Моніторинг вібрації та діагностика несправностей високовольтних паралельних реакторів

1 Моніторинг вібрації та діагностика вад для високовольтних паралельних реакторів
1.1 Стратегія розташування точок вимірювання

Характеристики вібрації (частота, потужність, енергія) високовольтних паралельних реакторів повністю фіксуються у журналах роботи. Для аналізу вібрації важливо вирішити складність розподілу електричного поля на кінцях обмоток. Кількісно оцінити розподіл напруженості поля при операційній/громовій перенапругі та характеристики градієнту напруги поздовжньої ізоляції при надмірній напрузі. Розташування точок вимірювання має задовольняти вимогам автентичності вібрації, безпеки та технічної раціональності. З метою зниження ризику високого напруги на вершині резервуара, сенсори бажано розташовувати поблизу стінки резервуара. Поверхню резервуара поділять на прямокутні сегменти, встановлюючи геометричні центри як стандартні точки з систематичним нумеруванням, забезпечуючи відстань між точками ≤ 50 см, балансуючи простір для установки та покриття ключових областей. Схема розташування має динамічно оптимізовуватися залежно від конструкції обладнання, технічних специфікацій та норм безпеки, що дозволяє зберігати відстежуваність даних та контролювати ризики.

1.2 Метод вилучення характеристик сигналу вібрації

Моніторинг вібрації високовольтних паралельних реакторів збирає характеристики вібрації за допомогою системи сенсорів. Експерименти проводяться при двох умовах: 75% номінальної навантаженості та знятті механічних обмежень. Вібрація обладнання викликається двома механізмами: магнетострикційний ефект серцевини, що спричиняє періодичну деформацію по ширині та довжині; альтернативна електромагнітна сила, що викликає характерну вібрацію на частоті 95 Гц на межі серцевина-щілина. Чутливість до вібрації випливає з електромеханічного зв'язку. Розслаблені серцевини або деформовані обмотки призводять до аномальних амплітудних спектрів (95 Гц/150 Гц), часових доменів та коефіцієнтів головних компонент. Будується багатовимірна система характеристик амплітуд, асиметрії та ексцесу. Дослідження зосереджується на низькочастотних компонентах нижче 1 кГц, формується модель характеристик вібрації шляхом кількісної оцінки часових-частотних законів для підтримки діагностики вад.

Сегментований дискретний спектр потужності, представлений вище, відображає спектр потужності сигналу, як у Формулі (1).

У формулі: $N$ — кількість точок вибіркового вимірювання; $f$ — частота вибіркового вимірювання; $o(k)$ — сума квадратів амплітуд всіх частотних компонентів між -80 Гц та 100 Гц. Через складну структуру високовольтних паралельних реакторів, всередині відбуваються багато нелінійних факторів, таких як відображення та преломлення. Амплітуда кожного гармонічного компонента змінюється в різних умовах.

1.3 Діагностика внутрішніх вад 750 кВ високовольтних паралельних реакторів

Як основне пристрою реактивної потужності в електроенергетичних системах, надійність роботи високовольтних паралельних реакторів прямо пов'язана зі стабільністю системи. Ці управлювані реактори мають спеціальну структуру та складні механізми відмов, і вади можуть призводити до ризиків надмірного струму/напруги. На прикладі пристроїв 750 кВ, велика вмістова вада між обмотками контролю може призвести до невідповідності числа витків. Її гармонічні компоненти, окрім постійного струму та парних порядків, мають наслаються непарні гармоніки. Також, через різницю в породжених електродвижущих силах в лівому та правому стовпчиках серцевини вадливого контролю, у вадливій фазі контролю виникає невідповідна електродвижуща сила $\Δe$, як показано в Формулі (2).

У формулі: w — коефіцієнт короткого замикання реактора; χ — номінальна напруга контрольної обмотки. Амплітуда, коефіцієнт компонентів, середньоквадратичне відхилення в сигналі вібрації та невідповідна електродвижуща сила Δe в Формулі (2) разом становлять внутрішні характеристики вад реактора. Його діагностика відображена в Формулі (3).

Дослідження показали, що зв'язок між характеристиками вібрації та механічним станом реактора є сильнішим, ніж з напругою, що дозволяє ефективно підавляти перешкоди від коливань електроенергетичної мережі. Для реактора 750 кВ у нормальному режимі роботи, він генерує балансовані парні гармоніки через свою трифазну структуру. Однофазна вада зрушує баланс гармонік, і через низькоопорний характер контрольної обмотки, виникає струм, що перевищує номінальний на п'ять разів. Цей аномальний струм призводить до стрибка струму на стороні мережі до п'ятикратного нормального рівня, супроводжуючись гармонічними спотвореннями, що загрожує безпеці електроенергетичної мережі.

2 Перевірка та оцінка результатів тестування
2.1 Побудова платформи для тестування

Створюється симуляційне середовище на основі двовимірної осесиметричної моделі електричного поля, з використанням числових методів для вивчення характеристик електричного поля. Тестова система перетворює дроти реактора та ізоляційні компоненти в тривимірну твердотільну модель. За допомогою графічного інтерфейсу, вона дозволяє параметричне встановлення поверхневого заряду провідників, ідентифікацію плаваючого потенціалу дротів та динамічну візуалізацію електричного поля.

Для аналізу поздовжньої ізоляції використовуються чотири комбінованих форми хвиль: повна хвиля/нарізана хвиля на кінці обмотки, повне завантаження на кінці лінії та нарізане завантаження на нейтральній точці, що імітує розподіл потенціальних градієнтів обмотки в різних робочих умовах. У рамках оцінки основної ізоляції будується електромеханічна модель концентрації електричного поля, що реалізує обчислення характеристик вібрації та вилучення характеристик вад. Тестова модель має номінальну напругу 45 кВ, номінальний струм 630 А та номінальну реактивну опір 1005 Ω.

2.2 Результати та аналіз тестів

Проведено тестування вібраційних вад на основі методу, запропонованого в цій статті, та двох інших методів. Результати трьох методів порівнюються, як показано в Таблиці 1.

Згідно з даними Таблиці 2, у порівнянні з Методом 1 (максимальна помилка 56 μм) та Методом 2 (максимальна помилка 77 μм), максимальна помилка методу вібраційного тестування 750 кВ високовольтного паралельного реактора, запропонованого в цій статті, становить лише 3 μм. У Тесті 6, його виявлена величина 30 μм повністю збігається з заданою величиною. Максимальна помилка методу, запропонованого в цій статті, зменшилася більше ніж на 50 μм у порівнянні з традиційними методами, а виявлена величина найближча до фактичної, що підтверджує ефективність методу.

Тест проведення спектрального аналізу на Точці вимірювання №3, а потім аналіз причини вади. Тестовий спектрограма Точки вимірювання №3 реактора показана на Рисунку 1.

Коли основний магнітний контур проходить через залізні пластини та повітряні зазори, формується поле Максвелла, інтенсивність якого удвічі більша за поточний, що зменшує енергію магнітного поля. Спектральний аналіз показує, що частота вібрації кожної точки вимірювання становить ~100 Гц, і спектр суміщається з часовими значеннями вібрації, що свідчить про те, що вібрація випливає з магнетострикційного ефекту основного магнітного контура ізолятора.

Це дослідження використовує точність діагностики вад як ключовий показник, порівнюючи традиційний Метод 1, Метод 2 та алгоритм, запропонований в цій статті. На основі набору тестів з 1000 випадків: всі три методи мають базову точність >97%. Метод вібраційного тестування та аналізу вад, запропонований в цій статті, демонструє відмінні результати, зі стабільною точністю >99.5% та піком 99.8% у повному наборі тестів. Пік/діапазон точності Методу 1 становить 98.88%/98.50%, а діапазон точності Методу 2 становить 97.50% - 97.83%. У порівнянні з оптимальним Методом 1, цей метод покращує точність на 0.92 процентних пункта, наближаючись до теоретичного ліміту 100.00%, що підтверджує перевагу точності для вібраційного тестування та аналізу вад 750 кВ паралельних реакторів.

Для оцінки продуктивності, експеримент використовує точність виявлення вад як ключовий показник. Тести показують, що точність виявлення стабілізується на рівні 99.50% - 99.80%, що підтверджує ефективність подвійної функції: точне вимірювання характеристик вібрації реакторів 750 кВ та надійну діагностику вад.

3 Висновки

Дослідження показали, що коли серцевина високовольтного паралельного реактора розслаблена, часово-частотні характеристики сигналу вібрації змінюються регулярно. Аналіз параметрів, таких як коливання амплітуди, дисперсія та енергетична пропорція 200 Гц, може оцінити стан. Характерні частотні діапазони, такі як 200 Гц, 300 Гц та 500 Гц, пов'язані з робочими умовами. Модель діагностики має добре відомі можливості ідентифікації вад. Онлайн-моніторинг вібрації може виявити розслаблення серцевини та деформацію обмоток, а тестування підтвердило ефективність методу.