。

2 試験検証と結果評価
2.1 試験プラットフォームの構築

二次元軸対称電界モデルに基づいてシミュレーション環境を構築し、数値解析方法を使用して電界特性を研究します。試験システムはリアクタのワイヤと絶縁部品を3Dソリッドモデルに変換します。グラフィカルインターフェースを通じて、導体表面電荷のパラメータ設定、ワイヤの浮遊電位の特定、動的な電界可視化が可能です。

縦方向絶縁の分析では、巻線頭端での全波/チョッピング波励起、線端での全波負荷、及びニュートラルポイントでのチョッピング波負荷という4つの混合波形モードを採用し、異なる動作条件でのコイル電位勾配分布をシミュレートします。主絶縁評価では、電界集中領域に対する電磁結合モデルを構築し、振動特性計算と故障特徴抽出を実現します。試験用モデルは定格電圧45 kV、定格電流630 A、定格リアクタンス1005 Ωです。

2.2 試験結果と分析

本論文の方法と他の2つの方法について振動故障試験を行いました。3つの方法の試験結果を比較すると、表1の通りです。

表2のデータから、方法1（最大誤差56 μm）と方法2（最大誤差77 μm）と比較して、本論文で設計された750 kV高圧シャントリアクタの振動試験方法の最大誤差はわずか3 μmです。試験6では、その検出値30 μmは設定値と完全に一致しています。本論文の方法の最大誤差は従来の方法と比べて50 μm以上減少し、検出値は実際の値に最も近いため、方法の有効性が確認されました。

試験では第3測定点に対してスペクトル分析を行い、その後故障原因を分析しました。リアクタの第3測定点の試験スペクトル図は図1に示されています。

主磁気回路が鉄板とエアギャップを通過するとき、マクスウェル力場が形成され、その強度は電流の2倍になり、磁場エネルギーが減少します。スペクトル分析では、各測定点の振動周波数は約100 Hzであり、スペクトルは時間領域振動値と一致し、これが主磁気回路絶縁子の磁気伸縮効果による振動であることを示しています。

本研究では、故障診断精度を核心指標として、従来の方法1、方法2、及び本論文のアルゴリズムを比較しました。1000ケースのテストセットに基づくと、全ての3つの方法の基準精度は97%以上です。本論文の振動試験と故障分析方法は優れた性能を示し、精度は常に99.5%以上で、全サンプル試験では99.8%のピークを達成しました。方法1の精度ピーク/谷は98.88%/98.50%、方法2の精度範囲は97.50% - 97.83%です。最適な方法1と比較しても、本方法は精度を0.92ポイント向上させ、理論上の100.00%に近づき、750 kVシャントリアクタの振動試験と故障分析における精度の優位性を確認しました。

性能評価のために、実験では故障認識精度を核心指標として使用しました。試験結果は99.50% - 99.80%の精度で安定しており、750 kVリアクタの振動特性を正確に測定し、故障を確実に診断する二つの機能の有効性を確認しました。

3 結論

研究によると、高圧シャントリアクタの鉄心が緩んでいる場合、振動信号の時間-周波数特性が規則的に変化します。振幅の変動、分散、200 Hzのエネルギー割合などのパラメータを分析することで、状態を評価できます。200 Hz、300 Hz、500 Hzのような特性周波数帯は動作条件に関連しています。診断モデルは良好な故障識別能力を持っています。振動オンライン監視は鉄心の緩みや巻線の変形を識別でき、試験結果は方法の有効性を確認しています。