고압 병렬 리액터의 진동 모니터링 및 고장 진단

1 고압 셔트 리액터의 진동 모니터링 및 고장 진단 기술
1.1 측정 포인트 배치 전략

고압 셔트 리액터의 진동 특성 파라미터(주파수, 전력, 에너지)는 운전 로그에 완전히 기록됩니다. 진동 분석에서는 특히 감쇠 끝부분에서의 전기장 분포의 복잡성을 해결하는 데 중점을 둡니다. 작동/번개 과전압 하에서의 전기장 강도 분포와 과전압 하에서의 종방향 절연의 전압 경사 특성을 정량적으로 평가합니다. 측정 포인트 배치는 진동의 진실성, 안전성, 공학적 합리성 요구사항을 충족해야 합니다. 탱크 상단의 고전압 위험으로 인해 센서는 탱크 벽 주변에 배치하는 것이 좋습니다. 탱크의 외부 표면을 직사각형 단위로 나누고, 기하 중심을 시스템적으로 번호를 매긴 표준 포인트로 설정하여 포인트 간격이 50cm 이하가 되도록 하고, 설치 공간과 주요 영역 커버리지를 균형있게 유지합니다. 배치 계획은 장비 구조, 기술 사양, 안전 기준에 따라 동적으로 최적화되어 데이터 추적성과 위험 관리를 가능하게 해야 합니다.

1.2 진동 신호 특징 추출 방법

고압 셔트 리액터의 진동 모니터링은 감지 시스템을 통해 진동 특징을 수집합니다. 실험은 75% 정격 부하와 기계적 제약 해제 두 가지 조건에서 수행됩니다. 장비의 진동은 두 가지 메커니즘에 의해 발생합니다: 철심의 자기 수축 효과로 인한 횡/종 방향 주기적 변형, 교류 전자기력으로 인한 철심-갭 인터페이스에서의 95Hz 특성 진동. 진동 민감도는 전자기-기계 결합에서 비롯됩니다. 느슨한 철심이나 변형된 감쇠는 이상한 진폭 스펙트럼(95Hz/150Hz), 시간 영역 파형, 주성분 계수를 초래합니다. 진폭, 왜도, 첨도의 다차원 특징 시스템을 구성합니다. 연구는 1kHz 미만의 저주파 성분에 집중하여 시간-주파수 법칙을 정량화하여 고장 진단을 지원하는 진동 특성 모델을 구축합니다.

위의 분할된 이산 전력 스펙트럼은 신호 전력 스펙트럼을 나타내며, 식 (1)과 같습니다.

식에서: $N$ 는 측정 샘플링 포인트의 수; $f$ 는 샘플링 속도; $o(k)$ 는 -80Hz부터 100Hz 사이의 모든 주파수 성분의 진폭 제곱의 합입니다. 고압 셔트 리액터의 복잡한 구조로 인해 내부에서는 반사와 굴절과 같은 여러 비선형 요인이 발생합니다. 각 고조파 성분의 진폭은 다른 조건에서 달라집니다.

1.3 750kV 고압 셔트 리액터의 내부 고장 진단

전력 시스템에서 핵심적인 무효전력 보상 장치로서, 고압 셔트 리액터의 운전 신뢰성은 시스템의 안정성과 직접적으로 관련되어 있습니다. 이러한 제어 가능한 리액터는 특수한 구조와 복잡한 고장 메커니즘을 가지고 있으며, 고장은 과전류/과전압 위험을 초래할 수 있습니다. 750kV 장치를 예로 들면, 제어 감쇠의 대용량 회전수 간 고장은 회전수 불균형을 초래합니다. 그 고조파 성분은 DC와 짝수 차 고조파 외에도 홀수 차 고조파가 겹쳐져 있습니다. 또한, 고장난 제어 감쇠의 좌우 철심 기둥에서 유도되는 전동력이 다르므로, 고장난 위상 제어 감쇠에서 불균형 유도 전동력 $\Δe$ 가 생성되며, 식 (2)에 표시되어 있습니다.

식에서: w는 리액터의 단락 회전수 비율이고, χ는 제어 감쇠의 정격 전압입니다. 진동 신호의 진폭, 성분 계수, 평균 제곱 편차, 그리고 식 (2)의 불균형 유도 전동력 Δe는 함께 리액터의 내부 고장 특성을 구성합니다. 그 고장 진단은 식 (3)에 표시되어 있습니다.

연구 결과, 진동 특성과 리액터의 기계 상태 간의 상관관계는 전압보다 더 강하며, 이를 통해 전력망의 변동 간섭을 효과적으로 억제할 수 있습니다. 정상적으로 운전되는 750kV 리액터는 3상 구조를 통해 균형 잡힌 짝수 차 고조파를 생성합니다. 단일 상 고장은 고조파 균형을 깨뜨릴 것이며, 제어 감쇠의 저저항 특성으로 인해 정격 과전류의 5배의 전류가 발생합니다. 이 이상한 전류는 전력망 측 전류를 정상 수준의 5배로 증가시키며, 고조파 왜곡을 동반하여 전력망의 안전을 위협합니다.

2 테스트 검증 및 결과 평가
2.1 테스트 플랫폼 구축

2차원 축대칭 전기장 모델을 기반으로 시뮬레이션 환경을 구축하고, 수치 방법을 사용하여 전기장 특성을 연구합니다. 테스트 시스템은 리액터의 선과 절연 부품을 3D 입체 모델로 변환합니다. 그래픽 인터페이스를 통해 도체 표면 전하를 매개변수화하여 설정하고, 선의 부유 전위를 식별하며, 동적인 전기장을 시각화할 수 있습니다.

종방향 절연 분석을 위해, 감쇠 머리 끝에서의 전체파/절단파 자극, 선 끝에서의 전체파 부하, 중립점에서의 절단파 부하의 네 가지 혼합 파형 모드를 채택하여, 다양한 작업 조건 하에서의 코일 전위 경사 분포를 시뮬레이션합니다. 주요 절연 평가에서는 전기장 집중 영역에 대한 전자기 결합 모델을 구축하여 진동 특성 계산과 고장 특징 추출을 실현합니다. 테스트에 사용된 모델은 정격 전압 45kV, 정격 전류 630A, 정격 반응 1005Ω입니다.

2.2 테스트 결과 및 분석

본 논문의 방법과 다른 두 가지 방법에 대해 진동 고장 테스트를 수행하였습니다. 세 가지 방법의 테스트 결과를 비교하면 다음과 같습니다.

표 2의 데이터에서 볼 수 있듯이, 방법 1(최대 오차 56 μm)과 방법 2(최대 오차 77 μm)와 비교하여 본 논문에서 설계한 750kV 고압 셔트 리액터 진동 테스트 방법의 최대 오차는 단지 3 μm입니다. 테스트 6에서 그 검출 값 30 μm은 설정 값과 완전히 일치합니다. 본 논문의 방법의 최대 오차는 기존 방법보다 50 μm 이상 감소하였으며, 검출 값이 실제 값에 가장 가까워짐으로써 방법의 유효성을 검증하였습니다.

테스트는 3번 측정 포인트에 대해 스펙트럼 분석을 수행하고, 고장 원인을 분석하였습니다. 리액터의 3번 측정 포인트의 테스트된 스펙트럼 도표는 그림 1에 표시되어 있습니다.

주자기 회로가 철판과 공기 간격을 통과할 때 맥스웰 힘 필드가 형성되며, 그 강도는 전류의 두 배이며, 자기장 에너지를 줄입니다. 스펙트럼 분석 결과, 각 측정 포인트의 진동 주파수는 약 100Hz이며, 스펙트럼은 시간 영역 진동 값과 일치하여, 진동이 주자기 회로 절연체의 자기 수축 효과에서 기인함을 나타냅니다.

이 연구는 고장 진단 정확도를 핵심 지표로 하여, 기존 방법 1, 방법 2, 그리고 본 논문의 알고리즘을 비교하였습니다. 1000개 케이스 테스트 세트를 기반으로: 모든 세 방법의 기준 정확도는 97% 이상입니다. 본 논문의 진동 테스트 및 고장 분석 방법은 뛰어난 성능을 보여, 정확도는 안정적으로 99.5% 이상이며, 전체 샘플 테스트에서 99.8%의 피크를 기록하였습니다. 방법 1의 정확도 피크/골은 98.88%/98.50%이며, 방법 2의 정확도 범위는 97.50%-97.83%입니다. 최적의 방법 1과 비교하여, 본 방법은 정확도를 0.92%포인트 개선하여 100.00%의 이론적 한계에 가까워짐으로써, 750kV 셔트 리액터 진동 테스트 및 고장 분석에서의 정확도 우위를 검증하였습니다.

성능 평가를 위해 실험은 고장 인식 정확도를 핵심 지표로 사용하였습니다. 테스트 결과, 검출 정확도는 99.50%-99.80%로 안정화되어, 750kV 리액터의 진동 특성을 정확히 측정하고, 고장을 신뢰성 있게 진단하는 이중 기능의 효과성을 확인하였습니다.

3 결론

연구 결과, 고압 셔트 리액터의 철심이 느슨해질 때, 진동 신호의 시간-주파수 특성이 규칙적으로 변화한다는 것을 알 수 있습니다. 진폭 변동, 분산, 200Hz의 에너지 비율과 같은 파라미터를 분석하여 상태를 평가할 수 있습니다. 200Hz, 300Hz, 500Hz와 같은 특성 주파수 대역은 작업 조건과 관련이 있습니다. 진단 모델은 좋은 고장 식별 능력을 가지고 있습니다. 진동 온라인 모니터링을 통해 철심의 느슨함과 감쇠의 변형을 식별할 수 있으며, 테스트는 방법의 유효성을 검증하였습니다.