Monitoramento de Vibrações e Diagnóstico de Falhas para Reatores Shunt de Alta Tensão
1 Tecnologia de Monitoramento de Vibração e Diagnóstico de Falhas para Reatores Shunt de Alta Tensão
1.1 Estratégia de Disposição dos Pontos de Medição
Os parâmetros característicos de vibração (frequência, potência, energia) dos reatores shunt de alta tensão são registrados em detalhes nos logs de operação. Para a análise de vibração, o foco está na resolução da complexidade da distribuição do campo elétrico nas extremidades das bobinas. Avaliação quantitativa da distribuição de intensidade do campo sob sobretensão operacional/sobretensão por raio e características de gradiente de tensão do isolamento longitudinal sob tensão superior à nominal. A disposição dos pontos de medição deve atender aos requisitos de autenticidade, segurança e racionalidade engenhosa da vibração. Devido ao risco de alta tensão no topo do tanque, os sensores devem ser preferencialmente colocados ao redor da parede do tanque. Divida a superfície externa do tanque em unidades retangulares, estabeleça os centros geométricos como pontos padrão com numeração sistemática, garantindo que a distância entre os pontos seja ≤ 50 cm, equilibrando o espaço de instalação e a cobertura de áreas-chave. O esquema de disposição deve ser otimizado dinamicamente com base na estrutura do equipamento, especificações técnicas e normas de segurança, permitindo a rastreabilidade dos dados e o controle de riscos.
1.2 Método de Extração de Características do Sinal de Vibração
O monitoramento de vibração dos reatores shunt de alta tensão coleta características de vibração através de um sistema de sensores. Os experimentos utilizam duas condições: 75% da carga nominal e remoção da restrição mecânica. A vibração do equipamento é impulsionada por dois mecanismos: o efeito magnetoestrictivo do núcleo de ferro, causando deformação periódica lateral/longitudinal; e a força eletromagnética alternada induzindo uma vibração característica de 95 Hz na interface núcleo-de-ferro-vazamento. A sensibilidade à vibração deriva do acoplamento eletromecânico. Núcleos soltos ou bobinas deformadas causam espectros de amplitude anormais (95 Hz/150 Hz), formas de onda no domínio do tempo e coeficientes de componentes principais. Construa um sistema multidimensional de características de amplitude, assimetria e curtose. A pesquisa se concentra em componentes de baixa frequência abaixo de 1 kHz, construindo um modelo de características de vibração ao quantificar leis de tempo-frequência para apoiar o diagnóstico de falhas.
O espectro de potência discreto segmentado acima representa um espectro de potência de sinal, conforme na Fórmula (1).
Na fórmula: é o número de pontos de amostragem de medição; é a taxa de amostragem; é a soma dos quadrados das amplitudes de todos os componentes de frequência entre -80 Hz e 100 Hz. Devido à estrutura complexa dos reatores shunt de alta tensão, ocorrem diversos fatores não lineares internos, como reflexão e refração. A amplitude de cada componente harmônico varia em diferentes condições.
1.3 Diagnóstico de Falhas Internas em Reatores Shunt de 750 kV de Alta Tensão
Como dispositivo central de compensação de reatividade nos sistemas de energia, a confiabilidade operacional dos reatores shunt de alta tensão está diretamente relacionada à estabilidade do sistema. Esses reatores controláveis têm uma estrutura especial e mecanismos de falha complexos, e as falhas podem causar riscos de sobrecorrente/sobretensão. Tomemos como exemplo dispositivos de 750 kV. Uma falha de grande capacidade de enrolamento a enrolamento no enrolamento de controle causa um desequilíbrio no número de voltas. Seus componentes harmônicos, além dos de corrente contínua e de ordem par, têm superpostos harmônicos de ordem ímpar. Além disso, como as forças eletromotriz induzidas nas colunas de núcleo esquerda e direita do enrolamento de controle defeituoso são diferentes, gera-se uma força eletromotriz induzida desequilibrada no enrolamento de controle da fase defeituosa, conforme mostrado na Fórmula (2).
Na fórmula: w é a razão de voltas em curto-circuito do reator; χ é a tensão nominal do enrolamento de controle. A amplitude, o coeficiente de componente, o desvio padrão quadrático no sinal de vibração e a força eletromotriz induzida desequilibrada Δe na Fórmula (2) juntos constituem as características de falha interna do reator. Seu diagnóstico de falha é mostrado na Fórmula (3).
Estudos mostram que a correlação entre as características de vibração e o estado mecânico do reator é mais forte do que com a tensão, podendo suprimir efetivamente a interferência de flutuações da rede elétrica. Para um reator de 750 kV em operação normal, ele gera harmônicos pares equilibrados através de sua estrutura trifásica. Uma falha monofásica perturbará o equilíbrio harmônico, e devido à característica de baixa resistência do enrolamento de controle, será produzida uma corrente cinco vezes a corrente nominal. Esta corrente anormal faz com que a corrente do lado da rede aumente para cinco vezes o nível normal, acompanhada de distorção harmônica, ameaçando a segurança da rede elétrica.
2 Verificação de Testes e Avaliação de Resultados
2.1 Construção da Plataforma de Testes
Um ambiente de simulação é construído com base em um modelo de campo elétrico bidimensional axissimétrico, utilizando métodos numéricos para estudar as características do campo elétrico. O sistema de testes transforma os fios e componentes de isolamento do reator em um modelo sólido 3D. Por meio da interface gráfica, permite a configuração parametrizada da carga superficial do condutor, identificação do potencial flutuante do fio e visualização dinâmica do campo elétrico.
Para a análise do isolamento longitudinal, são adotados quatro modos de forma de onda mista: excitação em onda completa/onduleada na extremidade do enrolamento, carregamento em onda completa na extremidade da linha e carregamento onduleado no ponto neutro, simulando a distribuição do gradiente de potencial do enrolamento em diferentes condições de trabalho. Na avaliação do isolamento principal, é construído um modelo de acoplamento eletromecânico para áreas de concentração de campo elétrico, realizando o cálculo de características de vibração e extração de características de falha. O modelo utilizado no teste tem uma tensão nominal de 45 kV, corrente nominal de 630 A e reatância nominal de 1005 Ω.
2.2 Resultados e Análise dos Testes
Testes de falhas de vibração são realizados com o método deste artigo e outros dois métodos. Os resultados dos três métodos são comparados, conforme mostrado na Tabela 1.
De acordo com os dados da Tabela 2, em comparação com o Método 1 (erro máximo de 56 μm) e o Método 2 (erro máximo de 77 μm), o erro máximo do método de teste de vibração do reator shunt de 750 kV projetado neste artigo é apenas 3 μm. No Teste 6, seu valor detectado de 30 μm é completamente consistente com o valor definido. O erro máximo do método deste artigo é reduzido em mais de 50 μm em comparação com os métodos tradicionais, e o valor detectado está mais próximo do valor real, verificando a eficácia do método.
O teste realizou uma análise espectral no Ponto de Medição 3, e então analisou a causa da falha. O diagrama de espectro testado do Ponto de Medição 3 do reator é mostrado na Figura 1.
Quando o circuito magnético principal passa por chapas de ferro e vãos de ar, forma-se um campo de força de Maxwell, com intensidade duas vezes a corrente, reduzindo a energia do campo magnético. A análise espectral mostra que a frequência de vibração de cada ponto de medição é ~100 Hz, e o espectro alinha-se com os valores de vibração no domínio do tempo, indicando que a vibração origina-se do efeito magnetoestrictivo do isolador do circuito magnético principal.
Este estudo utiliza a precisão do diagnóstico de falhas como indicador central, comparando o Método Tradicional 1, o Método 2 e o algoritmo deste artigo. Com base em um conjunto de testes de 1000 casos: todos os três métodos têm precisões de referência >97%. O método de teste de vibração e análise de falhas deste artigo apresenta um desempenho excepcional, com precisão estável >99,5% e um pico de 99,8% em testes de amostra total. O pico/vale de precisão do Método 1 é de 98,88%/98,50%, e a faixa de precisão do Método 2 é de 97,50% a 97,83%. Em comparação com o melhor Método 1, este método melhora a precisão em 0,92 pontos percentuais, aproximando-se do limite teórico de 100,00%, verificando a vantagem de precisão para o teste de vibração e análise de falhas de reatores shunt de 750 kV.
Para avaliar o desempenho, um experimento usa a precisão de reconhecimento de falhas como indicador central. Os testes mostram que a precisão de detecção estabiliza entre 99,50% a 99,80%, confirmando a eficácia dupla: medindo com precisão as características de vibração do reator de 750 kV e diagnosticando falhas com confiabilidade.
3 Conclusão
A pesquisa mostra que, quando o núcleo de ferro de um reator shunt de alta tensão está solto, as características de tempo-frequência do sinal de vibração mudam regularmente. Analisando parâmetros como a flutuação de amplitude, variância e a proporção de energia de 200 Hz, pode-se avaliar o estado. As bandas de frequência característica, como 200 Hz, 300 Hz e 500 Hz, estão relacionadas às condições de trabalho. O modelo de diagnóstico tem boa capacidade de identificação de falhas. O monitoramento online de vibrações pode identificar o afrouxamento do núcleo de ferro e a deformação do enrolamento, e os testes verificam a eficácia do método.
