Мониторинг вибрации и диагностика неисправностей высоковольтных шунтирующих реакторов

1 Технология мониторинга вибрации и диагностики неисправностей для высоковольтных шунтирующих реакторов
1.1 Стратегия размещения измерительных точек

Характеристические параметры вибрации (частота, мощность, энергия) высоковольтных шунтирующих реакторов полностью фиксируются в операционных журналах. Для анализа вибрации акцент делается на решении сложности распределения электрического поля на концах обмоток. Количественно оценивается распределение напряженности поля при рабочем/грозовом перенапряжении и характеристики градиента напряжения продольной изоляции при сверхноминальном напряжении. Размещение измерительных точек должно соответствовать требованиям подлинности вибрации, безопасности и инженерной рациональности. Из-за высокого напряжения на верхней части бака датчики предпочтительно устанавливаются вокруг стенки бака. Внешнюю поверхность бака делят на прямоугольные участки, центры которых являются стандартными точками с систематической нумерацией, обеспечивая расстояние между точками ≤ 50 см, балансируя пространство для установки и покрытие ключевых зон. Схема размещения должна быть динамически оптимизирована на основе структуры оборудования, технических спецификаций и стандартов безопасности, обеспечивая прослеживаемость данных и контроль рисков.

1.2 Метод извлечения характеристик сигнала вибрации

Мониторинг вибрации высоковольтных шунтирующих реакторов собирает характеристики вибрации через систему датчиков. Эксперименты проводятся при двух условиях: 75% номинальной нагрузки и при снятии механических ограничений. Вибрация оборудования вызывается двумя механизмами: магнестрикционным эффектом сердечника, приводящим к периодическим деформациям в поперечном и продольном направлениях; альтернирующей электромагнитной силой, вызывающей характерную вибрацию на частоте 95 Гц на границе между сердечником и зазором. Чувствительность к вибрации исходит от электромагнитно-механической связи. Ослабленные сердечники или деформированные обмотки вызывают аномальные амплитудные спектры (95 Гц/150 Гц), временные диаграммы и коэффициенты главных компонент. Построена многомерная система характеристик, включающая амплитуду, асимметрию и эксцесс. Исследования сосредоточены на низкочастотных компонентах ниже 1 кГц, создавая модель вибрационных характеристик путем количественного определения закономерностей во времени и частоте для поддержки диагностики неисправностей.

Сегментированный дискретный спектр мощности выше представляет собой спектр мощности сигнала, как в формуле (1).

В формуле: $N$ — количество точек измерения выборки; $f$ — частота дискретизации; $o(k)$ — сумма квадратов амплитуд всех частотных компонентов в диапазоне от -80 Гц до 100 Гц. Из-за сложной структуры высоковольтных шунтирующих реакторов внутри происходят множественные нелинейные факторы, такие как отражение и преломление. Амплитуда каждой гармонической составляющей варьируется в зависимости от условий.

1.3 Диагностика внутренних неисправностей 750 кВ высоковольтных шунтирующих реакторов

Как основное устройство компенсации реактивной мощности в электроэнергетических системах, надежность работы высоковольтных шунтирующих реакторов напрямую связана со стабильностью системы. Эти управляемые реакторы имеют особую структуру и сложные механизмы отказов, и неисправности могут вызывать риски перенапряжения/перетока тока. На примере устройств на 750 кВ, крупная межвитковая неисправность в управляющей обмотке вызывает дисбаланс числа витков. Его гармонические компоненты, помимо постоянного тока и четных гармоник, имеют наложенные нечетные гармоники. Также, поскольку индуцированные электродвижущие силы в левой и правой колонках сердечника неисправной управляющей обмотки различны, возникает несбалансированная индуцированная электродвижущая сила Δe в неисправной фазе управляющей обмотки, как показано в формуле (2).

В формуле: w — отношение числа витков короткого замыкания реактора; χ — номинальное напряжение управляющей обмотки. Амплитуда, коэффициент составляющих, среднеквадратическое отклонение в сигнале вибрации и несбалансированная индуцированная электродвижущая сила Δe в формуле (2) вместе составляют внутренние характеристики неисправности реактора. Диагностика неисправности представлена в формуле (3).

Исследования показывают, что корреляция между характеристиками вибрации и механическим состоянием реактора сильнее, чем с напряжением, что эффективно подавляет воздействие колебаний сети. Для реактора на 750 кВ в нормальном режиме работы он генерирует сбалансированные четные гармоники через свою трехфазную структуру. Однофазная неисправность нарушает баланс гармоник, и из-за низкоомной характеристики управляющей обмотки возникает ток, превышающий номинальный в пять раз. Этот аномальный ток вызывает увеличение сетевого тока до пятикратного уровня, сопровождаемое искажением гармоник, что угрожает безопасности сети.

2 Проверка и оценка результатов тестирования
2.1 Создание тестовой платформы

Создается имитационная среда на основе двухмерной осесимметричной модели электрического поля, с использованием численных методов для изучения характеристик электрического поля. Тестовая система преобразует провода и изоляционные компоненты реактора в трехмерную твердотельную модель. Через графический интерфейс она позволяет параметрически задавать заряд на поверхности проводников, идентифицировать плавающее напряжение проводов и визуализировать динамическое электрическое поле.

Для анализа продольной изоляции используются четыре комбинированных режима волн: полноволновое/прерывистое возбуждение на конце обмотки, полноволновая загрузка на линейном конце и прерывистая загрузка на нулевом выводе, моделируя распределение потенциального градиента катушки в различных рабочих условиях. В рамках оценки основной изоляции строится электромеханическая модель для областей концентрации электрического поля, реализуя расчет вибрационных характеристик и извлечение признаков неисправности. Используемая в тестах модель имеет номинальное напряжение 45 кВ, номинальный ток 630 А и номинальную индуктивность 1005 Ом.

2.2 Результаты тестирования и анализ

Тестирование на наличие вибрационных неисправностей проведено по методу, описанному в данной работе, и по двум другим методам. Результаты трех методов сравниваются, как показано в таблице 1.

Как видно из данных в таблице 2, по сравнению с методом 1 (максимальная ошибка 56 мкм) и методом 2 (максимальная ошибка 77 мкм), максимальная ошибка метода тестирования вибрации 750 кВ высоковольтного шунтирующего реактора, разработанного в данной работе, составляет всего 3 мкм. В тесте 6 его значение 30 мкм полностью совпадает с установленным значением. Максимальная ошибка метода, описанного в данной работе, снижена более чем на 50 мкм по сравнению с традиционными методами, и измеренное значение наиболее близко к реальному, что подтверждает эффективность метода.

Проведен спектральный анализ точки измерения №3, а затем проанализирована причина неисправности. Спектрограмма точки измерения №3 реактора показана на рисунке 1.

Когда основной магнитный контур проходит через железные пластины и воздушные зазоры, формируется поле Максвелла, интенсивность которого в два раза превышает ток, снижая энергию магнитного поля. Спектральный анализ показывает, что частота вибрации каждой точки измерения составляет около 100 Гц, и спектр соответствует значениям вибрации во временной области, указывая на то, что вибрация вызвана магнестрикционным эффектом изолятора основного магнитного контура.

В данном исследовании используется точность диагностики неисправностей в качестве ключевого показателя, сравнивая традиционный метод 1, метод 2 и алгоритм, описанный в данной работе. На основе набора тестовых данных в 1000 случаев: все три метода имеют базовую точность >97%. Метод тестирования вибрации и анализа неисправностей, описанный в данной работе, демонстрирует выдающиеся результаты, с точностью, стабильно превышающей 99,5%, и пиком в 99,8% при полном тестировании. Пик и минимум точности метода 1 составляют 98,88% и 98,50% соответственно, а диапазон точности метода 2 составляет 97,50%-97,83%. По сравнению с наилучшим методом 1, данный метод улучшает точность на 0,92 процентных пункта, приближаясь к теоретическому пределу 100,00%, что подтверждает преимущество точности для тестирования вибрации и анализа неисправностей 750 кВ шунтирующих реакторов.

Для оценки производительности эксперимент использует точность распознавания неисправностей в качестве ключевого показателя. Тесты показывают, что точность детектирования стабилизируется в диапазоне 99,50%-99,80%, подтверждая двойную функциональность: точное измерение характеристик вибрации 750 кВ реакторов и надежную диагностику неисправностей.

3 Заключение

Исследования показывают, что когда сердечник высоковольтного шунтирующего реактора ослаблен, временные и частотные характеристики сигнала вибрации изменяются регулярно. Анализ таких параметров, как колебания амплитуды, дисперсия и удельная энергия на частоте 200 Гц, может оценивать состояние. Характерные частотные полосы, такие как 200 Гц, 300 Гц и 500 Гц, связаны с условиями работы. Модель диагностики обладает хорошими возможностями идентификации неисправностей. Онлайн-мониторинг вибрации может выявлять ослабление сердечника и деформацию обмоток, и тесты подтверждают эффективность метода.