Monitorowanie drgań i diagnostyka uszkodzeń w wysokonapiowych reaktorach szeregowych

1 Monitorowanie drgań i diagnostyka uszkodzeń w wysokonapiowych reaktorach szeregowych
1.1 Strategia rozmieszczenia punktów pomiarowych

Parametry charakterystyczne drgań (częstotliwość, moc, energia) wysokonapiowych reaktorów szeregowych są w pełni zapisywane w dziennikach operacyjnych. W celu analizy drgań należy skupić się na rozwiązywaniu złożoności rozkładu pola elektrycznego na końcach cewek. Dokonaj oceny ilościowej rozkładu natężenia pola podczas pracy/nadprądzania przez piorun oraz charakterystyk gradientu napięcia izolacji poprzecznej przy napięciu przekroczonym. Rozmieszczenie punktów pomiarowych musi spełniać wymagania dotyczące autentyczności drgań, bezpieczeństwa i inżynieryjnej racjonalności. Ze względu na ryzyko wysokiego napięcia na szczycie zbiornika, czujniki powinny być umieszczane wokół ściany zbiornika. Podziel zewnętrzne powierzchnie zbiornika na prostokątne jednostki, ustaw środki geometryczne jako standardowe punkty z systematycznym numerowaniem, zapewniając odległość między punktami ≤ 50 cm, balansując przestrzeń montażową i zakres kluczowych obszarów. Schemat rozmieszczenia powinien być dynamicznie optymalizowany na podstawie struktury sprzętu, specyfikacji technicznych i norm bezpieczeństwa, umożliwiając śledzenie danych i kontrolę ryzyka.

1.2 Metoda ekstrakcji cech sygnału drgań

Monitorowanie drgań wysokonapiowych reaktorów szeregowych polega na gromadzeniu cech drgań za pomocą systemu czujników. Eksperymenty wykorzystują dwie warunki: 75% obciążenia nominalnego i usunięcie mechanicznych ograniczeń. Drgania sprzętu są napędzane przez dwa mechanizmy: efekt magnetostrykcji rdzenia powodujący okresowe deformacje boczne/poziome; zmienna siła elektromagnetyczna indukująca charakterystyczne drgania o częstotliwości 95 Hz na granicy rdzenia-zbocza. Wrażliwość na drgania wynika z sprzężenia elektromechanicznego. Luźne rdzenie lub zdeformowane cewki powodują nieprawidłowe widmo amplitudowe (95 Hz/150 Hz), przebiegi czasowe i współczynniki głównych składowych. Buduje się wielowymiarowy system cech, obejmujący amplitudę, skośność i kurtozę. Badania koncentrują się na niskich częstotliwościach poniżej 1 kHz, tworząc model charakterystyki drgań poprzez kwantyfikację praw czasowo-częstotliwościowych w celu wsparcia diagnostyki uszkodzeń.

Segmentowane dyskretne widmo mocy przedstawione powyżej reprezentuje widmo mocy sygnału, jak w Formule (1).

W formule: $N$ jest liczbą punktów próbkowania; $f$ jest częstotliwością próbkowania; $o(k)$ jest sumą kwadratów amplitud wszystkich składowych częstotliwościowych między -80 Hz a 100 Hz. Ze względu na złożoną strukturę wysokonapiowych reaktorów szeregowych, wewnątrz występuje wiele nieliniowych czynników, takich jak odbicie i załamanie. Amplituda każdej składowej harmonicznej zmienia się w różnych warunkach.

1.3 Diagnostyka wewnętrznych uszkodzeń 750 kV wysokonapiowych reaktorów szeregowych

Jako kluczowe urządzenie kompensacji reaktywnej w systemach energetycznych, niezawodność działania wysokonapiowych reaktorów szeregowych jest bezpośrednio związana ze stabilnością systemu. Te sterowane reaktory mają specjalną strukturę i złożone mechanizmy awarii, a uszkodzenia mogą prowadzić do ryzyka nadprądów/nadnapięć. Weźmy na przykład urządzenia 750 kV. Duże uszkodzenie między zwitkami w cewce sterującej powoduje niezrównoważenie liczby zwitek. Jego składowe harmoniczne, oprócz DC i parzystych rzędów, mają dodatkowe nieparzyste harmoniczne. Ponadto, ponieważ indukowane siły elektromotoryczne w lewej i prawej kolumnie rdzenia uszkodzonej cewki sterującej różnią się, generuje się nierównoważona siła elektromotoryczna $\Δe$ w fazie sterującej uszkodzonej, jak pokazano w Formule (2).

W formule: w jest stosunkiem zwitków krótkiego spięcia reaktora; χ jest napięciem znamionowym cewki sterującej. Amplituda, współczynnik składowych, średnie odchylenie kwadratowe w sygnale drgań i nierównoważona siła elektromotoryczna Δe w Formule (2) razem stanowią charakterystyki wewnętrznego uszkodzenia reaktora. Jego diagnostyka uszkodzeń jest przedstawiona w Formule (3).

Badania pokazują, że korelacja między cechami drgań a stanem mechanicznym reaktora jest silniejsza niż z napięciem, co może efektywnie tłumaczyć interferencję fluktuacji sieci. Dla reaktora 750 kV w normalnym działaniu generuje on zrównoważone parzyste harmoniczne poprzez swoją trójfazową strukturę. Jednofazowe uszkodzenie zaburzy równowagę harmonicznych, a ze względu na niską rezystancję cewki sterującej, powstanie prąd pięciokrotnie większy od prądu znamionowego. Ten nieprawidłowy prąd powoduje, że prąd po stronie sieci wzrasta do pięciokrotności normalnej wartości, towarzysząc distorsji harmonicznej, która zagraża bezpieczeństwu sieci.

2 Weryfikacja testami i ocena wyników
2.1 Budowa platformy testowej

Buduje się środowisko symulacyjne oparte na dwuwymiarowym osiowosymetrycznym modelu pola elektrycznego, z wykorzystaniem metod numerycznych do badania charakterystyk pola elektrycznego. System testowy przekształca druty i komponenty izolacyjne reaktora w model bryłowy 3D. Przez interfejs graficzny umożliwia parametryczne ustawianie ładunku powierzchniowego przewodnika, identyfikację potencjału pływającego drutów oraz dynamiczną wizualizację pola elektrycznego.

W celu analizy izolacji poprzecznej wykorzystuje się cztery mieszane tryby fali: pełne fale/zakłócenia na początku cewki, pełne obciążenie na końcu linii oraz obciążenie zakłóceniami w punkcie neutralnym, symulując rozkład gradientu potencjału cewki w różnych warunkach pracy. W ocenie głównej izolacji buduje się model sprzężenia elektromechanicznego dla obszarów koncentracji pola elektrycznego, realizując obliczenia charakterystyk drgań i ekstrakcję cech uszkodzeń. Model używany w teście ma napięcie znamionowe 45 kV, prąd znamionowy 630 A i reaktancję znamionową 1005 Ω.

2.2 Wyniki testów i analiza

Testy uszkodzeń drgań są przeprowadzane na metodzie zaprezentowanej w tym artykule oraz dwóch innych metodach. Porównuje się wyniki trzech metod, jak pokazano w Tabeli 1.

Jak można zauważyć na podstawie danych w Tabeli 2, w porównaniu z Metodą 1 (maksymalny błąd 56 μm) i Metodą 2 (maksymalny błąd 77 μm), maksymalny błąd metody testowania drgań 750 kV wysokonapiowego reaktora szeregowego zaprojektowanej w tym artykule wynosi tylko 3 μm. W Teście 6 jego wartość wykryta 30 μm jest całkowicie zgodna z ustawioną wartością. Maksymalny błąd metody zaprezentowanej w tym artykule jest obniżony o ponad 50 μm w porównaniu z tradycyjnymi metodami, a wykryta wartość jest najbliżej rzeczywistej, co potwierdza skuteczność metody.

Przeprowadzono analizę widma na punkcie pomiarowym nr 3, a następnie przeanalizowano przyczynę uszkodzenia. Wykres widma punktu pomiarowego nr 3 reaktora jest przedstawiony na Rysunku 1.

Gdy główna droga magnetyczna przechodzi przez placek żelaza i luki powietrzne, powstaje pole sił Maxwella o intensywności dwukrotnej względem prądu, redukując energię pola magnetycznego. Analiza widma pokazuje, że częstotliwość drgań każdego punktu pomiarowego wynosi około 100 Hz, a widmo zgadza się z wartościami drgań w dziedzinie czasu, co wskazuje, że drgania pochodzą z efektu magnetostrykcji głównego izolatora drogi magnetycznej.

To badanie używa dokładności diagnostyki uszkodzeń jako głównego wskaźnika, porównując tradycyjną Metodę 1, Metodę 2 i algorytm przedstawiony w tym artykule. Na podstawie zestawu testowego 1000 przypadków: wszystkie trzy metody mają dokładność referencyjną >97%. Metoda testowania drgań i analizy uszkodzeń przedstawiona w tym artykule działa znakomicie, z dokładnością stabilnie >99,5% i szczytem 99,8% w pełnych testach. Maksymalna/minimalna dokładność Metody 1 wynosi 98,88%/98,50%, a zakres dokładności Metody 2 to 97,50%-97,83%. W porównaniu z najlepszą Metodą 1, ta metoda zwiększa dokładność o 0,92 punktu procentowego, zbliżając się do teoretycznego limitu 100,00%, co potwierdza jej przewagę dokładności w testowaniu drgań i analizie uszkodzeń 750 kV reaktorów szeregowych.

Aby ocenić wydajność, eksperyment używa dokładności rozpoznawania uszkodzeń jako głównego wskaźnika. Testy pokazują, że dokładność wykrywania stabilizuje się na poziomie 99,50%-99,80%, potwierdzając skuteczność podwójnej funkcji: dokładne pomiar charakterystyk drgań 750 kV reaktorów i niezawodna diagnostyka uszkodzeń.

3 Wnioski

Badania pokazują, że gdy rdzeń wysokonapiowego reaktora szeregowego jest luźny, cechy czasowo-częstotliwościowe sygnału drgań zmieniają się regularnie. Analizując parametry, takie jak fluktuacje amplitudy, wariancja i proporcja energii 200 Hz, można ocenić stan. Charakterystyczne pasma częstotliwości, takie jak 200 Hz, 300 Hz i 500 Hz, są związane z warunkami pracy. Model diagnostyczny ma dobrą zdolność identyfikacji uszkodzeń. Monitorowanie online drgań może identyfikować luźne rdzenie i deformacje cewek, a testy potwierdzają skuteczność metody.